光纤原理

光纤原理（精选8篇）

光纤原理 篇1

一、光纤通信的概念

光纤通信是指以光波为载波, 以光纤或者光缆为传输介质的通信方式。光纤通信的优点: (1) 频带宽、通信容量大; (2) 传输损耗低、中继距离长; (3) 光纤通信串话小, 保密性强, 使用安全; (4) 抗电磁干扰能力强; (5) 体积小、重量轻、便于敷设; (6) 材料资源丰富。

二、光纤的结构和分类

光纤由纤芯和包层两部分构成。纤芯是传输光信号的部分, 包层除对纤芯进行保护之外, 还将光信号封闭在纤芯中, 不让光信号泄露出去。

光纤的分类:按照纤芯的折射率的分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按照光纤中传输的模式数量, 可分为单模光纤和多模光纤。

三、光纤的传输特性

1、损耗

光在光纤中传输, 随着传输距离的增加, 光功率会越来越小, 这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗。另外, 耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等, 这些都是光纤传输损耗的因素。为了实现低损耗传输, 光纤有三个低损耗窗口:0.85um, 1.31um, 1.55um。况且随着波长的增加, 光纤的损耗会越来越小。

2、色散

光脉冲信号经光纤传输, 到达输出端会发生时间上的展宽, 这种现象称为色散。

(1) 产生原因:光脉冲信号的不同频率成分、不同模式, 在光纤中传输时途径不同, 速度不同, 到达终点所用时间不同, 即群时延差引入了色散。 (2) 导致问题:信号波形畸变, 表现为脉冲展宽, 产生码间干扰, 增加误码率。限制带宽, 影响通信容量和传输速率。 (3) 光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。 (4) 模式色散:不同模式的光传输途径不同, 速度不同所引起的色散。 (5) 材料色散:由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。 (6) 波导色散:光纤的几何结构不完善引起的色散。

四、光纤通信系统的构成框图

光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成, 见下图所示。

1、光发射机

光发射机是实现电/光转换的光端机。

发端:首先由电发射机发出电信号, 送给光发射机, 光发射机完成电/光转换。光发射机的关键部件是光源, 光源的主要功能是完成电/光的转换。目前光纤通信中常用的光源有:半导体激光二极管 (LD) 和半导体发光二级管 (LED) 。由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输。

2、光中继器

由于光纤存在损耗和色散, 光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真, 如果不及时进行修复, 很可能无法继续向前传输。有可能信号衰减掉了, 有可能严重变形, 总之, 必须马上进行修复。修复的办法就是:对衰减的信号进行放大, 对失真的波形进行修复, 把波形重新整形到发送端的状态。

光纤通信中光中继器的形式主要有两种, 一种是光-电-光转换形式的中继器, 另一种是在光信号上直接放大的光放大器。

光-电-光转换形式的中继器:光中继器需要先把光信号变成电信号, 对电信号再放大、再定时、再整形以后, 通过这三个过程, 得到接近于发射端的光信号的复制, 从而起到延长传输距离, 提高信号质量的效果。

光放大器:光放大器能直接放大光信号, 无需转换成电信号, 对信号的格式和速率具有高度的透明性, 使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。

3、光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。

收端:由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。光接收机的核心部件是光检测器, 光检测器的主要功能是完成光电转换。然后把电信号传给电接收机。

五、光纤通信的发展趋势

(1) 纳米技术与光纤通信。将微电子机械系统 (MEMS) 技术应用光通信领域, 开发光学器件, 实现全光通信。 (2) 光交换是实现高速全光网的关键。未来通信网络将是全光网络平台, 光纤传送的光信号直接进行交换。不需要将数据转换成电信号才能进行交换, 然后再转换成光信号进行传输。 (3) 无源光网络 (PON) 技术。无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术, 其在光分支点不需要节点设备, 只需安装一个简单的光光器即可, 因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。 (4) 光孤子通信系统。光纤损耗和色散是影响光纤传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高, 光纤损耗已接近理论极限, 因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”。由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用, 因此利用光孤子进行通信, 可以很好解决这个问题。

摘要：本文首先讲述了光纤通信的定义, 光纤通信的优点以及光纤的结构和分类;然后讲述了光纤的传输特性和光纤通信的工作原理;最后介绍了光纤通信的发展趋势。

关键词：光纤通信,传输损耗,色散,光发射机,光中继器,光接收机

光纤原理 篇2

随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，一旦发生事故便会对国民经济造成巨大损失。如何对正在运行的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度变化趋势分析?如何通过实时数据对设备质量、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析?这些都是电力系统中迫切需要解决的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻式测温系统等只能对电力系统的局部位置进行测温，无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现了运行设备的实时在线监测，有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸、火灾等事故应急不备的问题。在电力系统中，这种光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

