研析瑞利散射背景下的光纖分布式雷擊和閃絡(luò)檢測模式

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，研究人員提出了瑞利散射輸電線路雷擊和閃絡(luò)監(jiān)測方法，并利用相干光時域反射技術(shù)及時捕捉雷擊或者閃絡(luò)產(chǎn)生的相關(guān)電場或磁場燈信息，還能在相對應(yīng)的光纖位置設(shè)置光信號變化預(yù)警。通過對比研究光纖測量回路中偏振態(tài)光信號的返回延遲時間，從而找到相關(guān)的故障所在位置。把設(shè)置的雷擊檢測系統(tǒng)融入到監(jiān)測實際線路中，并把收集的信息與其他雷電定位監(jiān)測信息進(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

引言

在輸電線路的運行過程中，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，我們設(shè)置了雷電定位系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的出現(xiàn)及運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)測系統(tǒng)，系統(tǒng)借助遠(yuǎn)程監(jiān)測雷擊時產(chǎn)生地電磁波，能夠在較短地時間內(nèi)找到雷電的位置、時間以及具體大小等，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，能夠知道一定時間內(nèi)線路周圍落雷密度，但隨著對探測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)測系統(tǒng)中線路桿塔坐標(biāo)的完整性和準(zhǔn)確性、系統(tǒng)時鐘與繼電保護(hù)裝置時鐘的一致性、雷電流幅值測量誤差是當(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伴隨電網(wǎng)建設(shè)而長期堅持的基礎(chǔ)性工作;統(tǒng)一全網(wǎng)雷電探測站的時間，并減小與繼電保護(hù)裝置的時間誤差，是有效提升雷電定位系統(tǒng)應(yīng)用效果的前提;標(biāo)定、修正雷電幅值測量誤差也是一項需要持續(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)測范圍廣等諸多優(yōu)點，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)置光纖同時兼具普通地線和通信光纜的功能，而光在光纖中傳輸時會與光纖介質(zhì)發(fā)生相互作用，又會導(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)測輸電線路的運行狀態(tài)。

1關(guān)于光時域反射傳感技術(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域反射儀（COTDR）對散射光的功率敏感，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域反射儀（BOTDR）主要用于分布式測量光纜溫度和應(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，且參考光對瑞利散射信號的相干探測接收優(yōu)勢，提高光時域反射的探測效果。COTDR利用相干探測原理將所探測的光信號集中至某一頻段，產(chǎn)生拍頻或相干疊加，并經(jīng)對信號的窄帶濾波后過濾噪聲，進(jìn)而實現(xiàn)基于OPGW的輸電線路分布式雷擊監(jiān)測。該監(jiān)測方法與傳統(tǒng)的電氣量監(jiān)測定位方法不同，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針對雷擊故障定位技術(shù)的分析

2.1? OPGW背景下的雷擊監(jiān)測系統(tǒng)

激光脈沖信號能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的OPGW光纖傳輸，在傳輸光與光纖介質(zhì)時，二者之間可能會出現(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產(chǎn)生放電，干擾信號傳輸，并導(dǎo)致遭雷擊位置的部分光偏離傳輸方向。針對這一現(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)測系統(tǒng)。雷擊監(jiān)測系統(tǒng)的脈沖激光器發(fā)出光信號，并在通過光隔離器后分成兩路信號。其中一路光信號首先經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成探測光脈沖并加載可達(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刻脈沖光的偏振態(tài)，以降低相干探測時的偏振噪聲，最后經(jīng)由環(huán)形器輸入OPGW的延時測試光纖中。另一路信號用于實現(xiàn)相干探測的參考光信號。當(dāng)光信號在OPGW光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射信號后，會反射至環(huán)形器進(jìn)入另一只光隔離器，并與參考光混合。2路信號外差產(chǎn)生的中頻信號由平衡探測器接收，平衡探測器將光電轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行跨阻放大轉(zhuǎn)換、輸出中頻電壓信號，并依次傳輸至濾波器、低噪聲放大器和信號處理器。此時，由系統(tǒng)數(shù)字信號處理單元解調(diào)中頻信號的功率，從而得到光纖反向散射曲線。

2.2? 針對反向散射曲線的故障定位分析

工作人員在使用光線測量儀的過程中，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，光信號在雷擊或閃絡(luò)故障時的位置受到影響，所產(chǎn)生的明顯反射信號疊加至后向散射信號上，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后向瑞利散射光的偏振態(tài)、光信號延遲時間，進(jìn)而求解被測光纖故障或斷點與測試端的距離（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)測系統(tǒng)運用到某條線路的監(jiān)測工作中，系統(tǒng)的運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，系統(tǒng)接收的信號平穩(wěn)。當(dāng)輸電線路走廊出現(xiàn)落雷時，系統(tǒng)探測信號峰值在時域波形、頻域波形上均呈現(xiàn)短時的明顯起伏。數(shù)字信號處理單元對所采集光信號的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，提取存在時延的后向瑞利散射光信號幅值尖峰，呈現(xiàn)反射光脈沖的偏振態(tài)隨距離的變化趨勢。

3結(jié)語

在瑞利散射背景下的OPGW雷擊和閃絡(luò)故障點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，主要時在變電站內(nèi)設(shè)置相關(guān)的OPGW雷擊監(jiān)測系統(tǒng)，捕捉OPGW內(nèi)光信號在雷擊或閃絡(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時延，進(jìn)而定位雷擊和閃絡(luò)故障點。通過與現(xiàn)有雷電定位系統(tǒng)對比，驗證了與本文所提方法的監(jiān)測結(jié)果基本一致，且有無維護(hù)線路桿塔坐標(biāo)和探測站對時等繁瑣工作的優(yōu)勢。該方法可用于快速定位輸電線路雷擊和閃絡(luò)故障點，并應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)開展輸電線路防雷改造。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 陳家宏，趙淳，谷山強(qiáng)，等.我國電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].高電壓技術(shù)，2016，42（11）：3361-3375.

[2]?? 徐擁軍，周建華，趙厚鵬，等.特高強(qiáng)度光纖復(fù)合架空地線的研制與應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù)，2016，14（11）：62-67.