摘要：本文介紹了電力網(wǎng)中弧光的物理特性，現(xiàn)有通過(guò)光纖傳輸?shù)幕」鈾z測(cè)探頭的類(lèi)型以及一種工藝簡(jiǎn)便成本低廉的新型弧光檢測(cè)探頭。

關(guān)鍵詞：弧光檢測(cè)；檢測(cè)探頭；熒光光纖；電弧光

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用也越來(lái)越多。其中電弧光短路是較為常見(jiàn)的故障之一。伴隨電弧光短路會(huì)產(chǎn)生非常高的能量，這種能量往往會(huì)損壞昂貴的電子設(shè)備并造成嚴(yán)重的人身傷害?；」馐录钠茐某潭仁桥c事件持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的。為了最大程度進(jìn)行弧光保護(hù)，開(kāi)關(guān)裝置里的弧光檢測(cè)與短路器都需要有一個(gè)非常低的反應(yīng)時(shí)間。下面將介紹在電網(wǎng)中利用光纖傳感器來(lái)檢測(cè)弧光事件。

一、電弧光產(chǎn)生的原因和特征

當(dāng)電極兩端電壓升高時(shí)，在電極附近的空氣中正負(fù)離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)過(guò)程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱(chēng)為 “電離”?？諝獗浑婋x的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電現(xiàn)象稱(chēng)為“電弧光放電”。它產(chǎn)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(huì)消失。

設(shè)備由于元器件老化，絕緣損壞，過(guò)電壓，腐蝕污染，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，維護(hù)不到位，人為失誤等因素均可導(dǎo)致拉弧短路故障的發(fā)生。故障電弧中心溫度超過(guò)10000℃，弧光光強(qiáng)可超過(guò)常規(guī)照明光強(qiáng)的2000倍。發(fā)生電弧光短路故障時(shí)有兩個(gè)顯著的特征：電流增大、光強(qiáng)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(guò)程。強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電子的加速。

使用無(wú)源光纖的弧光檢測(cè)探頭，擁有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力以及迅捷的反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，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(guò)對(duì)電弧光光譜的分析，300-450nm的紫外光波段和450-800nm的可見(jiàn)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(zhì)（如氣體，濕度等）決定的。下圖所示是幾種金屬導(dǎo)體短路產(chǎn)生的弧光光譜。它們基本覆蓋了200nm到800nm的光譜范圍?；」獾墓庾V對(duì)于選擇一個(gè)合適的用于弧光檢測(cè)探頭尤其重要。

如果使用一般的光傳感器，日常中的突發(fā)性光源比較多，極易對(duì)弧光檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生誤導(dǎo)。采用紫外弧光檢測(cè)探頭則可避免環(huán)境中的可見(jiàn)光引起的不穩(wěn)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(dá)10kW/m2。太陽(yáng)光到達(dá)地表的能量密度僅約為0.74kW/m2。

三、弧光檢測(cè)方案

目前，弧光檢測(cè)通常還是基于檢測(cè)電流或是電壓?！肮狻币呀?jīng)成為目前弧光檢測(cè)最好的方式，這是由于它具有超低的傳輸延時(shí)，可以大大降低檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。此外，光在檢測(cè)探頭工作的復(fù)雜EMI環(huán)境中具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

目前光纖傳輸信號(hào)的弧光探測(cè)系統(tǒng)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(diǎn)式和線式，普遍存在以下缺點(diǎn)：?jiǎn)吸c(diǎn)式探頭只能捕獲它周?chē)鄬?duì)較小區(qū)域的光，探測(cè)角度范圍??；線式傳感器通常是一個(gè)環(huán)形的光纖構(gòu)成，可采集光纖路徑上的較大區(qū)域的光，但探測(cè)精度和靈敏度較小。

四、基于“熒光光纖”的弧光檢測(cè)探頭方案

熒光光纖是一種能側(cè)面收光并在端面發(fā)光的光纖，可將接收到的光通過(guò)光纖中熒光材料轉(zhuǎn)換為特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，再傳輸給光電模塊。

具體方案為制作一個(gè)朗伯型或者圓錐型支架將熒光光纖纏繞固定，再用一個(gè)透明外殼與支架相連。熒光光纖兩端可分別通過(guò)塑料光纖連接到光電模塊用于自檢功能的發(fā)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(hào)（紫外光）可激發(fā)熒光膠粉提升光信號(hào)的強(qiáng)度，而其他波段的噪聲信號(hào)（可見(jiàn)光）則被熒光膠粉阻擋抑制，從而又起到篩選接收光信號(hào)的作用。此外熒光膠粉還可以保護(hù)熒光光纖，提高探頭可靠性。

透明外殼主要起透光，保護(hù)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(duì)材質(zhì)和精度要求不高，可采用塑料等常見(jiàn)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(diǎn)式和線式探頭，可探測(cè)360°全角度范圍，遠(yuǎn)大于單點(diǎn)式探頭，探測(cè)精度和接收的光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于線式探頭。并且在相同入射光下，探測(cè)范圍內(nèi)接收光的強(qiáng)度差異小，便于光電模塊判斷。

結(jié)語(yǔ)

電弧光事件會(huì)造成巨大的危害，它們?cè)陔娏W(wǎng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備中頻頻出現(xiàn)，對(duì)昂貴而關(guān)鍵的設(shè)備造成損害，并且常常危及生命安全?；」鈾z測(cè)系統(tǒng)作為一種針對(duì)電弧光短路故障開(kāi)發(fā)的保護(hù)裝置，其原理簡(jiǎn)單動(dòng)作迅速，已經(jīng)成為降低乃至避免弧光導(dǎo)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(cè)探頭，能夠及時(shí)可靠檢測(cè)出電弧光的產(chǎn)生，是一種低成本且工藝簡(jiǎn)單易生產(chǎn)的實(shí)用方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：胡天邦，（1981-11-9）漢族，江蘇省鎮(zhèn)江市，電子信息工程專(zhuān)業(yè)本科學(xué)歷，助理工程師。

（作者單位：江蘇奧雷光電有限公司）