分布式光纤测温的基本原理

1.分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

(一)光时域反射(OTDR)原理

当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生散射。在时域里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，其中v为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速，n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可求得距光源L处的距离。

(二)光纤的后向拉曼散射温度效应

当一个激光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反(亦可称为后向)，

这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。利用这个现象，若能测出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

如用公式来表达：当激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，会发生瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光，称为斯托克斯光;如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，在自发拉曼散射条件下，两束反射光的光强与温度有关，它们的比值R(T)为：

(1)其中，和分别是斯托克斯光强和反斯托克斯光强，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。从(1)式中可以看出，R(T)仅与温度T有关。因此，我们可以借助反斯托克斯与斯托克斯光强之比来实现温度的测量。

分布式光纤测温系统的传感过程

如图1所示，分布式光纤测温系统的传感过程为：计算机控制同步脉冲发生器产生具有一定重复频率的脉冲，这个脉冲一方面调制脉冲激光器，使之产生一系列大功率光脉冲，另一方面向高速数据采集卡提供同步脉冲，进入数据采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤，并在光纤中各点处产生后向散射光，返回到波分复用器中。后向散射光通过波分复用器中的薄膜干涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，经波分复用器的另外两个端口输出，并分别进入到光电检测器(APD)和放大器中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡能够采集的范围上。最后由数据采集卡进行存储和处理，用于温度的计算。

分布式光纤测温系统在电力系统中的应用

(一)电力电缆的温度监测

光纤原理 篇3

研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术。通过在电缆上施加高压脉冲，使得电缆上有故障的位置产生局部放电，从而产生振动信号。并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统。通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号，并对振动信号进行定位。将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布，并进行试验验证。实验结果表明，该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况，并对故障点进行准确定位。

关键词：

分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 故障定位

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.003

引言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蚀、老鼠破坏等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，应用科学手段实现对电力电缆的电缆的故障进行检测和定位、及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

本文研究基于分布式光纤振动传感原理为核心的智能监测技术，利用光纤传感技术对电网中的电力电缆线路的故障进行全方位实时智能监测和定位。该智能监测系统可实现对电力电缆线路的故障进行检测和定位，确保电网安全、高效运行；综合分析处理各传感器信息，并且在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

1分布式光纤振动传感技术原理

分布式光纤振动传感技术是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）^[14]光时域反射计的干涉机理测试外界绕那扰动，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光^[5]相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化时，通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应可定位振动信号的位置，并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。

分布式光纤振动传感系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量^[6]。其基本原理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，返回系统主机后，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，再经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并确认入侵地点。

2基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成

整体系统由高压电缆放电试验系统、分布式光纤振动传感系统及综合平台软件组成，系统结构如图2所示。

系统通过分布式光纤振动传感系统监测来自于高压电缆上方的振动信号，通过振动信号来分析判断故障点的位置。当高压电缆放电试验系统对高压电缆发出高压脉冲信号时，同时会向分布式光纤振动传感系统发出一个上升沿或下降沿信号，以作标记信号。分布式光纤振动传感系统根据高压电缆放电试验主机给的脉冲同步信号进行振动信号的采集，实时监测高压电缆的振动情况，并将监测到振动信号保存到数据库中。高压电缆放电试验系统放电结束后，由综合平台对分布式光纤振动传感系统采集到的振动信号进行分析，并结合高压电缆放电试验系统放电脉冲情况，综合分析对故障点进行定位，并在软件界面是显示整段监测光缆的波形图、故障点位置。系统数据库中保存测量的振动信号和放电信号的历史数据，并绘制成报表，由用户选择查看。

该系统以高压电缆故障时所产生的震动为监测对象，可实现以下功能：

（1）实时监测电缆走廊路面施工振动位置的振动量，并根据实时监测值显示报警状态。实时监测高压电缆故障点所产生的震动情况，可对故障点进行定位，定位误差不大于±25 m；

（2）检测到电缆故障时，在界面上显示告警提示；

（3）软件界面可显示电缆的震动波形图；

（4）能与高压电缆放电试验系统通讯，接收该系统发来的上升沿或下降沿信号；

（5）各监测值的历史数据记录展示。

3试验结果

为了验证系统是否能探测到电缆的故障信号并准确定位故障信号的位置，搭建了一个测试系统。测试验证系统选取110 kV电缆300 m，在电缆上100 m、200 m和300 m位置分别模拟放电信号。用该系统来探测电缆的放电信号及其位置。

