基于OPGW光偏振態(tài)的雷擊定位原理與方法研究

鄧惠華，張瑞琪，陳俊武，張惠榮，郭 琳

（1．廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東惠州516199；2．華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074）

0 引言

我國幅員遼闊，部分地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜，雷擊事故頻發(fā)，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大壓力。根據(jù)相關(guān)運行統(tǒng)計，在我國由于雷擊造成的高壓輸電線路跳閘事故占到了所有跳閘事故的40%～70%[1-3]。及時、準(zhǔn)確的獲取輸電線路上的雷擊點位置，對于保證電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。目前，輸電線路上的雷擊故障定位主要采用的有綜合雷電故障定位法和行波故障定位法[1，4]。綜合雷電故障定位法是在傳統(tǒng)定向定位和時差定位的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但是只有在發(fā)生跳閘故障時，才能結(jié)合雷電定位系統(tǒng)實現(xiàn)雷擊故障的定位，且無法識別故障性質(zhì)[4]。行波故障定位法通過對雷擊后電流波信號的測量，根據(jù)信號傳遞時間和電流波特征實現(xiàn)雷擊定位與故障識別[5-7]。但是電流波的傳播受線路參數(shù)、運行方式的影響很大，給雷擊定位造成較大誤差。

光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是一種新型的輸電線路架空地線，既可以起著避雷線的作用，又可以通過內(nèi)部的光纖實現(xiàn)通信功能，無需另外架設(shè)通信裝置[8-9]。此外，OPGW特有的光偏振態(tài)也使其通信與傳感功能得到增強。隨著OPGW在線路上的廣泛應(yīng)用，雷擊OPGW造成的斷股案例越來越多。據(jù)統(tǒng)計，日本在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)過10次雷擊斷股事故，每100公里的損壞率達(dá)0.08例/年[10]，我國各地也多次出現(xiàn)了雷擊導(dǎo)致的OPGW損壞的案例[11]。而OPGW的光傳感功能使得借助于OPGW實現(xiàn)輸電線路上的雷擊定位成為了一種可能。光信號在光纖中的傳播受外界干擾較小，波速較為穩(wěn)定，同時由于OPGW逐塔接地，雷電流不會大幅值的跨檔距傳播，從而保證了OPGW雷擊定位的準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)外針對OPGW光偏振態(tài)的雷擊定位原理與可行性做了大量研究，但是沒有對OPGW上的光偏振態(tài)變化機理進(jìn)行深入論證，使得基于OPGW的輸電線路雷擊單位缺乏一定的理論基礎(chǔ)。筆者基于OPGW上的法拉第效應(yīng)，對OPGW等效電路進(jìn)行計算分析，并通過雷擊模擬實驗來探究驗證光偏振態(tài)發(fā)生變化的原因，以及此方法實現(xiàn)雷擊單位的可行性。

1 OPGW雷擊定位原理

1.1 雷擊定位原理

OPGW是一種集光纖通信功能和輸電線路避雷線功能為一體的復(fù)合架空地線[12]，主要由光單元和地線單元組成。光單元是OPGW的通信通路，包括光纖芯和保護(hù)管；地線單元是OPGW的外絞合導(dǎo)體，承擔(dān)架空地線的功能，同時也對OPGW內(nèi)部的光纖進(jìn)行保護(hù)[13]。

圖1 OPGW外觀及結(jié)構(gòu)Fig.1 Appearance and structure of OPGW

光矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做光的偏振。當(dāng)一束線偏振光穿過某一介質(zhì)時，如果在介質(zhì)中沿光的傳播方法施加一磁場，就會觀察到偏振光經(jīng)過介質(zhì)后偏振面轉(zhuǎn)過一個角度，即偏振態(tài)（state of polarization，SOP）發(fā)生變化，此現(xiàn)象即為法拉第效應(yīng)，可以用公式表示為

式中：θ為偏振光的偏轉(zhuǎn)角度，其變化方向與介質(zhì)和磁場方向有關(guān)；V為費爾德常數(shù)，與光纖性質(zhì)及光波長、溫度等有關(guān)；B為平行于光傳播方向的磁感應(yīng)強度；l為偏振光在磁場中的穿越長度。如圖2所示。

圖2 法拉第效應(yīng)示意圖Fig.2 Schematic of Faraday effect

由于OPGW外部的絞合結(jié)構(gòu)，雷擊OPGW時，雷電流將分為兩部分[14]，一部分為沿著OPGW的螺旋結(jié)構(gòu)流過的螺旋分量，一部分為從OPGW表面直接流過的直通分量。當(dāng)雷電流沿螺旋方向流過OP?GW時，將在其內(nèi)部產(chǎn)生平行于OPGW軸線的磁場[15-16]。根據(jù)法拉第效應(yīng)，光偏振態(tài)將會發(fā)生變化。由于磁場與電場具有同步性，即雷電流作用于OP?GW的同時，其內(nèi)部即可產(chǎn)生軸向磁場，使得光偏振態(tài)的變化也具有瞬時性。因此，可以通過檢測光的偏振態(tài)變化來確定雷電流作用。

