光纤传感技术的应用现状

2009.No3６４

摘要：介绍了提高光纤传输效率的两个途径，指出目前利用光纤通信来进行继电保护的三种方式：光纤纵联差动保护，分相允许式光纤纵联保护，过电压或失灵启动远跳。并简要介绍光纤测温技术的工作原理及其在变压器上的应用。

关键词：光纤维 继电保护 测温技术

由于光纤传感技术的传感与传输信号都是光学信号，而不是传统的电信号，因而具有许多独特的优点，对电绝缘，抗电磁干扰，适合高电压场所；精度高，能远距离传输信号；尺寸小、重量轻，有利于微型化；寿命长、长期可靠性好，适合大型工程长期安全监测等。因此，光纤传感技术得到了高度重视和快速发展，成为国家重大工程、重大装备、武器系统等国民经济诸多领域急需的关键技术之一。

一、提高光纤传输效率的两个途径

（一）４０Ｇｂｉｔ／ｓ　传输系统的发展、挑战与应用。准同步传输体系（ＰＤＨ）利用光纤的单一波长传输速率从８Ｍｂｉｔ／ｓ、４Ｍｂｉｔ／ｓ１４０ｂｉｔ／ｓ，同步传输体系（ＳＤＨ）利用光纤的单一波长传输速率从１５５Ｍｂｉｔ／ｓ、６２２Ｍｂｉｔ／ｓ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ　到１０Ｇｂｉｔ／ｓ。从实际应用来看，４０Ｇｂｉｔ／ｓ　传输系统必须采用外调制器，目前具备足够输出电压能够驱动外调制器的驱动集成电路还不成熟；沿用多年的ＮＲＺ调制方式能否有效、可靠地工作于４０Ｇｂｉｔ／ｓ　系统还不确定，可能需要转向性能更好的普通归零（ＲＺ）码乃至调制效率更高的其他调制方式。除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的关键因素。尽管目前我国干线网络的波道利用率已经超过７０％，但是光纤利用率不到３０％，ＳＤＨ　电路利用率不到５０％，因此只需在波分复用层面上扩容即可，光缆网的总体容量依然有余，并不需要立即全面升级到４０Ｇｂｉｔ／ｓ速率。另需认真考虑的因素是光缆的极化模色散特性。对于短距离传输，无须色散补偿、光放大器和外调制器，４０Ｇｂｉｔ／ｓ传输系统具有很低的单位比特成本，上述问题不是障碍。因此，４０Ｇｂｉｔ／ｓ传输系统完全可以由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连，乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。

（二）粗波分复用系统（ＣＷＤＭ）技术的发展与应用。随着技术和业务的发展，利用光纤的多个波长进行复用就是ＷＤＭ　技术。目前，１６０波系统已经成熟商用。它正从长途传输领域向城域网领域扩展，作为进一步提高光纤传输效率的另一个主要途径。尽管城域ＷＤＭ　系统的建设成本明显低于长途网ＷＤＭ　系统，但是目前的绝对成本仍然较高，特别是需要使用光纤放大器的长距离应用成本较高。此外，当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，ＷＤＭ　多业务平台主要适用于核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。为了进一步降低城域ＷＤＭ　多业务平台的成本，出现了ＣＷＤＭ　粗波分复用系统（Ｃｏａｒｓｅ　Ｗａｖｅ　Ｄｉ－ｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）。这种系统的典型波长组合有４、８和１６三种，波长通路间隔达２０ｎｍ，允许波长漂移±６．５ｎｍ，大大降低了对激光器的要求，成本也大为降低。此外，由于ＣＷＤＭ　系统对激光器的波长精度要求较低，无需制冷器和波长锁定器，不仅功耗低、尺寸小，而且封装可以采用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低，激光器模块的总成本可以减少２／３。从滤波器角度看，典型的１００ＧＨｚ　间隔的介质薄膜滤波器需要１５０层镀膜，而２０ｎｍ　间隔的ＣＷＤＭ　滤波器只需要５０层镀膜，其成品率和成本都可以获得有效改善。