4结论

研究的基于分布式光纤振动传感原理的电缆故障定位系统可准确探测电力电缆故障为，预防因电力电缆自身老化等原因而发生故障。制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路发生故障时自动实现预警，自动定位故障发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高对电网供电的可靠性。

参考文献：

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光纤传声器的原理及发展前景 篇4

1 光纤传声器的原理及类型

光纤声传感器的原理图如下:

图1我们给出了结构示意图。如图1所示, 从LED灯管发出的光线经由光耦合器耦合至多模光纤中, 再投射到位于探头部分的弹性膜片上, 经弹性膜片反射后的部分光线被重新耦合进入多模光纤, 再经过耦合器和接收光纤进行输出, 被PIN管接收, 外界产生的声压使弹性膜片受迫震动, 从而可以对反射回多模光纤中的光进行调制, 最后经过信号处理器进行信号处理过后的声音进入扬声器, 就可以实现对声源进行还原。

光纤传声器目前主要有三种调制模式:光强调制型、相位调制型以及偏振调制型。

1.1 偏振调制型

偏振调制型的光纤传声器是基于改变光在光路中的偏振状态, 并且使用偏振选择光来改变作用在光电二极管上的光强度来进行工作。由于所有的光电二极管都可以实现光强度响应, 则任何光调制过程都需要发生光强的变化, 并且在通过光电探测器后将光转换成电信号。

1.2 强度调制型

强度调制型光纤传声器是更为简单的一种类型, 其基本原理为:由光源发出光线, 通过光纤入射到金属涂层处理的膜片, 当声音作用于膜片时, 由于有声压的作用, 膜片与光纤之间原本的距离发生变化, 导致入射光被调制, 反射后, 再经由接收光纤传送到探测器上, 解调后就可以还原为声音信号。

1.3 相位调制型

相位调制型传声器是通过光干涉来调制光路中的光强度, 其优点是不易受光功率波动以及光纤的传输损耗变化等干扰的影响, 保真度较高, 更有利于实现对高精度声压的测量。

2 几种新型光纤传声器

2.1 基于 MEMS 技术的光纤传声器

该传声器基于微机械电子系统 (MEMS) 与光纤传感技术。与传统的机械传声器相比, MEMS光纤传声器具有很多特点。它具有高灵敏度, 探测端口电绝缘, 抗电磁干扰性能佳等诸多明显优势。

该传感器基于衍射光栅敏感结构的超声波传感器, 利用硅光栅敏感膜自身发生形变后产生的精位相调制实现对超声信号进行检测, 用MEMS工艺将工作点偏置到高灵敏度线性区域 , 其内部通过双光纤准直器实现了整体封装, 保证仪器有较高灵敏度的同时也可以很好的解决均匀硅膜的频率受限。通过理论分析之后对硅薄膜的尺寸进行优化处理, 调整了脊区厚度和周期结构参数。当谐振频率达到MHz级以上时, 硅光栅薄膜的灵敏度仍可保持。该产品具有微型化, 材料机械电气性能优良等特点。

2.2 反射式光纤声传感器

该传感器系统由光源、驱动电源、探头、光纤、光电检测电路、光探测器、耦合器等组成。

工作原理是:通过发射光纤将光源入射到振动薄膜上, 由声音信号驱动薄膜产生振动, 引起薄膜产生曲率、位移的变化。然后对反射回接收光纤的光强进行接收并调制, 通过光电检测电路、光电探测器处理得到反映声音特征的电信号。其过程可分为三个阶段。

声—机转换。由声音信号引起的薄膜振动并且产生了位移, 这个转换的关键在于把握薄膜的频率特性和灵敏度, 即薄膜位移量与固有频率之间的关系。

机—光转换。薄膜由于声音信号产生位移后导致发射光纤发射回接收光纤的光线将受到调制。这一转换过程的主要特性是确定光强调制函数, 即接收光强和薄膜与光纤端面距离的关系。

光—电转换。接收光纤接收的调制光经过光电探测器转换成为电流信号后, 再经过光电检测电路就可以转化成电压信号。这一转换过程的主要特性是确定光电转换系数即输出电压与接收光强的关系。

2.3 萨格奈特 (Sagnac) 干涉式光纤声传感器

该传感器利用萨格奈特干涉仪结构的原理, 进而来感知声音信号的。

由萨格奈特效应可知, 当干涉仪没有外力作用时, 在其中若有按顺、逆时针传播的两束光线, 其光程差为0。当在非中心点的光纤回路某个位置上受到声音的作用时, 就会导致顺、逆两束光到达声源扰动位置的时间不同, 形成相位差。

