光纖保護

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用正在逐步推廣，由光纖作為通

道構(gòu)成的光纖保護是輸電線路的一種理想保護，光纖通道容量大、抗腐蝕不受潮，敷設(shè)、檢

修方便、還可以節(jié)省大量有色金屬，并且可以解決縱聯(lián)保護中導(dǎo)引線保護以及高頻保扶的通

道易受電磁干擾、高頻信號衰耗等問題。由于光纖通道的通信距離不夠長，在長距離輸電線

路中使用時需要中繼器和其它附屬設(shè)備，因此，對于整定配合比較困難的短線路，光纖保護

的優(yōu)點更為突出。

一、光纖保護的基本原理

光纖保護是將線路兩側(cè)的電氣量調(diào)制后轉(zhuǎn)化為光信號，以光纜作為通道傳送到對側(cè)，

解調(diào)后直接比較兩側(cè)電氣量的變化，然后根據(jù)特定關(guān)系，判定內(nèi)部或外部故障的一種保護。

光纖保護主要由故障判別元件和信號傳輸系統(tǒng)（PCM端機、光端機以及光纜通道）組

成，如圖4-21所示。

圖4-21光纖保護的組成方框圖

故障判別元件即繼電保護裝置，利用線路兩側(cè)輸入電氣量的變化，根據(jù)特定關(guān)系來區(qū)

分正常運行、外部故障以及內(nèi)部故障。光端機的作用是接收、發(fā)送光信號。光端機的光發(fā)部

分通過PCM端機的調(diào)制楷將發(fā)送電氣量的模擬信號調(diào)制數(shù)字信號進行發(fā)送，經(jīng)光纜通道傳

輸?shù)骄€路對側(cè)：光端機的光收部分收到被保護線路對側(cè)的數(shù)字光信號后，通過PCM端機的

解調(diào)器還原成電氣量模擬信號，然后提供給保護，作為故障判別的依據(jù)。PCM端機請制器

的作用是將各路模擬信號進行采樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼，與鍵控信號的并行編碼一同轉(zhuǎn)換成

適合光纜傳輸?shù)拇写a；PCM端機解調(diào)器的作用是將接收到的PCM串行碼轉(zhuǎn)換成并行碼,

并將這些并行碼經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和鍵控解碼，解調(diào)出各路的模擬信號和鍵控信號。光纜通道的

作用是將被保護線路一側(cè)反應(yīng)電氣量的光信號，傳輸?shù)谋槐Ｗo線路的另一側(cè)。

二、信號傳輸系統(tǒng)

光纖傳輸系統(tǒng)是如圖4-16所示除繼電保護以外的其余部分，即兩側(cè)PCM端機、光端機

和光纜組成光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)。

（一）PCM端機

1

1.PCM調(diào)制器

PCM（PulseCodeModulation）調(diào)制器的原理是脈沖編碼調(diào)制。PCM調(diào)制器由時序電路、

模擬信號編碼電路、鍵控信號編碼電路、并/串轉(zhuǎn)換及匯合電路組成。

2.PCM解調(diào)器

PCM解調(diào)器由時序電路、串/并轉(zhuǎn)換電路、同步電路、模擬解調(diào)電路及鍵控解碼電路組

成。

（二）光端機

兩側(cè)裝置中，每一側(cè)光端機包括光發(fā)送部分和光接收部分。光信號在光纖中單向傳輸，

兩側(cè)光端機需要兩根光纖，一般采用四芯光纜，兩芯運行，兩芯備用。光端機與光纜經(jīng)過光

纖活動連接器連接。活動連接器?端為裸纖，與光纜的裸纖焊接，另?端為插頭，可與光端

機插接。

1.光發(fā)送部分

光發(fā)送部分主要由試盤信號發(fā)生器、PCM碼放大器、驅(qū)動電路和發(fā)光管心石。組成。其

核心元件是電流驅(qū)動的發(fā)光管心瓦尢驅(qū)動電流越大，輸出光功率越高。PCM碼經(jīng)過放大，

電流驅(qū)動電路驅(qū)動工作，使輸出的光脈沖與PCM碼的電脈沖信號一一對應(yīng)，即輸入脈

沖為“1”碼時，輸出一個光脈沖，輸入“0”碼時，沒有光信號輸出。

2.光接收部分

光接收部分的核心元件是光接收管PIN.它將接收到的光脈沖信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流脈

沖信號，經(jīng)前置.放大器、主放大器放大，成為電壓脈沖信號，經(jīng)比較整形后，還原成PCM

碼。

（三）光纜

由光纖組成。光纖是一種很細的空心石英絲或玻璃絲，直徑僅為100〃加~200〃〃:。光

在光纖中單向傳播。

三、繼電保護部分

近年常用的電流差動光纖保護有綜合比較三相電流和分相電流差動比較兩種比較原理。

以分相電流差動比較原理為例進行分析。

（一）分相電流差動比較原理的動作判據(jù)和動作區(qū)

分相電流差動比較原理的動作判據(jù)的分析方法原則上可以分為兩類：一類以差動電流

/KD和制動電流/R的關(guān)系，KD=/（/R）表不，稱為制動特性，另一類用線路兩側(cè)電流

2

的相位關(guān)系表示，稱為相位特性。下面，以制動特性為例進行分析。

1.動作判據(jù)

動作判據(jù)功能要求：

（1）內(nèi)部故障電流較小時，有足夠的靈敏度；

（2）外部故障電流閱讀，允許電流誤差相應(yīng)增大，以提高保護防誤動能力。

（3）如圖4-22所示帶有負荷的單電源系統(tǒng)，保護范圍內(nèi)經(jīng)過渡電阻號短路時，，”從故

障點流出，與人反向，保護應(yīng)能動作。設(shè)

