吳功立 張榕明 邱偉杰 鐘帥

摘要：結(jié)合當(dāng)前光纖復(fù)合架空地線（OPGW）的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究人員提出了瑞利散射輸電線路雷擊和閃絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，并利用相干光時(shí)域反射技術(shù)及時(shí)捕捉雷擊或者閃絡(luò)產(chǎn)生的相關(guān)電場(chǎng)或磁場(chǎng)燈信息，還能在相對(duì)應(yīng)的光纖位置設(shè)置光信號(hào)變化預(yù)警。通過對(duì)比研究光纖測(cè)量回路中偏振態(tài)光信號(hào)的返回延遲時(shí)間，從而找到相關(guān)的故障所在位置。把設(shè)置的雷擊檢測(cè)系統(tǒng)融入到監(jiān)測(cè)實(shí)際線路中，并把收集的信息與其他雷電定位監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行比較，從而進(jìn)一步提升瑞利散射背景下的光纖分布式雷擊和閃絡(luò)檢測(cè)模式的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：瑞利散射;輸電線路;雷擊;閃絡(luò)監(jiān)測(cè)

引言

在輸電線路的運(yùn)行過程中，影響其安全可靠性的主要因素之一是雷害問題，早在前幾年，我國(guó)相關(guān)電網(wǎng)線路跳閘原因的調(diào)查研究結(jié)果表明，雷擊導(dǎo)致輸電線路安全穩(wěn)定問題的占比大都超過60%。為此，我們?cè)O(shè)置了雷電定位系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的出現(xiàn)及運(yùn)用能夠有效降低雷害的負(fù)面影響，到目前為止，比較常見的雷電定位系統(tǒng)是廣域雷電地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)借助遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)雷擊時(shí)產(chǎn)生地電磁波，能夠在較短地時(shí)間內(nèi)找到雷電的位置、時(shí)間以及具體大小等，能夠在一定程度上降低雷擊事故的發(fā)生率。雷電定位屬于空間概念，能夠知道一定時(shí)間內(nèi)線路周圍落雷密度，但隨著對(duì)探測(cè)效率和精度要求的提高，也暴露出現(xiàn)有系統(tǒng)潛在的不足。廣域雷電地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中線路桿塔坐標(biāo)的完整性和準(zhǔn)確性、系統(tǒng)時(shí)鐘與繼電保護(hù)裝置時(shí)鐘的一致性、雷電流幅值測(cè)量誤差是當(dāng)前雷電定位系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在的主要問題。其中，線路桿塔坐標(biāo)位置的更新和修正是一項(xiàng)伴隨電網(wǎng)建設(shè)而長(zhǎng)期堅(jiān)持的基礎(chǔ)性工作;統(tǒng)一全網(wǎng)雷電探測(cè)站的時(shí)間，并減小與繼電保護(hù)裝置的時(shí)間誤差，是有效提升雷電定位系統(tǒng)應(yīng)用效果的前提;標(biāo)定、修正雷電幅值測(cè)量誤差也是一項(xiàng)需要持續(xù)積累的基礎(chǔ)性工作。分布式光纖傳感具有抗電磁干擾性能優(yōu)良、靈敏度高、監(jiān)測(cè)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，且輸電線路已采用光纖復(fù)合架空地線（OPGW）替代傳統(tǒng)的地線。OPGW內(nèi)置光纖同時(shí)兼具普通地線和通信光纜的功能，而光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)與光纖介質(zhì)發(fā)生相互作用，又會(huì)導(dǎo)致小部分光偏離原來的傳輸方向，可以考慮將這一特征應(yīng)用于監(jiān)測(cè)輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。

1關(guān)于光時(shí)域反射傳感技術(shù)的相關(guān)分析

通過調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，OPGW是一種包含光纖的架空地線，其自身功能也較為多元化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。其重要組成部分是光單元和絞線，光單元中的光纖起通信作用。通常情況下，基于瑞利散射光的相干光時(shí)域反射儀（COTDR）對(duì)散射光的功率敏感，因此主要用于光纖鏈路損耗特性的無損診斷。而基于布里淵散射光的布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）主要用于分布式測(cè)量光纜溫度和應(yīng)變。鑒于上述情況，有必要采用COTDR具有的高相干性窄線寬光源，且參考光對(duì)瑞利散射信號(hào)的相干探測(cè)接收優(yōu)勢(shì)，提高光時(shí)域反射的探測(cè)效果。COTDR利用相干探測(cè)原理將所探測(cè)的光信號(hào)集中至某一頻段，產(chǎn)生拍頻或相干疊加，并經(jīng)對(duì)信號(hào)的窄帶濾波后過濾噪聲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于OPGW的輸電線路分布式雷擊監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)的電氣量監(jiān)測(cè)定位方法不同，僅利用OPGW內(nèi)的光纖作為傳感元件，通過檢測(cè)光纖中傳輸光的偏振態(tài)變化定位雷擊或閃絡(luò)位置。