本干涉器就是基于该效应原理对声音进行声光转换, 并对声源扰动的位置进行确定。

3 发展前景

光纤传声器作为新一代声传感器, 其具有的小型化, 抗电磁干扰、使用寿命长、精度高等特点, 将会在未来的传感器发展研究领域占有重要的位置。尤其是随着光纤制造水平的提升, 各种新型高精度, 高强度的光纤的引进, 必将会为光纤传声器的发展增加技术支持与动力, 相信在未来, 改型传感器将会有更多学科交叉领域产品问世, 在更多领域为国民经济的发展发挥作用。

(上接第146页 ) [7]金泰义, 李胜利, 王延安, 等. GW-II型光纤测微仪的研制[J].光学精密工程, 1996, 4 (3) :100-105.

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参考文献

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光纤原理 篇5

关键词：光纤,电流差动保护,调试

1 光纤电流差动保护的原理

光纤电流差动保护原理是基于基尔霍夫电流第一定律, 利用光纤作为数据传输通道将所保护的输电线路一侧的电流值传送至另一侧, 然后保护装置通过计算线路两侧的电流值来判断是否发生了故障。可以说在理想状态下 (即不考虑输电线路的分布电容、电导以及并联电抗器等因素的影响) , 电流差动保护对任何线路故障的检测都有效。由于电流差动保护所需要传输的信息量很大, 包括了电流的幅值以及相位等信息, 因此其对数据传输通道的要求较高。而光纤具有抗电磁干扰性能良好以及数据传输量大等优点, 正好可以满足上述要求。图1是光纤电流差动保护原理图, 定义从母线流向本保护线路的方向为电流正方向, 则动作电流Id=|IM+IN|, 制动电流Ir=|IM-IN|。

比例制动特性方程为:

Id>Iqd (1)

Id>K×Ir (2)

式中, Iqd为差动继电器的启动电流;K为比率制动系数。

若动作电流同时满足上述方程, 则差动保护动作切除故障[1]。

图2是比率制动特性图, 若输电线路内部发生故障, 则Id很大, 而Ir却很小, 工作点处于动作区内, 保护动作;如果输电线路外部发生故障, 则流过该输电线路的Id很小, 而Ir却很大, 工作点处于非动作区, 保护不动作。

2 光纤电流差动保护的优点及存在的缺陷

2.1 光纤电流差动保护的优点

光纤电流差动保护具有以下优点:以基尔霍夫定律为基础, 原理简单且具备天然的选相功能;能够迅速对故障进行响应并将其快速切除;能够自动适应系统运行方式的变化, 不会受到振荡的影响;PT断线不会对其造成影响。此外, 光纤电流差动保护还不受功率逆向的影响, 适用于短线路和串补线路。

2.2 光纤电流差动保护存在的缺陷

光纤电流差动保护存在的缺陷主要有:其对于光纤传输通道有很强的依赖性, 不仅要求传输不能中断, 还要求很低的误码率;此外, 不同的光纤差动保护所需要的通道也不同, 只能和相同型号的光纤差动保护构成整套保护。

虽然光纤电流差动保护存在一定的缺陷, 但其所具有的种种优点使其在输电线路保护领域有着极为广泛的应用。

3 光纤电流差动保护对光纤通道的要求

光纤传输通道对于光纤电流差动保护极为重要, 电流信息的传输是完全依赖光纤通道来进行的, 因此光纤传输通道的安全性和可靠性就显得尤为重要。由于纵差保护一般都是用作高压输电线路的主保护, 而光纤传输通道在纤芯受潮或断芯等故障情况下会导致传输数据出现大量误码甚至传输中断, 为了保证高压输电线路和电网的安全稳定运行, 必须确保纵差保护不会因为光纤传输通道问题而退出运行。因此, 为纵差保护配置备用光纤通道是十分有必要的。在进行电力通信工程的设计时, 无论是采用复用光纤通道还是专用光纤通道, 都要考虑光纤通道的双重化配置, 所敷设的光缆要预留一定的备用纤芯。如果采用普通光缆则要求敷设2根光缆, 且2根光缆最好要分开2个管道敷设;而采用OPWG光缆, 由于其安全性较高, 所以可以只配置1根光缆, 但要增加备用纤芯, 以确保通道的冗余。在确定备用通道所需纤芯数时, 应按100%后备考虑, 即1根工作纤芯就要同时配置1根备用纤芯[2]。

