一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法和系统与流程

本发明属于光纤传感，更具体地，涉及一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法和系统。

背景技术：

1、应用于电力系统中电力架空光缆的雷击定位技术的基本原理是基于光信号遭遇雷击后偏振态发生明显变化。目前应用于电力架空光缆的雷击定位方法主要有单端环回法和双端法两种。单端环回法通过光信号在电力架空光缆内往返两次遭遇雷击偏振态变化的时间差推算雷击位置，其主要优点是无需广域时间同步，部署成本较低；其主要缺点是存在测量盲区，要缩短测量盲区就要在环回点传入延时光纤，这会缩短测量距离。双端法利用电力架空光缆中两根独立的光纤分别同步传输两路光信号，光纤两端均有光接收机与光发射机，利用两次测量过程中雷击导致偏振态的时间差确定雷击位置，其主要优点是没有测量盲区且测量距离较远；其主要缺点是需要广域时间同步，部署成本较单端环回法翻倍。目前基于电力架空光缆的雷击定位方法中尚没有能够在无需广域时间同步前提下实现无测量盲区且部署成本低的方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法和系统，旨在无需广域时间同步的前提下，实现应用于电力架空光缆的无测量盲区且部署成本低的雷击定位。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法，包括：

3、将脉冲偏振光输入电力架空光缆中进行传输，遭遇雷击的电力架空光缆周围形成的强磁场导致脉冲偏振光通过该段光缆时由于法拉第旋光效应发生偏振态旋转；

4、探测脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态，获取偏振光时域反射(polarizationoptical time domain reflectometer，potdr)曲线，找到偏振光时域反射曲线偏振态突变位置实现雷击定位。

5、优选地，脉冲偏振光通过该段光缆时的法拉第旋光效应具体表现为：雷击情况下雷击点附近电力架空光缆内的磁感应强度与击中电力架空光缆的雷电流之间的关系为b＝μni，其中，b为磁感应强度，μ为电力架空光缆内介质磁导率，n为电力架空光缆的匝数密度，i为雷电流强度，利用法拉第旋光效应光偏振态在雷击点附近电力架空光缆内的改变角度为θ＝vbl0，其中，θ为光偏振态旋转角度，v为费尔德常数，l0为雷电流在电力架空光缆内形成的磁场长度，光经过电力架空光缆雷击点处偏振态发生明显改变。

6、利用光在光纤/光缆中传输的瑞利散射，瑞利散射前后不改变光信号偏振态，检测反射回接收端的瑞利散射光的光强，并根据马吕斯定律i＝i0cos2(θ)计算出偏振态改变的角度大小，其中，i为偏振态检测装置输出光强，i0为光信号通过发射端偏振控制器后的光强，θ为雷击导致的光偏振态旋转角度。

7、优选地，根据上述过程得到光信号在整个光纤/光缆中偏振态改变的大小后，根据计算出雷击点的位置，其中，lt为雷击点距光信号发射端距离，v为光信号在光缆/光纤内的光速，t为从光信号发射到雷击导致的偏振态突变点散射光被接收所需的时间。

8、优选地，所述脉冲偏振光的发射周期满足t≤τ，其中，τ为雷击形成磁场的弛豫时间。

9、有益效果：本发明提供的一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法，使用单端法，只需要在被定位的光缆的同一侧安装一套收发系统。

10、本发明还提供了一种应用于电力架空光缆的雷击定位系统，包括：

11、脉冲偏振光产生模块，用于产生脉冲偏振光；

12、环形器，所述脉冲偏振光产生模块与环形器的第一端连接，所述环形器的第二端与电力架空光缆相连，所述环形器的第三端连接偏振态检测模块；

13、偏振态检测模块，用于探测脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态，获取偏振光时域反射曲线，找到偏振光时域反射曲线偏振态突变位置实现雷击定位。

14、优选地，脉冲偏振光产生模块包括光源、偏振控制器和脉冲调制器，所述光源产生的光经过所述偏振控制器后形成偏振光，所述偏振光经过所述脉冲调制器后形成脉冲偏振光。

15、优选地，脉冲偏振光产生模块包括脉冲激光器和偏振控制器，所述脉冲激光器用于产生脉冲光，所述脉冲光经过偏振控制器后形成偏振脉冲光。偏振脉冲光的琼斯矩阵为其中，β为偏振脉冲光与系统参考坐标轴x轴的夹角，δ为偏振脉冲光在参考坐标x、y轴分量的相位差。

16、优选地，所述偏振态检测模块包括依次连接的偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，其中：部分探测光在光缆内由于瑞利散射返回环形器第二端由第三端进入偏振态检测装置，被光电探测器转换为电信号并传输至信号采集卡及处理器，经处理器处理的电信号最终得到偏振光时域反射曲线，进而利用偏振光时域反射曲线上的偏振态突变点完成雷击定位。

