研析瑞利散射背景下的光纤分布式雷击和闪络检测模式

吴功立 张榕明 邱伟杰 钟帅

摘要：结合当前光纤复合架空地线（OPGW）的自身结构特点，研究人员提出了瑞利散射输电线路雷击和闪络监测方法，并利用相干光时域反射技术及时捕捉雷击或者闪络产生的相关电场或磁场灯信息，还能在相对应的光纤位置设置光信号变化预警。通过对比研究光纤测量回路中偏振态光信号的返回延迟时间，从而找到相关的故障所在位置。把设置的雷击检测系统融入到监测实际线路中，并把收集的信息与其他雷电定位监测信息进行比较，从而进一步提升瑞利散射背景下的光纤分布式雷击和闪络检测模式的安全可靠性。

关键词：瑞利散射;输电线路;雷击;闪络监测

引言

在输电线路的运行过程中，影响其安全可靠性的主要因素之一是雷害问题，早在前几年，我国相关电网线路跳闸原因的调查研究结果表明，雷击导致输电线路安全稳定问题的占比大都超过60%。为此，我们设置了雷电定位系统，这一系统的出现及运用能够有效降低雷害的负面影响，到目前为止，比较常见的雷电定位系统是广域雷电地闪监测系统，系统借助远程监测雷击时产生地电磁波，能够在较短地时间内找到雷电的位置、时间以及具体大小等，能够在一定程度上降低雷击事故的发生率。雷电定位属于空间概念，能够知道一定时间内线路周围落雷密度，但随着对探测效率和精度要求的提高，也暴露出現有系统潜在的不足。广域雷电地闪监测系统中线路杆塔坐标的完整性和准确性、系统时钟与继电保护装置时钟的一致性、雷电流幅值测量误差是当前雷电定位系统应用过程中存在的主要问题。其中，线路杆塔坐标位置的更新和修正是一项伴随电网建设而长期坚持的基础性工作;统一全网雷电探测站的时间，并减小与继电保护装置的时间误差，是有效提升雷电定位系统应用效果的前提;标定、修正雷电幅值测量误差也是一项需要持续积累的基础性工作。分布式光纤传感具有抗电磁干扰性能优良、灵敏度高、监测范围广等诸多优点，且输电线路已采用光纤复合架空地线（OPGW）替代传统的地线。OPGW内置光纤同时兼具普通地线和通信光缆的功能，而光在光纤中传输时会与光纤介质发生相互作用，又会导致小部分光偏离原来的传输方向，可以考虑将这一特征应用于监测输电线路的运行状态。

1关于光时域反射传感技术的相关分析

通过调查不难发现，OPGW是一种包含光纤的架空地线，其自身功能也较为多元化，内部结构也较为复杂。其重要组成部分是光单元和绞线，光单元中的光纤起通信作用。通常情况下，基于瑞利散射光的相干光时域反射仪（COTDR）对散射光的功率敏感，因此主要用于光纤链路损耗特性的无损诊断。而基于布里渊散射光的布里渊光时域反射仪（BOTDR）主要用于分布式测量光缆温度和应变。鉴于上述情况，有必要采用COTDR具有的高相干性窄线宽光源，且参考光对瑞利散射信号的相干探测接收优势，提高光时域反射的探测效果。COTDR利用相干探测原理将所探测的光信号集中至某一频段，产生拍频或相干叠加，并经对信号的窄带滤波后过滤噪声，进而实现基于OPGW的输电线路分布式雷击监测。该监测方法与传统的电气量监测定位方法不同，仅利用OPGW内的光纤作为传感元件，通过检测光纤中传输光的偏振态变化定位雷击或闪络位置。

2针对雷击故障定位技术的分析

2.1  OPGW背景下的雷击监测系统

激光脉冲信号能够实现长距离的OPGW光纤传输，在传输光与光纤介质时，二者之间可能会出现相互作用，从而造成一些光偏离正常传输路径的情况。输电线路遭受雷击时产生放电，干扰信号传输，并导致遭雷击位置的部分光偏离传输方向。针对这一现象，并根据COTDR的工作原理，本文研制了基于OPGW的雷击监测系统。雷击监测系统的脉冲激光器发出光信号，并在通过光隔离器后分成两路信号。其中一路光信号首先经声光调制器调制成探测光脉冲并加载可达10MHz频移信息的调制波，其次经过光放大器放大，再次经过偏振控制器扰乱不同时刻脉冲光的偏振态，以降低相干探测时的偏振噪声，最后经由环形器输入OPGW的延时测试光纤中。另一路信号用于实现相干探测的参考光信号。当光信号在OPGW光纤中产生背向瑞利散射信号后，会反射至环形器进入另一只光隔离器，并与参考光混合。2路信号外差产生的中频信号由平衡探测器接收，平衡探测器将光电转换结果进行跨阻放大转换、输出中频电压信号，并依次传输至滤波器、低噪声放大器和信号处理器。此时，由系统数字信号处理单元解调中频信号的功率，从而得到光纤反向散射曲线。

2.2  针对反向散射曲线的故障定位分析

工作人员在使用光线测量仪的过程中，入射光和OPGW光纤介质中的微观密度起伏从而导致瑞利散射，这种散射光的偏振方向几乎与入射光没有差别。同理，光信号在雷击或闪络故障时的位置受到影响，所产生的明显反射信号叠加至后向散射信号上，致使光纤反向散射曲线也明显突变;故通过分析曲线可以得出光纤入射端对后向瑞利散射光的偏振态、光信号延迟时间，进而求解被测光纤故障或断点与测试端的距离（故障位置）。

2.3  波形分析

充分发挥OPGW的作用，并把相关的雷击监测系统运用到某条线路的监测工作中，系统的运行电源和通信链路都是来自变电站内部的屏柜。当输电线路未受雷击、闪络等影响时，系统接收的信号平稳。当输电线路走廊出现落雷时，系统探测信号峰值在时域波形、频域波形上均呈现短时的明显起伏。数字信号处理单元对所采集光信号的偏振态进行调制，提取存在时延的后向瑞利散射光信号幅值尖峰，呈现反射光脉冲的偏振态随距离的变化趋势。

3结语

在瑞利散射背景下的OPGW雷击和闪络故障点定位方法得到了人们的重视和关注，这种方法与普通定位方法不同，主要时在变电站内设置相关的OPGW雷击监测系统，捕捉OPGW内光信号在雷击或闪络故障附近位置所受的影响，分析光纤反向散射曲线和光信号时延，进而定位雷击和闪络故障点。通过与现有雷电定位系统对比，验证了与本文所提方法的监测结果基本一致，且有无维护线路杆塔坐标和探测站对时等繁琐工作的优势。该方法可用于快速定位输电线路雷击和闪络故障点，并应用监测数据指导开展输电线路防雷改造。

参考文献：

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[2]   徐拥军，周建华，赵厚鹏，等.特高强度光纤复合架空地线的研制与应用[J].电力信息与通信技术，2016，14（11）：62-67.