输电线路分布范围很广，尤其高压、特高压线路通常纵横跨越数百至上千公里，沿线地形极其复杂，很容易遭受雷击。输电线路一旦发生雷击事故，若不能在第一时间对故障点定位及进行故障排除，不仅直接影响输电线路的正常运行和输电系统的安全可靠性，也会给社会经济发展及人们的生产生活造成严重影响。因此，积极探索和研究架空输电线路雷击故障波检测及定位技术，有效缩短输电线路遭受雷击位置的查找时间，就显得尤为必要。
OPGW兼具地线与通信双重功能，一旦遭受雷击而发生故障，不仅严重影响系统运行，还会影响到正常的通信传输工作。因此，对OPGW上的雷击故障点定位并及时排除故障对电力系统的正常运行具有非常重要的意义。
已有基于导线行波的雷击检测与定位技术，通过在2个变电站之间几百公里线路上均匀布置行波检测设备，来实现导线上故障信号的检测与定位。但是当前导线行波的雷击故障检测技术，需要在高压端取电，安装与维护时需要耗费大量的人力、物力；同时所需行波检测设备的数量也与线路长度成正比，线路越长，设备配置与系统维护所需要的成本也会显著增加。
但无论如何，导线上的雷击故障定位技术毕竟还是可以实现的。然而对于发生在OPGW地线上的雷击事件，尚无有效的检测手段及雷击点定位的方法；由于OPGW多采用逐塔接地的方式，雷电行波信号在OPGW上也难以长距离传输，因此导线上的雷击故障检测方法也就无法推广至OPGW。人们亟待找出一种快速、准确地实现对OPGW上故障点定位的技术。
研究提出了一种基于法拉第效应的输电线路雷击监测与定位技术，利用OPGW中的光纤作为传感器，不需要在线路上额外安装任何设备，通过远端主机向光纤中注入探测光，并检测光纤中传输光信号的变化来进行雷击信号的检测与定位。
（1）技术原理
当线偏振光在介质中沿着磁场方向传输时，透射光依然为线偏振光，但由于磁场作用使介质对左、右圆偏振的折射率不同，透射线偏振光的偏振方向就会发生旋转，这就是法拉第效应。光在磁场的作用下的偏转面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即
θ=VBd
式中，比例系数V由介质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，称为费尔德常数。
在OPGW中传输光的偏振态会受到磁场和其他物理因素的调制，尤其是雷击时强大的脉冲电流产生的磁场会使OPGW内部传输光的偏振态产生剧烈变化，传输光的法拉第旋转角度就直接反映了线路上雷电流及其产生的磁场的大小变化。
（2）系统方案
根据上述原理，如果能够检测到雷击前后的光纤中传输光偏振角的变化，就能够实现雷击信号的检测；但是要实现雷击点的定位，单路的信号是无法实现的，必须同时存在两路信号。提出了基于OPGW的输电线路雷击检测与定位方案，具体光路结构如图1所示。
激光器发出的光经过光纤隔离器进入OPGW中的一根光纤，经过几十甚至上百公里传输后到达OPGW另一端；再经过一卷约25km延迟光纤后，沿OPGW中另一根光纤传输回来，通过信号调理模块解调光信号信息，数据通过计算机进行处理与分析。
（1）实验装置
为了验证实验方案的可行性，在实验室环境进行了模拟雷击的实验验证，实验方案如图2所示。
光学主机为自主研发的雷击监测和定位装置，包含了激光器、隔离器、光电转换单元及信号调理单元等部分。其输出端口通过光纤跳线连接至OPGW的一芯光纤，输入端口接入OPGW的另一芯光纤，在OPGW另一端通过延迟光纤将上述两芯光纤串接在一起。高电压设备产生的模拟雷击电流信号通过导线传输至OPGW，在距离雷击点L=5m的位置为电气接地点。
由于实验现场不可能架设数十千米的OPGW以做到与实际线路完全一致，但为了模拟实际输电线路上的雷击情况，用了长度分别约为25km、50km、100km的延迟光纤来代替数十千米的OPGW线路。
雷击发生后会同时对OPGW中所使用的两芯光纤产生作用，分别产生一个雷击脉冲信号。一根光纤中的信号沿着路径1传输至光学主机，另一根光纤中的信号沿着路径2传输至光学主机，通过判断这2个脉冲信号的时间差，就能够计算出雷击位置后方的光纤线路的长度，这在实际线路上也就是雷击点距离对侧变电站的距离的2倍，进而实现雷击点的故障定位。
（2）实验结果
经过对设置25km、50km、100km长延迟光纤的实验，由高电压设备内部的互感器获取的实验室模拟的雷电信号波形和本光学主机采集的波形对比如图3所示（幅度均为相对的，幅值的正负与光纤初始偏振态有关，不代表方向）。
从图3（a）看出，受条件限制，实验室的雷击信号波头为25μs左右，电流过零值后存在约150μs的“拖尾”震荡，尽管这可能与线路上的状况不完全一样，但是从原理上讲并不影响波形与定位的实际判断。对比图3中的4幅子图可以发现，设置100km长的延迟光纤后的2次雷击信号能够完全分离，且每次波形均与雷电流波形比较一致。25km、50km的信号中第一个信号的尾端与第二个信号的起始端存在交叉叠加，这主要与雷电流的拖尾较长有关。而实际线路上的雷击信号持续时间一般不超过100μs，故在对侧变电站额外安装25km的延迟光纤就足以区分出两次的雷击信号。在本实验中，通过数据处理方法依然可以辨别出两个信号的起点位置，如图中“□”与“○”标记所示。
为了验证系统的可靠性，对不同长度的延迟光纤均作了多次试验，并用光时域反射仪（OTDR）测量了光纤的长度，数据对比见表1。
通过表1出，设备所测量的雷击点之后的光纤长度与实际光纤长度相比，大多数情况下误差均不超过200m，最大的误差为497m（最大相对误差1%）。如果考虑到在实际线路上应用时，线路长度为光纤长度的一半，那么精度可达到±250m，这说明本系统可以实现雷击点的定位。
从原理及实验2个方面对基于OPGW的输电线路上落雷检测与定位技术进行了分析。从波形上看，本系统基本可以定性还原出雷电流的实际波形；从定位结果上看，本技术也可以实现OPGW遭受雷击时的雷击点定位，应用于试验线路上时的定位误差可以达到±250m。因此，研究提出的基于OPGW的雷击检测方法可以实现输电线路上的落雷检测与定位，这可以为输电线路上落雷检测技术的发展提供思路和理论实践依据。未来会将本系统在220kV及500kV运行的线路上进行测试应用，这个技术的实用化将为输电线路的防雷设计和改造提供更多有用信息。