二、光纤通信在继电保护中的应用

继电保护装置信号的物理传输通道有光纤、微波、电力线载

波等，微波和电力线载波易受气候变化影响，传输质量较差，而光纤通道不怕超高压与电磁干扰，传输容量大，绝缘性能好，衰耗低，可靠性高，在继电保护领域中得到了日益广泛的应用。

（一）光纤通信来进行继电保护。当被保护的线路长度较长时，为了补偿光功率损耗，把ＲＣＳ－９３１系列光纤纵差保护装置的光信号传入ＭＵＸ－２Ｍ继电保护信号数字复接接口装置，再转化为电信号通过７５Ω的同轴电缆连接通讯ＳＤＨ设备的２０４８ｋ　ｂｉｔ／　ｓ口传到对侧，如图１中的（　ｂ）。ＳＤＨ环网采用的是１５５Ｍ以上速率的传输设备，传输容量大，具有强大的保护恢复能力。当被保护线路发生故障时，装置根据对两侧电流的幅值和相位比较启动光纤纵

联差动保护动作使两侧跳闸，所有装置都处理后动作

时间一般在３０ｍｓ以内，能够快速切除故障，有效保护线路全长。

假设线路发生Ａ相区内故障时，本侧ＲＣＳ－９０２Ｃ系列分相允许式纵联保护装置发出“Ａ相允许跳闸”电信号开入到ＦＯＸ－４１Ａ型继电保护光纤通信接口装置，　ＦＯＸ－４１Ａ内部把此电信号转为光信号传输到对侧的ＦＯＸ－４１Ａ，本侧与对侧之间光纤传输根据线路长度不同有两种传输方式。

对侧的ＦＯＸ－４１Ａ光电转换后再把“Ａ相允许跳闸”电信号开入到对侧的ＲＣＳ－９０２Ｃ，对侧的ＲＣＳ－９０２Ｃ保护装置已判断是Ａ相区内故障并收到对侧“Ａ相允许跳闸”信号则保护动作跳对侧Ａ相断路器。同理，对侧发允许跳闸信号到本侧过程也是一样，Ｂ或Ｃ相故障也与Ａ相故障分析过程一样。所有装置都处理后保护动作时间一般在３０ｍｓ左右，快速有效，如图２所示。

当被保护线路本侧过电压保护跳闸并启动对侧断路器跳闸时，可以把远跳信号通过ＦＯＸ－４１Ａ传输到对侧；当被保护线路本侧保护跳闸但是断路器失灵没有跳开时，为了避免故障发展扩大，也可以把失灵信号通过ＦＯＸ－　４１Ａ传输到对侧启动对侧断路器跳闸，如图３所示。

（二）工程中实际应用问题。１、通道故障检测。光纤纵差保护安全可靠，在使用和运行当中主要是光纤通道的维护。如果光纤通道告警，可以进行逐段自检来确认装置和通道是否正常，另外需仔细观察与光电通道相关的告警指示灯和装置控制字，还可以用光功率计测试光收发功率与光衰耗。部分厂家提供的ＳＤＨ设备也可以实现实时的光功率在线检测，为网络的维护提供了极大的便利性。２、光纤纵差保护旁路切换。目前通信速率一般是２０４８ｋｂｉｔ／ｓ，也有少部分是６４ｋｂｉｔ／ｓ，这给光纤纵差保护的旁路代线路切换运行来了一定问题，根据现在通信的发展情况，通信速率可以都统一到２０４８ｋｂｉｔ／ｓ。与电力线载波高频保护的旁路代线路切换运行需要切换高频载波电缆通道一样，光纤纵差保护的旁路代线路切换运行需要切换光纤通道。

三、光纤测温技术在变压器上的应用

使用光纤探头测量绕组温度时，　将其嵌入垫块或直接附在需要温度监测的导线上，这种使用方式，　首先必须拆开局部导线绝缘，　并在安装光纤测温探头后再恢复导线绝缘。更普遍的方法是

光纤传感技术的应

用现状

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刘云圣