基于OPGW光偏振态的雷击定位原理与方法研究

邓惠华，张瑞琪，陈俊武，张惠荣，郭 琳

（1．广东电网公司惠州供电局，广东惠州516199；2．华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）

0 引言

我国幅员辽阔，部分地区气候环境复杂，雷击事故频发，给电网的安全稳定运行带来了巨大压力。根据相关运行统计，在我国由于雷击造成的高压输电线路跳闸事故占到了所有跳闸事故的40%～70%[1-3]。及时、准确的获取输电线路上的雷击点位置，对于保证电网的安全运行具有重要意义。目前，输电线路上的雷击故障定位主要采用的有综合雷电故障定位法和行波故障定位法[1，4]。综合雷电故障定位法是在传统定向定位和时差定位的基础上发展来的，但是只有在发生跳闸故障时，才能结合雷电定位系统实现雷击故障的定位，且无法识别故障性质[4]。行波故障定位法通过对雷击后电流波信号的测量，根据信号传递时间和电流波特征实现雷击定位与故障识别[5-7]。但是电流波的传播受线路参数、运行方式的影响很大，给雷击定位造成较大误差。

光纤复合架空地线（OPGW）是一种新型的输电线路架空地线，既可以起着避雷线的作用，又可以通过内部的光纤实现通信功能，无需另外架设通信装置[8-9]。此外，OPGW特有的光偏振态也使其通信与传感功能得到增强。随着OPGW在线路上的广泛应用，雷击OPGW造成的断股案例越来越多。据统计，日本在20世纪80年代出现过10次雷击断股事故，每100公里的损坏率达0.08例/年[10]，我国各地也多次出现了雷击导致的OPGW损坏的案例[11]。而OPGW的光传感功能使得借助于OPGW实现输电线路上的雷击定位成为了一种可能。光信号在光纤中的传播受外界干扰较小，波速较为稳定，同时由于OPGW逐塔接地，雷电流不会大幅值的跨档距传播，从而保证了OPGW雷击定位的准确性。目前国内外针对OPGW光偏振态的雷击定位原理与可行性做了大量研究，但是没有对OPGW上的光偏振态变化机理进行深入论证，使得基于OPGW的输电线路雷击单位缺乏一定的理论基础。笔者基于OPGW上的法拉第效应，对OPGW等效电路进行计算分析，并通过雷击模拟实验来探究验证光偏振态发生变化的原因，以及此方法实现雷击单位的可行性。

1 OPGW雷击定位原理

1.1 雷击定位原理

OPGW是一种集光纤通信功能和输电线路避雷线功能为一体的复合架空地线[12]，主要由光单元和地线单元组成。光单元是OPGW的通信通路，包括光纤芯和保护管；地线单元是OPGW的外绞合导体，承担架空地线的功能，同时也对OPGW内部的光纤进行保护[13]。

图1 OPGW外观及结构Fig.1 Appearance and structure of OPGW

光矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。当一束线偏振光穿过某一介质时，如果在介质中沿光的传播方法施加一磁场，就会观察到偏振光经过介质后偏振面转过一个角度，即偏振态（state of polarization，SOP）发生变化，此现象即为法拉第效应，可以用公式表示为

式中：θ为偏振光的偏转角度，其变化方向与介质和磁场方向有关；V为费尔德常数，与光纤性质及光波长、温度等有关；B为平行于光传播方向的磁感应强度；l为偏振光在磁场中的穿越长度。如图2所示。

图2 法拉第效应示意图Fig.2 Schematic of Faraday effect

由于OPGW外部的绞合结构，雷击OPGW时，雷电流将分为两部分[14]，一部分为沿着OPGW的螺旋结构流过的螺旋分量，一部分为从OPGW表面直接流过的直通分量。当雷电流沿螺旋方向流过OP⁃GW时，将在其内部产生平行于OPGW轴线的磁场[15-16]。根据法拉第效应，光偏振态将会发生变化。由于磁场与电场具有同步性，即雷电流作用于OP⁃GW的同时，其内部即可产生轴向磁场，使得光偏振态的变化也具有瞬时性。因此，可以通过检测光的偏振态变化来确定雷电流作用。