4 光纤电流差动保护运行维护中的注意事项

对于采用复用PCM通道的光纤电流差动保护, 其与复用PCM之间并无直接联系。正常运行情况下, 可通过环路试验来检查保护装置与光电转换接口之间光纤连接的完好性;可通过光纤网管系统来对PCM设备进行实时检查。但是当光纤转换接口—数字配线架—复用PCM之间的连接出现问题而导致光纤通道告警或者保护退出运行时, 由于运行维护人员缺乏处理故障的经验和有效的检测手段, 往往难以及时发现问题, 使得电流差动保护无法恢复正常运行, 从而影响到电网的安全与稳定。而对于专用光纤通道, 其也会存在断芯、光纤受潮、熔纤工艺不良、接头松动或积灰导致损耗增大等问题, 这些都是运行维护过程中容易忽视的地方。例如, 在实际现场敷设光缆时, 需要经过光缆终端箱, 通过熔纤工序和尾纤熔接在一起, 再和光纤跳线与保护的光纤接口连接。但在实际操作过程中, 往往在熔纤后是将工作通道和备用通道的尾纤都捆放在一起, 需要哪个通道就将哪个通道的尾纤接至保护装置。这种做法容易导致尾纤折断, 并混淆通道, 在操作上也十分不方便, 需要予以纠正[3]。

5 光纤电流差动保护的现场调试

高压输电线路的光纤电流差动保护现场调试工作一直以来难度都比较大, 输电线路两端的距离使得两侧保护不能调用相位处于同一基准的试验电源, 所以难以定量模拟分析线路区内及区外故障。因此, 调试过程中一般都是定性做故障的跳闸试验, 由断路器的跳闸来判断保护是否正确动作[4]。

(1) 在图1的M侧光纤电流差动保护加入三相电流并让N侧保护接收, 如果接收所显示的三相电流有效值处于误差范围以内, 则停止继续加电流;然后再换由N侧加电流, 由M侧接收并查看电流有效值是否符合要求。 (2) 将图1中M侧的断路器合闸, 而N侧断路器则处于分闸位置, 然后往M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流信号, 使得其保护动作并造成M侧断路器跳闸;再把M侧和N侧的断路器都合上, 并往N侧PT的二次回路中加入正常电压, 往M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流, M侧保护装置应动作但断路器不跳闸;继续保持M侧及N侧断路器处于合闸状态, 然后在N侧将PT二次回路所加的电压去掉, 并向其发送PT断线信号, 同时在M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流, 使得保护动作且M侧和N侧的断路器都跳闸。上述调试步骤都完成后再换由N侧重复进行, 直到断路器动作都正确无误, 才结束对光纤电流差动保护的调试。

6 结语

作为在高压输电线路主保护中有着广泛应用的保护装置, 光纤电流差动保护以基尔霍夫电流定律为基础, 能够有效而可靠地对区内和区外故障进行判断, 快速响应并将故障切除。而在实际的运行维护与调试过程中, 继保人员除了要集中精力做好保护装置本身的运维及调试之外, 还要积极与通信系统专业进行沟通与对接, 充分认识到光纤传输通道的安全对保证光纤电流差动保护可靠运行的重要意义, 要重视光纤通道以及备用通道的日常检修工作, 以保证电网的安全稳定运行。

参考文献

[1]刘小利, 姚宗溥, 祝石厚.光纤电流差动保护在固原电网中的应用[J].继电器, 2007 (10) :68～71

[2]夏建矿.关于输电线路光纤电流差动保护的若干问题讨论[J].电力系统保护与控制, 2010 (5) :141～144

[3]陈昌黎, 杨斌.GPS技术在光纤差动保护调试中的应用[J].湖北电力, 2010 (6) :16～17

浅谈光纤传感器的技术原理与分类 篇6

随着科技的发展,各类新型传感器材料出现,其中最具代表性的就是光纤传感器,它因具备极强的抗磁性、高灵敏性、重量轻,并能适应各种环境等特点,在各个领域得到了广泛的应用,有着极大地发展潜力。当前已经成功诞生了有关温度、压力、位移和电流等多样的物理量光纤传感器。

1光纤传感器的分类

光纤就是通过光的全反射原理对光波进行指引的技术。在光纤传输光波的时候,有关光波的振幅、相位和波长等特性参量,会受被测温度、压力和电磁场等参量的影响。会对光波的强度、干涉效果、偏振产生变化,将光波变成可以受调制的信号光,再通过光探测器和解调器对被测参量进行测算获得参数。按照传感原理的不同,光纤传感器可以划分为两种:一种是功能型传感器:此类传感器的光纤在测量信号时会出现敏感和传输两种作用,让传感器具备了“传”、“感”合二为一的功能。另一种是非功能型传感器:此类传感器中的光纤只是单一的起着传输的作用,需要利用其他光学敏感元器件才能完成对测量工作。如果按照光纤调制的原理,光纤传感器则可以划分为光强、相位、偏振和波长等几种调制型传感形式。