2針對(duì)雷擊故障定位技術(shù)的分析

2.1? OPGW背景下的雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

激光脈沖信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的OPGW光纖傳輸，在傳輸光與光纖介質(zhì)時(shí)，二者之間可能會(huì)出現(xiàn)相互作用，從而造成一些光偏離正常傳輸路徑的情況。輸電線路遭受雷擊時(shí)產(chǎn)生放電，干擾信號(hào)傳輸，并導(dǎo)致遭雷擊位置的部分光偏離傳輸方向。針對(duì)這一現(xiàn)象，并根據(jù)COTDR的工作原理，本文研制了基于OPGW的雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的脈沖激光器發(fā)出光信號(hào)，并在通過光隔離器后分成兩路信號(hào)。其中一路光信號(hào)首先經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成探測(cè)光脈沖并加載可達(dá)10MHz頻移信息的調(diào)制波，其次經(jīng)過光放大器放大，再次經(jīng)過偏振控制器擾亂不同時(shí)刻脈沖光的偏振態(tài)，以降低相干探測(cè)時(shí)的偏振噪聲，最后經(jīng)由環(huán)形器輸入OPGW的延時(shí)測(cè)試光纖中。另一路信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)相干探測(cè)的參考光信號(hào)。當(dāng)光信號(hào)在OPGW光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射信號(hào)后，會(huì)反射至環(huán)形器進(jìn)入另一只光隔離器，并與參考光混合。2路信號(hào)外差產(chǎn)生的中頻信號(hào)由平衡探測(cè)器接收，平衡探測(cè)器將光電轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行跨阻放大轉(zhuǎn)換、輸出中頻電壓信號(hào)，并依次傳輸至濾波器、低噪聲放大器和信號(hào)處理器。此時(shí)，由系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理單元解調(diào)中頻信號(hào)的功率，從而得到光纖反向散射曲線。

2.2? 針對(duì)反向散射曲線的故障定位分析

工作人員在使用光線測(cè)量?jī)x的過程中，入射光和OPGW光纖介質(zhì)中的微觀密度起伏從而導(dǎo)致瑞利散射，這種散射光的偏振方向幾乎與入射光沒有差別。同理，光信號(hào)在雷擊或閃絡(luò)故障時(shí)的位置受到影響，所產(chǎn)生的明顯反射信號(hào)疊加至后向散射信號(hào)上，致使光纖反向散射曲線也明顯突變;故通過分析曲線可以得出光纖入射端對(duì)后向瑞利散射光的偏振態(tài)、光信號(hào)延遲時(shí)間，進(jìn)而求解被測(cè)光纖故障或斷點(diǎn)與測(cè)試端的距離（故障位置）。

2.3? 波形分析

充分發(fā)揮OPGW的作用，并把相關(guān)的雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用到某條線路的監(jiān)測(cè)工作中，系統(tǒng)的運(yùn)行電源和通信鏈路都是來自變電站內(nèi)部的屏柜。當(dāng)輸電線路未受雷擊、閃絡(luò)等影響時(shí)，系統(tǒng)接收的信號(hào)平穩(wěn)。當(dāng)輸電線路走廊出現(xiàn)落雷時(shí)，系統(tǒng)探測(cè)信號(hào)峰值在時(shí)域波形、頻域波形上均呈現(xiàn)短時(shí)的明顯起伏。數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)所采集光信號(hào)的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，提取存在時(shí)延的后向瑞利散射光信號(hào)幅值尖峰，呈現(xiàn)反射光脈沖的偏振態(tài)隨距離的變化趨勢(shì)。

3結(jié)語

在瑞利散射背景下的OPGW雷擊和閃絡(luò)故障點(diǎn)定位方法得到了人們的重視和關(guān)注，這種方法與普通定位方法不同，主要時(shí)在變電站內(nèi)設(shè)置相關(guān)的OPGW雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，捕捉OPGW內(nèi)光信號(hào)在雷擊或閃絡(luò)故障附近位置所受的影響，分析光纖反向散射曲線和光信號(hào)時(shí)延，進(jìn)而定位雷擊和閃絡(luò)故障點(diǎn)。通過與現(xiàn)有雷電定位系統(tǒng)對(duì)比，驗(yàn)證了與本文所提方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，且有無維護(hù)線路桿塔坐標(biāo)和探測(cè)站對(duì)時(shí)等繁瑣工作的優(yōu)勢(shì)。該方法可用于快速定位輸電線路雷擊和閃絡(luò)故障點(diǎn)，并應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)開展輸電線路防雷改造。

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