1.2 OPGW等效电路

根据雷击时OPGW上的雷电流分布特点，可以将OPGW等效为电阻与电感的并联模型，流过电感的电流表示雷电流中的螺旋分量，流过电阻的电流表示雷电流中的直通分量，如图3所示。

图3 OPGW的等效电路模型Fig.3 Equivalent circuit model of OPGW

假设OPGW上施加的雷电流为I（t），其波头时间为TU，波尾时间为TD。由于L、R都足够小，I（t）可被视为一个电流源：

对上式进行拉氏变换可得：

通过对OPGW等效电路的计算，可以得到螺旋电流分量为

由式（5）可知，螺旋电流分量由OPGW的等效时间常数τ和雷电流的波头时间TU、波尾时间TD共同决定，即在雷电流波形一定的情况下，螺旋电流的波形受OPGW电感结构的时间常数τ决定，而τ与OPGW的自身参数有关。

以某厂家生产的某种型号不锈钢管层绞式结构的OPGW为例。取一段长度为Z的OPGW，其横截面与纵截面如图4所示。r0为OPGW的外半径，ri为OPGW的内半径，钢线的直径为Zs，铝层的厚度为Za，钢线和铝层的磁导率分别为μs、μ0，OPGW 绕绞的节距为d。

图4 OPGW的横截面与纵截面Fig.4 The cross section and longitudinal section of OPGW

根据螺旋线圈的电感计算公式，OPGW的螺旋结构的等效电感可以表示为

式中，μz是OPGW整体磁导率的平均值。

由于μs＞＞μ0（μ0=4π×10-7），可得钢线与铝层构成的导线部分的平均磁导率μc为

因此，OPGW的平均磁导率μz为导线部分的磁导率μc（ri＜r＜r0）与线内部分的磁导率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，带入式1-7可得μz≈5μ0。

铝的电阻率为ρ=2.83×10-8Ω/m，假定电流的角频率为ω，根据趋肤效应，电流的趋肤深度为那么OPGW的等效电阻R为

因此，OPGW的时间常数τ为

电流的等效角频率近似为

带入式（1）至（10）得

取r0=0.0057 m，d=0.165 m，可得OPGW等效结构的时间常数τ为6.4μs。

当选用时间常数τ=6.4μs的OPGW时，施加不同波头时间TU的雷电流（雷电流的波尾时间TD=50 μs），对应的理论螺旋电流分量IL（t）如图5所示。

图5 不同雷电流波头时间对应的螺旋电流Fig.5 The screw current corresponding to different lightning current front time

由图5可以看出，随着雷电流的波头时间的增大，OPGW上螺旋电流的上升时间也在增大。由于光偏振态的变化受螺旋电流的影响，因此初步推断偏振态的变化时间也受雷电流波头时间的影响。

2 OPGW雷击模拟试验

2.1 SOP变化机理验证试验

2.1.1 直击雷模拟实验

根据OPGW等效电路的计算分析，OPGW上光偏振态的变化受雷电流的波头时间影响。笔者设计了OPGW雷击模拟实验，通过施加不同形式的雷电流并检测光偏振态波形，来验证此规律。

OPGW雷模拟试验如图6所示。实验采用双端行波法，光学设备A连接于OPGW内的一根光纤，此根光纤的另一端经延时光纤连接至光学设备B。光学设备A和B产生连续的偏振光，并将检测到的光偏振态信号转换为电压信号，送入计算机数据处理系统。延时光纤的长度为49.797 km，折射率约为1.467，光信号的传播速度为2.045×108m/s。两端光学主机采用时钟同步技术可将同步误差控制在100 ns以内，满足精度要求。

图6 雷击模拟试验接线图Fig.6 Wiring diagram of lightning simulation test

OPGW的接入长度都为8 m。模拟雷电流由冲击电流发生器产生，幅值为8 kA。改变雷电流的波头时间依次为 1、2.6、5、10 ms（波尾时间固定为50 ms），通过光学主机记录两端检测的光偏振态信号，并计算不同雷电流时偏振态变化波形的上升时间，结果如图7所示。

图7 光偏振态变化上升时间理论值与实际值Fig.7 The theoretical value and actual value of the rise time of the change of light polarization state

由图7可以看出，随着雷电流波头时间的增加，光偏振态变化的上升时间也在增加，且与理论计算值相差不大。因此在OPGW型号一定的情况下，光偏振态变化的波头时间主要由雷电流的波头时间决定。