2光纤传感器的应用原理

2.1光强调制型光纤传感器的应用原理

所谓的光强调制型就是光纤中的光强受被测参量的变化而变化的光纤传感器。导致光纤中光强产生变化的原因有:光纤的微弯状态发生变化,光纤吸收对光波的性能发生变化,光纤中的包层折射率发生变化。文章介绍三种引起光纤光强变化的原因所制成的光强调制型传感器的工作原理。

2.1.1光纤微弯状态变化

通过微弯效应制造的光纤位移传感器工作原理就是在多模光纤弯曲的状态下,其中的一部分芯模能量发生转变,转变成包层模式能量。然后再利用测算包层模式能量的变化情况来获得位移。比如:光纤报警器,就是利用光纤微弯状态原理进行工作。通过将弯曲状态的光纤嵌入地毯内,当地毯受到重物的挤压,弯曲状态变化剧烈,导致光纤中的光强发生变化,生成了报警信号。这类传感器的核心所在就是变形器的最佳结构,结构直接影响着传感器的工作效果。

2.1.2光波的吸收性能变化

通过x和γ射线可以增强光纤的吸收损耗,以此减少光纤的输出功率。光纤辐射传感器就是运用这一原理制造而成,主要应用于大范围的核电站监测工作中。光纤紫外传感器与之工作原理类似。光纤在紫外光的照射下会出现纤荧光,通过荧光强弱变化来完成对紫外光强的检测。此类传感器的核心材料就是特殊光纤。

2.1.3包层折射率变化

通过将光纤端面的角度改变为临界角,改变的端面可以完全反射光纤芯,再经过反射镜按照原路输送出去即完成一整套的工作流程。当温度和折射率等被测参量发生变化时,光纤包层的折射率也会随之变化,如果其中一个全反射条件受到影响,那么输出的光强也会随着降低,这就是通过改变包层的折射率进行光线反射的原理。利用这种原理可以制作液体浓度等类型的传感器。

2.2相位调制型光纤传感器的应用原理

相位传感器通过运用光纤的敏感元器件对被测参量发生的折射率、传感参数或者光强的变化从干涉仪调制中获得被测量的数据。利用此原理制作的光纤干涉仪能够对地震、水压、温度和电磁场进行检测,并进行数据分析。相位光纤传感器具有极高的敏感性,传感对象范围也非常广泛,但是需要应用特种光纤。目前常用的双折射率的单模光纤不能直接应用,为了增强光纤的增敏性和去敏性,需要对单模光纤进行特殊加工才能够满足不同物理量的敏感要求。

2.3偏振态调制型光纤传感器的应用原理

偏振态调制型光纤传感器的核心原理就是利用被测对象参数光波偏振变化来实现测量,其原理基础就是光纤的法拉第效应,在磁场中光波会发生偏振面旋转。这种类型的传感器主要应用于大电流的检测工作中,可以进行大面积测量,且高灵敏度和不需碰触高压线。但是此类传感器也有一定的不足,最突出的问题就是在温度和压力的作用下光纤会出现双折射带测量误差。

3结语

光纤传感器具有高灵敏性、抗磁性、电绝缘性、稳定性、安全性、低损耗、高传输性、形状灵活可变和多功能传感监控的优势,已经在各个行业中得到了普及。大力发展光纤传感器不仅是现代化的需要,也是提高测量工作效率和精确度的有效渠道。

参考文献

[1]毛江鸿,何勇,金伟良.基于分布式传感光纤的隧道二次衬砌全寿命应力监测方法[J].中国公路学报,2011(2).

[2]鲍翀,宋牟平,叶险峰.布里渊光时域分析传感器中光偏振控制技术的研究[J].传感技术学报,2010(2).

[3]刘德华,金伟良,张玉香.光纤传感器与结构基体的应变传递关系[J].浙江大学学报(工学版),2006(11).