17、优选地，所述处理器根据马吕斯定律计算得出脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态旋转角度，并根据脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态旋转角度进一步得到偏振光时域反射曲线，马吕斯定律的表达式如下：

18、i＝i0cos2(θ)

19、其中，i0为脉冲偏振光光强，i为光电探测器探测光强，θ为雷击导致的偏振态旋转角度。

20、优选地，上述脉冲光的发射周期必须满足其中，t为脉冲光发射周期，l为精准测量雷击点的光缆/光纤传感总长度，n为光缆/光纤纤芯折射率，c为真空中的光速，τ为雷击形成磁场的弛豫时间。

21、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

22、1、与单端环回雷击定位法相比，本发明所述的雷击定位系统及方法无测量盲区且测量精度更高。单端环回雷击定位法存在盲区的原因是当雷击点靠近环回点时两次偏振态变化的时间差可能过小导致二者在时域上几乎重合无法区分，基于potdr的雷击定位方法是根据光纤中各处的瑞利散射光实现雷击定位，其空间分辨率可达一米，远远超过雷击定位精度要求且无需利用两次偏振态变化的时间差进行雷击定位，因此测量精度高且不存在测量盲区。

23、2、与双端雷击定位法相比，本发明所述的雷击定位系统及方法无需广域时间同步，部署成本低。基于potdr的雷击定位系统发射端与接收端在同一端，因此不需要像双端法一样两端每次发射光信号时必须保证时间同步才能利用两端接收到的偏振态变化时间差进行雷击定位，且potdr累计定位系统是单端部署仅需要一套收发设备无需向双端雷击定位法需要两套收发设备，因此从无需广域时间同步以及设备数量上部署成本较低。

技术特征：

1.一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，遭遇雷击的电力架空光缆周围形成的强磁场的磁感应强度为：b＝μni，其中，b为磁感应强度，μ为电力架空光缆内介质磁导率，n为电力架空光缆的匝数密度，i为雷电流强度；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据计算出雷击点的位置，其中，l为雷击点距脉冲偏振光发射端的距离，v为脉冲偏振光在光缆内的光速，t为从脉冲偏振光发射到雷击导致的偏振态突变点散射光被接收所需的时间。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲偏振光的发射周期满足t≤τ，其中，τ为雷击形成磁场的弛豫时间。

5.一种应用于电力架空光缆的雷击定位系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述脉冲偏振光产生模块包括光源、偏振控制器和脉冲调制器，所述光源产生的光经过所述偏振控制器后形成偏振光，所述偏振光经过所述脉冲调制器后形成脉冲偏振光。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述脉冲偏振光产生模块包括脉冲激光器和偏振控制器，所述脉冲激光器用于产生脉冲光，所述脉冲光经过偏振控制器后形成脉冲偏振光。

8.根据权利要求5～7任意一项所述的系统，其特征在于，所述偏振态检测模块包括依次连接的偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，所述偏振态检测装置探测到瑞利散射返回的脉冲偏振光后，经过光电探测器转换为电信号，传输至信号采集卡及处理器，经处理器处理的电信号最终得到偏振光时域反射曲线，进而利用偏振光时域反射曲线上的偏振态突变点完成雷击定位。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理器根据马吕斯定律计算得出脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态旋转角度，并根据脉冲偏振光瑞利散射光的偏振态旋转角度进一步得到偏振光时域反射曲线，马吕斯定律的表达式如下：

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述脉冲偏振光的发射周期满足其中，t为脉冲偏振光发射周期，l为光缆传感总长度，n为光缆纤芯折射率，c为真空中的光速，τ为雷击形成磁场的弛豫时间。

技术总结本发明公开了一种应用于电力架空光缆的雷击定位方法和系统，属于光纤传感技术领域；该方法是基于光缆中光学偏振态在雷击电流所产生的磁场中发生很大的改变并通过检测到偏振态的改变点从而进行雷击点的精确定位；所采用的系统是一种基于偏振光时域反射仪的单端法雷击定位系统，包括：脉冲偏振光产生模块、环形器和偏振态检测模块；本发明利用雷击对光信号的法拉第旋光效应基于偏振光时域反射仪实现雷击定位，与传统的雷击定位相比，只需要一套收发装置的单端法，成本低、精度高，无需广域精确时间同步，系统简单，安装方便，并降低了雷击定位的盲区。技术研发人员：连伟华,苏星瑞,吴斌,赵晗祺,洪丹轲,张思拓,冯晓芳,吴桂龙,陈一童,刘林,李蔚,胡开晶,佟飞受保护的技术使用者：中国南方电网有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5