2.1.2 感应雷模拟实验

感应雷虽然不会在OPGW上产生较大的雷电流，但是感应雷产生的空间磁场也会作用于OPGW上，并可能对光偏振态的变化产生影响。为了探究感应雷对OPGW上光偏振态的影响，本文设计了感应雷模拟试验，研究感应雷产生的空间磁场下OP⁃GW光偏振态的变化规律。

将18 m的光纤缠绕于冲击电流发生器的绝缘支柱上，光纤两端分别连接光学主机A、B，如图8所示。光纤与球隙的间距为24 cm，施加的冲击电流幅值为8 kA。通过冲击电流发生器放电球隙的电弧电流产生的空间电磁场来模拟感应雷的发生。光学主机检测到的波形如图9所示。

根据图9计算，感应雷模拟试验得到的SOP波形的波头时间约为3 ms，接近冲击电流的波头时间2.6 ms；而图6雷击OPGW试验时所得SOP波形的波头时间约为15 ms，明显大于冲击电流的波头时间。基于此初步分析得出，感应雷导致的SOP变化波头时间取决于雷电流波头时间，而直击雷产生的SOP变化波头时间由雷电流波形和OPGW的电感结构时间常数共同决定。考虑到自然界中雷电流的波头时间大都在1～5 ms，故可以通过SOP的波形分辨出感应雷和直击雷。此外，感应雷下SOP波形的幅值要远小于直击雷下的SOP波形幅值。

图8 感应雷模拟实验Fig.8 Simulation test of induction lightning

图9 感应雷试验SOP波形Fig.9 SOP Waveform of induction lightning test

2.2 雷击定位模拟实验

OPGW的接入长度L1为6 m，雷电流的幅值为6 kA，进行雷击OPGW模拟实验，并记录相应的SOP波形。根据A、B端时间差，计算出雷击点A与B端光学主机的距离，即延时光纤的长度，如图10所示。

图10 冲击电流幅值6 kAFig.10 Amplitude of Impact Current is 6 kA

SOP波形的正负与初始光偏振态的初始相位有关，与传播方向无关。改变OPGW的接入长度L1，重复以上步骤。与冲击电流发生器的固定电阻相比，OPGW的电阻很小，故接入长度的改变对回路电阻的影响可以忽略不计，可近似认为不同接入长度下的冲击电流波形一致。计算结果如表2所示。

表2 雷击OPGW模拟实验计算结果Table 2 Calculation results of lightning OPGW simulation test

由表2可以看出，模拟试验的雷击定位最大的误差为166 m，显然满足工程实际需求。说明基于OPGW的雷击定位方法具有较小误差和较高的精度。

3 结论

1）根据对OPGW等效电路的计算，OPGW上螺旋电流主要由其时间常数和雷电流波形决定。

2）雷击模拟实验表明，在OPGW型号一定时，光偏振态变化的上升时间主要由雷电流的波头时间决定；感应雷下光偏振态的变化时间约等于雷电力的波头时间。

3）通过OPGW雷击定位模拟实验，基于OPGW光偏振态的雷击定位方法误差小、精度高，满足工程实际需求。

[1]陈家宏，张勤，冯万，等.中国电网雷电定位系统与雷电监测网[J].高电压技术，2008，34（3）：425-431.CHEN Jiahong，ZHANG Qin，FENG Wanxing，et al.Light⁃ing location system and lighting detection network of Chi⁃na Power Grid[J].High Voltage Engineering，2008，34（3）:425-431.

[2]韩芳，曾晓毅，鲁铁成.输电线路综合防雷及雷击跳闸风险评估系统研究[J].电瓷避雷器，2012（3）：96-100.HAN Fang，ZENG Xiaoyi，LU Tiecheng.Research on the transmission lines lighting protection and lighting trip evaluation system[J].Insulators and Surge Arresters，2012（3）:96-100.