光纤原理 篇7

输电线路运行中最常见和最危险的故障是各种类型的短路：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。发生短路故障会造成严重的后果，破坏电力系统稳定运行，因此必须对输电线路配置安全可靠的保护。

为了达到有选择性地快速地切除全线故障的目的，保护装置必须反应线路两侧的电气量，这样，才能区分本线路末端和对侧母线或相邻线路始端的故障。为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，也就是说在线路两端这间发生纵向的信息联系。这种保护称为输电线的纵联保护。

光纤通道是近年发展起来的新技术，光纤具有电不敏感性，抗干扰能力强，作为通信的介质具有独特的优势。光纤通信是目前通信技术发展的重要方向，也是电力系统专用通信网中一种先进实用的通信手段。随着电力光纤网络的逐步完善，光纤保护也将在继电保护领域中得到更为广泛的应用。

光纤通信广泛采用数字通信方式，当被保护线路很短时可以通过光缆直接将光信号送到对侧，在每端的保护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收之光信号变为电信号供保护使用。

1 线路电流差动保护原理

电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，它具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障。将电流差动保护的原理应用于输电线时需要解决将线路一侧的电流的波形完整地传送到线路对侧的问题，为此必须占用两个通道。

电流差动纵联保护的原理接线如图1所示：

全电流差动保护的判据为：

式中———线路两侧的电流，电流方向均为指向线路;

Id、Ires——差动电流和制动电流。

线路差动保护系统各侧各装有一个保护装置，各侧的保护装置分别检测当地电流，同时将本侧的电流通过光纤传送到其他侧以便与各侧电流进行比较。作差动判据计算时所用的数据必须是两侧在同一时刻的采样值，只有达到两侧同步采样后，上述的计算公式才能真正反映基尔霍夫定律。

2 光纤纵差保护的举例

以某500kV变电站220kV线路保护为例，该站220kV线路采用双保护，配置二套光纤分相电流差动保护，一套采用专用光纤通道，另一套采用复用光纤通道。光纤通信系统的基本组成如图2:

采用专用通道的光纤分相电流差动保护为点对点通道，分相电流差动保护分别输出光信号，通过光缆端子盒直接把光信号通过光纤传送至对侧，如图3所示：

采用复用通道的光纤电流分相差动保护分别输出光信号，然后经设在通信室内的光电转换接口设备转换为64kbit/s电信号，采用G.703同向数据接口复用PCM，与对侧保护交换信息。保护装置与光/电转换设备之间采用光缆连接，光/电转换装置的数字信号接口元件设置在通讯室一条线接口元件装设在一个柜上。如图4所示：

L90线路光纤电流差动原理剖析 篇8

利用光纤通道传送电流采样值的光纤电流差动保护在继电保护中占有重要的地位, 保护原理的先进性直接影响电力系统的安全, 在传统的比率差动方案中, 动作参数是基于保护区的电流向量和, 制动参数是基于保护区的电流标量和 (或平均标量) , 当动作参数除以制动参数大于斜率的整定值, 该继电器将动作。在外部故障时, 动作参数与制动参数相比, 相对较小, 增大误动的可能性。L90继电器使用一种先进的自适应制动特性完成双斜率差动功能的分相保护, 以取得高度的安全性, 为电力系统的安全运行提供可靠的保障。下面我们具体分析L90的电流差动原理如何实现的, 首先我们探讨小矢量算法。

1 小矢量算法

小矢量本身不同于矢量, 但可对任何时间窗口排列整数个小矢量加以组合而构成矢量, 每相每周波传输的矢量数为每周的采样数除以每个小失量的采样数。L90每周波采样数为64, 每个小矢量采样数为16, 这样可得到每周波4个小矢量。

小矢量是在计算采样值拟合成正弦函数的局部和, 小矢量使得采样窗口并不局限于0.5倍工频的整数倍而仍可保证矢量计算的有效性, 通过减小误差的平方和来确定电流采样数据的基频分量得到离散富氏变换的第一频率分量。当数据窗口为0.5工频的倍数时, 计算为数据采样值简单的正、余弦加权和。当数据窗不为0.5工频的倍数时, 由于对应该数据窗正、余弦函数不为正交关系, 有一个附加的校正过程。但计算可表示为2乘2阶正和余弦加权和的矩阵倍数。每端每相的小失量与平方和计算如下。实部:

虚部:

其中:K是当前的小矢量序数、N是每周波采样率、P是当前的采样序数。

小矢量与平方和的计算基本上是一个整合过程。将小矢量和通过乘以一预先计算好的矩阵将其转化为固定矢量。

2 保护原理分析

2.1 差动电流计算

L90能实现两端和三端线路差动保护, 正常时线路各端保护每相的电流矢量和为0。当有一相每端的电流矢量和根据统计分析落于该相动态椭圆制动边界外时 (见图1) , 检测出该相发生故障。用就地和远方的电流和计算差动电流, 按相计算, 实部计算如下:

虚部计算如下:

则差动电流平方公式如下:, 从公式可以看出, 差动电流的平方等于差动电流实部的平方与虚部平方的和。

2.2 制动电流计算

制动电流由两部分组成:传统意义上的 (常规的) 和自适应的。每只继电器计算传统的就地部分和用于就地及发送到远方用于差动计算制动电流, 如果多于1个CT被连接到继电器上 (如一个半断路器的应用) , 那么所有电流的最大值被选择处理作为传统制动特性的制动电流。

传统制动电流选择如下:

这个电流被处理成带有斜率 (S1和S2) 及断点 (BP) 整定形式, 对于就地电流的制动条件, 显示如下。针对于两端系统, 我们有:

在差动计算中, 最终与发送到远方同等的, 并且用于就地的制动电流显示如下:

在这里:MULTA是一个系数, 如果检测到CT饱和, 用于增加制动, ILOC_ADA_A是一个自适应的制动条件。制动电流的平方是就地和所有远方制动量的平方和:

s下列公式决定了每相故障的严重程度:

该等式根据适应原则, 而得到的一个椭圆型制动特性, 如图1。椭圆区域为制动区域。当制动电流中的自适应比较小时, 制动区域相应缩小。当制动电流的自适应部分增加时, 制动区增大以反映测量的不正确性。“自适应制动”指一个制动的系数, 类似于传统差动保护的斜率, 用于调节继电器的灵敏度。提高制动系数, 相当于过分要求一个大的可靠区间, 当降低制动倍率时, 等效于减少了可靠区间而增大了灵敏度。因此, 制动系数用于为达到所需灵敏度与安全性的平衡所提供的调节手段。当动作矢量在椭圆的边界上, 故障严重度估算是0, 在边界内部, 故障严重度是负的, 在边界外, 故障严重度是正的。在制动边界的外边, 故障严重度的估算的增长是随着故障电流的平方的增长而增长。制动区随测量误差的平方增加而增加。

差动元件的特性能显示在复平面上, L90的动作特性基本可以根据就地和远方电流的相对矢量比例显示在制动特性图1上.

2.3 CT饱和检测

L90采用一种专用的原理处理CT饱和, 该继电器在外部故障时动态的增加误差平方和部分在总制动量中的分量, 采用如下的逻辑:

·第一步, 线路各端的电流, 与一个门槛值3pu (额定电流) 进行比较, 来检测电流状态, 它可能是由故障引起的, 并可能导致CT饱和。

·第二步, 对于3pu水平的线路各端电流, 计算相互的相角差。如果所有三端都看到显著的电流, 那么所有三对 (1, 2) , (2, 3) , (1, 3) 都要考虑, 而且在进一步的计算中采用最大的相角差。

·第三步, 根据各端电流的相角差, 计算自适应制动电流的MULTA值, 图2所示, MULTA值按乘数1, 5或2.5的倍数增加。如从图中看到的, 对内部故障, 采用乘数1, 但对外部故障, 采用乘数2.5到5。这使继电器对内部故障是灵敏的, 而对可能有的CT饱和的外部故障, 继电器是不动作。

2.4 自适应制动电流的计算

L90自适应椭圆制动特性是确定矢量各种误差源累积效应的一个较好的近似。误差源包括系统噪音、暂态、线路充电、电流互感器增益、相位误差及饱和误差、时钟误差、及非同步采样。可控误差可通过测量误差在线估测系统降为0, 对不可控误差, 所有的继电器计算和总结每一相的每种误差源的平方和矩阵, 再将每一种误差源的平方和矩阵每一相相加, 得到总的平方和矩阵。首先从当前小矢量平方和信息计算采样数据误差的平方和:

然后基本量相同的小矢量算法计算如下:

最后, 对每一个就地电流, 就地自适应制动条件计算如下:

就地平方自适应制动的估算来自于所有的就地电源, 源 (1至2) 而且是可以按如下公式获得:

为就地时钟误差

3 结论

通过上面的分析我们可以看到L90采用了一种基于传统的比率差动原理的自适应差动原理, 该原理通过小矢量和平方和的算法实现。由于传统的方案不是自适应的, 元件的整定必须允许保护区外故障时, 预期的误差最大值。这时, CT的误差可能很大, 或CT可能经历饱和。L90差动方案与比率差动方案之间的主要区别是, 在输入电流中误差估算的使用, 以增加在故障时的制动参数, 并允许采用比在传统方案中更为灵敏的整定值。从而保证了L90的高可靠性、高灵敏性。

参考文献

[1]L90线路差动系统说明书.P/N:1601-0081-Z1 (GEK-119522) .