利用光纖傳感器來檢測弧光事件在中壓電網(wǎng)中的應(yīng)用

電力網(wǎng)是世界上最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，他們?yōu)槭澜缟蠈⒔?0億人提供能源，是諸如工業(yè)制造，通訊網(wǎng)絡(luò)以及醫(yī)院等數(shù)不盡的應(yīng)用領(lǐng)域中不可或缺的重要元素之一。如此，我們一定要采取各種措施避免各種對于電能傳輸?shù)牟焕蛩?。短路則是目前電網(wǎng)中尤為常見的故障之一。

短路的一種類型就是拉弧短路，這種短路是在兩個帶電導(dǎo)體或是帶電導(dǎo)體與地之間的隔離失效導(dǎo)致的。意外出現(xiàn)的物體（如動物，工具等）或是粉塵與濕度都可能是導(dǎo)致這種失效的禍?zhǔn)?。拉弧短路的出現(xiàn)往往伴隨著電弧閃光（弧光）。

弧光會產(chǎn)生非常高的能量。事實上，受控的弧光應(yīng)用廣泛，如照明，電氣焊，煉鋼或是衛(wèi)星引擎等。然而當(dāng)弧光不受控時，這樣的能量就是非常危險的。

不受控的拉弧事件在電網(wǎng)應(yīng)用中尤其致命，因為它不僅僅會損毀昂貴的關(guān)鍵的電子器件，還會造成人身傷害。在電網(wǎng)中，弧光或常見于所謂的開關(guān)裝置中。

開關(guān)裝置是電網(wǎng)中的主要器件之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)自身的重配置（reconfiguring）。電網(wǎng)隔離開關(guān)（disconnect switches），保險絲或是斷路器等的組合可以靈活地實現(xiàn)電力電子器件的控制，保護與隔離。

圖1所示的是常見的開關(guān)裝置以及不同開關(guān)裝置之間的互連的原理圖。輸入輸出的電力線通過一個“配線室”連接到開關(guān)裝置。斷路隔間分配斷路器（開關(guān)裝置的主要器件），斷路器實現(xiàn)了輸出或是輸出的通斷控制。不同的開關(guān)裝置之間的互連是通過母線室實現(xiàn)的。

如果一個弧光事件產(chǎn)生并且沒有被及時地檢測到，那么在不過短短的數(shù)百微秒內(nèi)，就會產(chǎn)生巨大的破壞，如圖2所示。

圖2表明，弧光事件的破壞程度是與事件持續(xù)的時間相關(guān)的。為了最大程度進行弧光保護，開關(guān)裝置里的弧光檢測與短路器都需要有一個非常低的反映時間。

本文章將引導(dǎo)您實現(xiàn)在中壓電網(wǎng)中利用光纖傳感器來檢測弧光事件。

弧光的物理特性：

圖3所示就是弧光背后的物理原理?；」馐录驹瓷暇褪羌铀俚碾娮优c原子碰撞的連鎖過程。強電場會導(dǎo)致電子的加速。

使用光纖做的弧光傳感器時，需要額外考慮弧光的一些物理特性，這些特性包括：

光譜

不同的弧光事件產(chǎn)生的光譜是不同的，它很大程度上是弧光中含有的物質(zhì)（如氣體，濕度等）決定的。圖4所示是一個弧光的光譜實例。它覆蓋了300nm到800nm的光譜范圍，而使用典型的銅線時則在500nm左右。弧光的光譜在選擇一個合適的用于弧光檢測設(shè)備光電管尤其重要。

光功

弧光的能量密度非常高；照此，及時地檢測與動作就更為重要。這樣的能量密度高達10kW/m2；讓我們對比一下陽光，陽光到達地表的能量密度僅為0.74kW/m2。

時間

弧光同時也展現(xiàn)出來了特殊的時間特性行為。比方說，在電網(wǎng)中電壓和電流以50Hz或是60Hz的頻率震蕩，那么很容易就能推得弧光脈沖的光功為100Hz或是120Hz。圖5為通過模擬仿真獲得的弧光的時間特性行為。峰值的幅度或許會隨著弧光事件的不同而變化，但是100Hz或是120Hz的脈動在所有時間中是固定不變的。

弧光檢測系統(tǒng)

目前，弧光檢測通常還是基于檢測電流或是電壓。為了提高檢測系統(tǒng)的可靠性，能實現(xiàn)該功能的其它的新型材料也已經(jīng)通過了驗證。由于光檢測的方式能夠產(chǎn)生極快的響應(yīng)，從而減少危害，所以它已經(jīng)成為目前弧光檢測系統(tǒng)的趨勢。

光已經(jīng)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(tǒng)的響應(yīng)時間，此外，光在探測器工作的復(fù)雜的EMI環(huán)境中具有極強的穩(wěn)定性。

基于電壓/電流和光檢測的的弧光檢測系統(tǒng)主要是由電壓/電流詢問機和光詢問機組成的。一旦弧光時間發(fā)生，電壓/電流詢問機和光詢問機就會向弧光監(jiān)控單元發(fā)送異常值。以上情況發(fā)生時，弧光監(jiān)控單元會向斷路器發(fā)送指令將其打開并截斷電流。