[3]陈家宏，吕军，钱之银，等.输电线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术，2009（12）：2891-2902.CHEN Jiahong，LV Jun，QIAN Zhiyin，et al.Differentia⁃tion Technology and Strategy of Lightning Protection for Transmission Lines[J].High Voltage Engineering，2009，35（12）:2891-2902

[4]赵文光.雷电综合定位系统的定位计算[J].高电压技术，1996，22（1）：9-11.ZHAO Wenguang.The Position Computation of Lightning Location system[J].High Voltage Engineering，1996，22（1）:9-11.

[5]刘刚，唐军，张鸣.根据雷击定位数据对输电线路雷击跳闸率计算方法修正的探讨[J].电瓷避雷器，2011（6）：95-102.LIU Gang，TANG Jun，ZHANG Ming.Discussion on cor⁃rection of transmission line lighting trip-out rate based on lighting location data[J].Insulators and Surge Arrest⁃ers，2011（6）:95-102.

[6]高艳丰，朱永利，闫红艳，等.基于VMD和TEO的高压输电线路雷击故障测距研究[J].电工技术学报，2016，31（1）：24-33.GAO Yanfeng，ZHU Yongli，YAN Hongyan，et al.Study on lighting fault location of high-voltage transmission lines based on VMD and TEO[J].Transactions of China Electrotechnical society，2016，31（1）:24-33.

[7]代杰杰，刘亚东，姜文娟，等.基于雷电行波时域特征的输电线路雷击类型辨识方法[J].电工技术学报，2016，31（6）：242-250.DAI Jiejie，LIU Yadong，JIANG Wenjuan，et al.Identifi⁃cation of back striking and shielding failure on transmis⁃sion line based on time domain characteristics of traveling wave[J].Transactions of China Electrotechnical soci⁃ety，2016，31（6）:242-250.

[8]胡毅，叶廷路，汪峰，等.光纤复合架空地线（OPGW）雷击试验分析[J].高电压技术，2005，31（5）：7-9．HU Yi，YE Tinglu，WANG Feng，et al.Lighting test and analysis for optical fiber composite overhead ground wires[J].High Voltage Engineering，2005，31（5）：7-9.

[9]刘云.光纤复合架空地线（OPGW）雷击及其试验的研究[D].北京：中国电力科学研究院，2003.LIU Yun.Research on lightning strike and test of optical fiber composite overhead ground wire（OPGW）[D].Bei⁃jing：China Electric Power Science Research Institute，2003

[10]谢书鸿，李海全，何仓平.OPGW耐雷特性的数据分析方法[J].电力系统通信，2005，26（8）：4-8.XIE Shuhong，LI Haiquan，HE Cangping.Data analysis on OPGW characteristics of enduring lightning strike[J].Telecommunications for Electric Power System，2005，26（8）:4-8.

[11]龚庆武，冯瑞发，李伟，等.基于OPGW光偏振态的输电线路雷击点定位方法[J].高电压技术，2016，42（2）：612-618．GONG Qingwu，FENG Ruifa，LI Wei，et al.Location method for lighting striking OPGW based on the state of polarition of light[J].High Voltage Engineering，2016，42（2）:612-618.

[12]殷伟斌.雷电对高压输电线路光纤复合架空地线（OP⁃GW）危害的分析与研究[D].杭州：浙江大学，2007.YIN Weibin.Analysis&Research on Lightning’s Damage for OPGW of High-voltage Transmission line[D].Hang⁃zhou：Zhejiang University，2007

[13]朱发强.特高压OPGW结构的研究[J].电力系统通信，2007，28（173）：26-32．ZHU Faqiang.Structure research of ultra high voltage OP⁃GW[J].Telecommunication for electric power sys⁃tem，2007，28（173）：26-32.

[14]KURONO M，ISAWA K，KURIBARA M.Transient state of polarization in optical ground wire caused by lightning and impulse current[C]//International Symposium on Po⁃larization Analysis and Applications to Device Technolo⁃gy.International Society for Optics and Photonics，1996:242-245.

[15]穆杰，王嘉，赵卫，等.消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器[J].高电压技术，2010，36（4）：980-986．MU Jie，WANG Jia，ZHAO Wei，et al.Vibration and temperature insensitive fiber-optic current transducer[J].High Voltage Engineering，2010，36（4）：980-986.

[16]WADDY D，LU P，CHEN L，et al.The measurement of fast state of polarization changes in aerial fiber[C]//Optical Fiber Communication Conference and Exhibit.2001:ThA3-ThA3.