/?=-KImfKcl,要求當人」與時,保護能正

確動作，即一側(cè)電流有50%“溢出”時，保護能動作。圖4-22單側(cè)電源供電系統(tǒng)

滿足此要求的動作判據(jù)為

乙+乙|一K|浦+園-國乙+乙-KJ0p+/J>IOP（4-34）

式中，乙、乙一線路兩側(cè)的三相電流或零序電流；

Ki、《2、代一固定常數(shù)，分別取值為0.5、1、2；

/p一固定值（電流偏移量），當/N=5A時，取0.5；

/OP—整定值；

乙+/〃一動作量；

G=圍+|小K兒+小+/〃一制動量，且

K3IOP

G當G>0時;

⑻=?(4-35)

0當GV0時c

這種原理是將線路兩惻的人、比C三相電流及零序電流四個量直接傳輸至對側(cè)，分相

進行差動比較。

2.動作區(qū)及其特點

根據(jù)分相電流差動保護的動作判據(jù)可作出制動特性

曲線=動作區(qū)如圖4-23所示陰影區(qū)。圖中，

直線4、5為50%溢出線處于動作邊界，實際裝置應(yīng)考慮

元件的誤差，為使裝置可靠動作，動作邊界向曲線1有

3

圖4-23電流差動保護制動特性

一小偏移，通過電流偏移量/p即可實現(xiàn)。

動作邊界曲線4，、5'的斜率取決于系數(shù)Ki、％。與直線4、5的偏移取決于笫一折

點取決于K?、&、/opo

隨著故障電流的增大，信號值接近電路的工作電壓時，電路中的信號出現(xiàn)飽和，動作

邊界曲線4\5,不再與直線4、5平行，出現(xiàn)第二折點，逐漸趨于與兩坐標軸平行，第二折

點大約出現(xiàn)在/=20A處。

（二）分相電流比較差動保護的實現(xiàn)

如圖4-24所示為分相電流比較差動保護原理方框圖。分相電流比較差動保護主要分為

兩部分：前置電路和動作判據(jù)電路。

前置電路主要由50Hz的帶通游波器合圖4-16所示的調(diào)相調(diào)幅電路組成，采用調(diào)相調(diào)

幅電路可以將本側(cè)信號后移約30°并進行幅值調(diào)整，補償對側(cè)電流信號傳輸過程中的相位

滯后和幅俏變化。此時，“八Ms兩外電流幅俏相同，相位相反。

動作判據(jù)電路是對判據(jù)中的各個信號進行加、減、整流和鑒別等進行處理。本側(cè)電流

信號乙和對側(cè)電流信號人經(jīng)加法器1和整流器1形成動作量，“+"，經(jīng)整流器2和3、

加法器2形成//+//，加法器3在G點的最終輸出為

G=[/+閡-&氏-4（4-36）

加法器4的輸出為

|4+4—段/|+聞—蜀北+乙卜KJ”+力（4.37）

與動作值/OP經(jīng)比較器比較，滿足保護的動作判據(jù)時，使斷路器跳閘，同時發(fā)出跳閘信號。

4

反加

整流器I法

相加

器

法反4

器

3HI

1--整流泄2加

法

比100Hz

器

2較

整流器3器跳網(wǎng)

4

圖4-24分相電流比較差動保護原理框圖

四、按分相差動比較原理構(gòu)成的分相比較光纖縱聯(lián)保護

按分相差動比較原理構(gòu)成的分相比較光纖縱聯(lián)保護框圖如圖4-25所示，主要由電流/電

壓變換器、差動元件、負字突變量起動元件、邏輯回路司PCM調(diào)制、解調(diào)器以及光端機組

成。

保護從系統(tǒng)取得三相電流和零序電流，變換成電壓后，一路送至本側(cè)的差動元件和電流

檢測元件，另一路經(jīng)PCM調(diào)制器調(diào)制后傳送至對側(cè)。

傳輸系統(tǒng)傳送的經(jīng)電流/電壓變換器轉(zhuǎn)換后的回路電壓信號和遠跳或外部遠傳的四個鍵

控信號KLK，被調(diào)制成一路脈沖信號，由光端機的發(fā)送電路（石/O-光電轉(zhuǎn)換電路）轉(zhuǎn)換成

光脈沖信號待傳輸。同時，由光端機接收的對側(cè)光脈沖信號被其接收電路（。/￡）轉(zhuǎn)換成電

脈沖信號，由PCM解調(diào)器解調(diào)后，還原成四個模擬量和四個鍵控信號，分送至各相電流差

動元件和邏輯電路。差動元件對兩側(cè)電流信號進行分相比較，因此線路故障時具有選相功能,

系統(tǒng)振蕩和非全相時不誤動作，差動元件的動作應(yīng)滿足動作判據(jù)。本側(cè)電流信號均通過帶通

濾波器濾除直流分量和高次諧波，對側(cè)電流在解調(diào)電路中被濾波，相位調(diào)節(jié)電路用以補償對

側(cè)電流在傳輸過程中的相位滯后。電流檢測元件為電流互感器回路斷線時提供閉鎖信號并經(jīng)

邏輯回路輸出告警信號。

起動元件由三相式負導(dǎo)電流濾過器、三相全波整流器、負序電流突變最形成電路組成。

三相式負序電流濾過器在對稱故障時，有5?7ms的不平衡輸出，具有“記憶”作用，因此，

保護可以反應(yīng)各種類型的故障。負序電流突變量形成電路可以保證各種原因使系統(tǒng)在動穩(wěn)定

遭到破壞而引起振蕩時，保護不起動。

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PCM

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