1.2 OPGW等效電路

根據(jù)雷擊時OPGW上的雷電流分布特點，可以將OPGW等效為電阻與電感的并聯(lián)模型，流過電感的電流表示雷電流中的螺旋分量，流過電阻的電流表示雷電流中的直通分量，如圖3所示。

圖3 OPGW的等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of OPGW

假設(shè)OPGW上施加的雷電流為I（t），其波頭時間為TU，波尾時間為TD。由于L、R都足夠小，I（t）可被視為一個電流源：

對上式進(jìn)行拉氏變換可得：

通過對OPGW等效電路的計算，可以得到螺旋電流分量為

由式（5）可知，螺旋電流分量由OPGW的等效時間常數(shù)τ和雷電流的波頭時間TU、波尾時間TD共同決定，即在雷電流波形一定的情況下，螺旋電流的波形受OPGW電感結(jié)構(gòu)的時間常數(shù)τ決定，而τ與OPGW的自身參數(shù)有關(guān)。

以某廠家生產(chǎn)的某種型號不銹鋼管層絞式結(jié)構(gòu)的OPGW為例。取一段長度為Z的OPGW，其橫截面與縱截面如圖4所示。r0為OPGW的外半徑，ri為OPGW的內(nèi)半徑，鋼線的直徑為Zs，鋁層的厚度為Za，鋼線和鋁層的磁導(dǎo)率分別為μs、μ0，OPGW 繞絞的節(jié)距為d。

圖4 OPGW的橫截面與縱截面Fig.4 The cross section and longitudinal section of OPGW

根據(jù)螺旋線圈的電感計算公式，OPGW的螺旋結(jié)構(gòu)的等效電感可以表示為

式中，μz是OPGW整體磁導(dǎo)率的平均值。

由于μs＞＞μ0（μ0=4π×10-7），可得鋼線與鋁層構(gòu)成的導(dǎo)線部分的平均磁導(dǎo)率μc為

因此，OPGW的平均磁導(dǎo)率μz為導(dǎo)線部分的磁導(dǎo)率μc（ri＜r＜r0）與線內(nèi)部分的磁導(dǎo)率μ0（r＜ri）的平均值，即

其中，r0=5.7 mm，ri=2.5 mm，Zs=1.34 mm，Za=0.26 mm，帶入式1-7可得μz≈5μ0。

鋁的電阻率為ρ=2.83×10-8Ω/m，假定電流的角頻率為ω，根據(jù)趨膚效應(yīng)，電流的趨膚深度為那么OPGW的等效電阻R為

因此，OPGW的時間常數(shù)τ為

電流的等效角頻率近似為

帶入式（1）至（10）得

取r0=0.0057 m，d=0.165 m，可得OPGW等效結(jié)構(gòu)的時間常數(shù)τ為6.4μs。

當(dāng)選用時間常數(shù)τ=6.4μs的OPGW時，施加不同波頭時間TU的雷電流（雷電流的波尾時間TD=50 μs），對應(yīng)的理論螺旋電流分量IL（t）如圖5所示。

圖5 不同雷電流波頭時間對應(yīng)的螺旋電流Fig.5 The screw current corresponding to different lightning current front time

由圖5可以看出，隨著雷電流的波頭時間的增大，OPGW上螺旋電流的上升時間也在增大。由于光偏振態(tài)的變化受螺旋電流的影響，因此初步推斷偏振態(tài)的變化時間也受雷電流波頭時間的影響。

2 OPGW雷擊模擬試驗

2.1 SOP變化機理驗證試驗

2.1.1 直擊雷模擬實驗

根據(jù)OPGW等效電路的計算分析，OPGW上光偏振態(tài)的變化受雷電流的波頭時間影響。筆者設(shè)計了OPGW雷擊模擬實驗，通過施加不同形式的雷電流并檢測光偏振態(tài)波形，來驗證此規(guī)律。

OPGW雷模擬試驗如圖6所示。實驗采用雙端行波法，光學(xué)設(shè)備A連接于OPGW內(nèi)的一根光纖，此根光纖的另一端經(jīng)延時光纖連接至光學(xué)設(shè)備B。光學(xué)設(shè)備A和B產(chǎn)生連續(xù)的偏振光，并將檢測到的光偏振態(tài)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。延時光纖的長度為49.797 km，折射率約為1.467，光信號的傳播速度為2.045×108m/s。兩端光學(xué)主機采用時鐘同步技術(shù)可將同步誤差控制在100 ns以內(nèi)，滿足精度要求。

