弧光檢測探頭的研究

摘要：本文介紹了電力網中弧光的物理特性，現有通過光纖傳輸的弧光檢測探頭的類型以及一種工藝簡便成本低廉的新型弧光檢測探頭。

關鍵詞：弧光檢測；檢測探頭；熒光光纖；電弧光

隨著我國電力系統的發展，高壓開關柜的應用也越來越多。其中電弧光短路是較為常見的故障之一。伴隨電弧光短路會產生非常高的能量，這種能量往往會損壞昂貴的電子設備并造成嚴重的人身傷害。弧光事件的破壞程度是與事件持續的時間相關的。為了最大程度進行弧光保護，開關裝置里的弧光檢測與短路器都需要有一個非常低的反應時間。下面將介紹在電網中利用光纖傳感器來檢測弧光事件。

一、電弧光產生的原因和特征

當電極兩端電壓升高時，在電極附近的空氣中正負離子被電場加速，在移動過程中與其他空氣分子碰撞產生新的離子，這種離子大量增加的現象稱為 “電離”。空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產生電弧，這種放電現象稱為“電弧光放電”。它產生的條件是小間隙和大電流，如果增加間隙和減小電流，電弧將會消失。

設備由于元器件老化，絕緣損壞，過電壓，腐蝕污染，設計結構不合理，維護不到位，人為失誤等因素均可導致拉弧短路故障的發生。故障電弧中心溫度超過10000℃，弧光光強可超過常規照明光強的2000倍。發生電弧光短路故障時有兩個顯著的特征：電流增大、光強增大。

二、弧光的物理特性

下圖所示就是電弧光背后的物理原理。電弧光事件本源上就是加速的電子與原子碰撞的連鎖過程。強電場會導致電子的加速。

使用無源光纖的弧光檢測探頭，擁有極強的抗電磁干擾能力以及迅捷的反應時間。同時，還需要考慮電弧光的一些其他特性，這些特性包括：

光譜

通過對電弧光光譜的分析，300-450nm的紫外光波段和450-800nm的可見光波段是電弧光能量聚集所在。在電弧光能量中70%以上是紫外光。電弧光的光譜很大程度上是弧光中含有的物質（如氣體，濕度等）決定的。下圖所示是幾種金屬導體短路產生的弧光光譜。它們基本覆蓋了200nm到800nm的光譜范圍。弧光的光譜對于選擇一個合適的用于弧光檢測探頭尤其重要。

如果使用一般的光傳感器，日常中的突發性光源比較多，極易對弧光檢測系統產生誤導。采用紫外弧光檢測探頭則可避免環境中的可見光引起的不穩定因素。

光功率

弧光的能量密度非常高，這樣的能量密度高達10kW/m2。太陽光到達地表的能量密度僅約為0.74kW/m2。

三、弧光檢測方案

目前，弧光檢測通常還是基于檢測電流或是電壓。“光”已經成為目前弧光檢測最好的方式，這是由于它具有超低的傳輸延時，可以大大降低檢測系統的響應時間。此外，光在檢測探頭工作的復雜EMI環境中具有極強的穩定性。

目前光纖傳輸信號的弧光探測系統主要由探頭，傳輸光纖和光電模塊組成。其中探頭一般分為單點式和線式，普遍存在以下缺點：單點式探頭只能捕獲它周圍相對較小區域的光，探測角度范圍小；線式傳感器通常是一個環形的光纖構成，可采集光纖路徑上的較大區域的光，但探測精度和靈敏度較小。

四、基于“熒光光纖”的弧光檢測探頭方案

熒光光纖是一種能側面收光并在端面發光的光纖，可將接收到的光通過光纖中熒光材料轉換為特定波長的光信號，再傳輸給光電模塊。

具體方案為制作一個朗伯型或者圓錐型支架將熒光光纖纏繞固定，再用一個透明外殼與支架相連。熒光光纖兩端可分別通過塑料光纖連接到光電模塊用于自檢功能的發射端和接收端。支架與透明外殼間可以填充熒光膠粉，特定波段的光信號（紫外光）可激發熒光膠粉提升光信號的強度，而其他波段的噪聲信號（可見光）則被熒光膠粉阻擋抑制，從而又起到篩選接收光信號的作用。此外熒光膠粉還可以保護熒光光纖，提高探頭可靠性。

透明外殼主要起透光，保護和承載熒光膠粉的作用，可用玻璃或其他透光材料制成。底座對材質和精度要求不高，可采用塑料等常見材料制作，目前都屬于非常成熟的工藝，成本較低。

此探頭方案相較于目前的單點式和線式探頭，可探測360°全角度范圍，遠大于單點式探頭，探測精度和接收的光強度遠大于線式探頭。并且在相同入射光下，探測范圍內接收光的強度差異小，便于光電模塊判斷。

結語

電弧光事件會造成巨大的危害，它們在電力網的開關設備中頻頻出現，對昂貴而關鍵的設備造成損害，并且常常危及生命安全。弧光檢測系統作為一種針對電弧光短路故障開發的保護裝置，其原理簡單動作迅速，已經成為降低乃至避免弧光導致危害的非常有效的方式之一。上述基于“熒光光纖”的弧光檢測探頭，能夠及時可靠檢測出電弧光的產生，是一種低成本且工藝簡單易生產的實用方案。

參考文獻

[1]深圳市世強先進科技有限公司，Avago的弧光檢測方案在電網中的應用（J）。中國工控網。

[2]丁心志、劉柱揆、嚴躍、耿開勝，電弧光光譜成分特性及其應用分析（J）。《電氣工程學報》2015年 第5期

作者簡介：胡天邦，（1981-11-9）漢族，江蘇省鎮江市，電子信息工程專業本科學歷，助理工程師。

（作者單位：江蘇奧雷光電有限公司）