圖6 雷擊模擬試驗接線圖Fig.6 Wiring diagram of lightning simulation test

OPGW的接入長度都為8 m。模擬雷電流由沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生，幅值為8 kA。改變雷電流的波頭時間依次為 1、2.6、5、10 ms（波尾時間固定為50 ms），通過光學(xué)主機記錄兩端檢測的光偏振態(tài)信號，并計算不同雷電流時偏振態(tài)變化波形的上升時間，結(jié)果如圖7所示。

圖7 光偏振態(tài)變化上升時間理論值與實際值Fig.7 The theoretical value and actual value of the rise time of the change of light polarization state

由圖7可以看出，隨著雷電流波頭時間的增加，光偏振態(tài)變化的上升時間也在增加，且與理論計算值相差不大。因此在OPGW型號一定的情況下，光偏振態(tài)變化的波頭時間主要由雷電流的波頭時間決定。

2.1.2 感應(yīng)雷模擬實驗

感應(yīng)雷雖然不會在OPGW上產(chǎn)生較大的雷電流，但是感應(yīng)雷產(chǎn)生的空間磁場也會作用于OPGW上，并可能對光偏振態(tài)的變化產(chǎn)生影響。為了探究感應(yīng)雷對OPGW上光偏振態(tài)的影響，本文設(shè)計了感應(yīng)雷模擬試驗，研究感應(yīng)雷產(chǎn)生的空間磁場下OP?GW光偏振態(tài)的變化規(guī)律。

將18 m的光纖纏繞于沖擊電流發(fā)生器的絕緣支柱上，光纖兩端分別連接光學(xué)主機A、B，如圖8所示。光纖與球隙的間距為24 cm，施加的沖擊電流幅值為8 kA。通過沖擊電流發(fā)生器放電球隙的電弧電流產(chǎn)生的空間電磁場來模擬感應(yīng)雷的發(fā)生。光學(xué)主機檢測到的波形如圖9所示。

根據(jù)圖9計算，感應(yīng)雷模擬試驗得到的SOP波形的波頭時間約為3 ms，接近沖擊電流的波頭時間2.6 ms；而圖6雷擊OPGW試驗時所得SOP波形的波頭時間約為15 ms，明顯大于沖擊電流的波頭時間?；诖顺醪椒治龅贸觯袘?yīng)雷導(dǎo)致的SOP變化波頭時間取決于雷電流波頭時間，而直擊雷產(chǎn)生的SOP變化波頭時間由雷電流波形和OPGW的電感結(jié)構(gòu)時間常數(shù)共同決定?？紤]到自然界中雷電流的波頭時間大都在1～5 ms，故可以通過SOP的波形分辨出感應(yīng)雷和直擊雷。此外，感應(yīng)雷下SOP波形的幅值要遠(yuǎn)小于直擊雷下的SOP波形幅值。

圖8 感應(yīng)雷模擬實驗Fig.8 Simulation test of induction lightning

圖9 感應(yīng)雷試驗SOP波形Fig.9 SOP Waveform of induction lightning test

2.2 雷擊定位模擬實驗

OPGW的接入長度L1為6 m，雷電流的幅值為6 kA，進(jìn)行雷擊OPGW模擬實驗，并記錄相應(yīng)的SOP波形。根據(jù)A、B端時間差，計算出雷擊點A與B端光學(xué)主機的距離，即延時光纖的長度，如圖10所示。

圖10 沖擊電流幅值6 kAFig.10 Amplitude of Impact Current is 6 kA

SOP波形的正負(fù)與初始光偏振態(tài)的初始相位有關(guān)，與傳播方向無關(guān)。改變OPGW的接入長度L1，重復(fù)以上步驟。與沖擊電流發(fā)生器的固定電阻相比，OPGW的電阻很小，故接入長度的改變對回路電阻的影響可以忽略不計，可近似認(rèn)為不同接入長度下的沖擊電流波形一致。計算結(jié)果如表2所示。

表2 雷擊OPGW模擬實驗計算結(jié)果Table 2 Calculation results of lightning OPGW simulation test

由表2可以看出，模擬試驗的雷擊定位最大的誤差為166 m，顯然滿足工程實際需求。說明基于OPGW的雷擊定位方法具有較小誤差和較高的精度。

3 結(jié)論

1）根據(jù)對OPGW等效電路的計算，OPGW上螺旋電流主要由其時間常數(shù)和雷電流波形決定。

2）雷擊模擬實驗表明，在OPGW型號一定時，光偏振態(tài)變化的上升時間主要由雷電流的波頭時間決定；感應(yīng)雷下光偏振態(tài)的變化時間約等于雷電力的波頭時間。

3）通過OPGW雷擊定位模擬實驗，基于OPGW光偏振態(tài)的雷擊定位方法誤差小、精度高，滿足工程實際需求。

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