圖6所示為光探測器的兩個選項：a.一個或多個光傳感器沿著開關(guān)裝置的不同室進行分布

b．單個光傳感器覆蓋一個或多個室。

第一種是單點傳感器，而第二種則是線式傳感器或為光纖傳感器。

單點傳感器

單點傳感器只能捕獲它周圍相對較小區(qū)域的光。

單點傳感器有兩種：光電單點傳感器和光單點傳感器。光電單點傳感器的頭部集成了一個光電管，它實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。使用這樣的傳感器的時候，EMI和ESD問題需要在放置傳感器的時候就需要慎重考慮。光單點傳感器基于透光材料捕獲光，并使用光纖將光傳遞到光接收器。

單點傳感器也要實現(xiàn)脈搏功能。脈搏功能在存在能夠?qū)е戮薮笃茐男詳_動或是對人身造成傷害的關(guān)鍵系統(tǒng)中非常重要?；」鈾z測器中的脈搏信號就是由光發(fā)射器周期性發(fā)送給光接收器的光脈沖信號。脈搏信號會檢測光接收器是否還在工作，從而可以檢測弧光檢測系統(tǒng)是否被使能。

圖7所示為有脈搏功能的光單點傳感器的框圖。其它的按照同樣的原理的設(shè)計也是可行的。

線式傳感器

線式傳感器通常是一個環(huán)形的光纖構(gòu)成的，它從外部捕獲光并將光傳遞到接收器。與單點傳感器相比較，線式傳感器會采集光纖路徑上的大區(qū)域的光。這樣的傳感器同樣也帶有脈搏功能。

圖7b.1所示為線式傳感器的框圖。

理想的線式傳感器具有低傳輸損耗和高光捕獲效率。它通常是由POF或較厚的玻璃光纖，如PCS（芯徑為400nm）。對于POF和PCS光纖，最外層的保護層都要是透明的甚至是去除掉。

一個線式傳感器可以檢測單個裝置內(nèi)部的多個單元，同樣也可以檢測多個裝置（如圖7b.2）。因此，光纖線越長，更多的單元可以被檢測，也就是要使用的傳感器數(shù)量可以減少，這樣保護系統(tǒng)的成本就會下降。然而，光纖產(chǎn)品的長度受限于接收器的靈敏度。

線式傳感器vs單點傳感器

互相比較起來，兩種傳感器各有優(yōu)劣勢。因此，兩種傳感器在現(xiàn)代弧光檢測系統(tǒng)中均有應(yīng)用。

表1總結(jié)了兩種傳感器的主要特性

表1的“被遮擋風(fēng)險”表示光傳感器是否可以放置于開關(guān)裝置的被遮擋區(qū)域，這樣傳感器就難以捕獲到光?？紤]到線式傳感器的光纖是有長度的，所以是沒有被遮擋風(fēng)險的。然而，這樣的風(fēng)險在單點式傳感器中是存在的。

另一方面講，由于是針對弧光檢測所設(shè)計出的產(chǎn)品，所以單點式傳感器的靈敏度會比線式傳感器高很多，而線式傳感器的靈敏度要部分取決于光纖的物理特性。同樣的，線式傳感器可以通過單光纖線實現(xiàn)單個或是多個開關(guān)裝置內(nèi)多個單元的檢測。而單點傳感器無法實現(xiàn)此功能。

單點傳感器對于特定位置的弧光事件的檢測精度高，而線式傳感器由于長度較長，精度相對較低。

Avago弧光檢測技術(shù)方案

Avago科技已經(jīng)研發(fā)出了一種理想的適合弧光檢測應(yīng)用的光檢測收發(fā)器。

圖8所示為光檢測收發(fā)器，它的外形非常類似RJ45連接器。

發(fā)射器

發(fā)射器實現(xiàn)系統(tǒng)中的脈搏功能。它包含一個LED，中心發(fā)射波長為650nm。這種LED可在發(fā)送連續(xù)波的情況下達到-1dBm的發(fā)射功率，對于脈沖，發(fā)射的光功會增加。沒有內(nèi)置驅(qū)動IC，這樣就能依據(jù)光功，脈寬與占空比的要求靈活實現(xiàn)脈搏功能（優(yōu)化電流消耗），使得這個產(chǎn)品成為任何方案的理想選擇。

接收器

接收器包含一個ASIC，它集成了一個光電管（PD）和一個跨阻放大器功能（TIA）。這個ASIC提供了模擬電壓輸出到拉弧監(jiān)控單元，該模擬電壓的幅度是與輸入光功成比例關(guān)系的。

基于光接收器提供的模擬輸出信號的持續(xù)時間與幅度，系統(tǒng)需要區(qū)分出環(huán)境光（不處理），脈搏信號和拉弧事件。為了觸發(fā)保護來打開開關(guān)裝置的斷路器，光學(xué)與電流/電壓查詢機都需要向拉弧監(jiān)控單元發(fā)送異常值。這樣的冗余設(shè)計會大大增加弧光檢測系統(tǒng)的可靠性。

圖9展示，內(nèi)部ASIC的輸出電壓是是輸入光功的函數(shù)。ASIC的輸出會在輸入光功大于-10dBm的情況下飽和。由于檢測拉弧并不是檢測接收光信號的形狀，而是檢測拉弧檢測單元設(shè)定的閾值，光傳感收發(fā)器在輸入光功高于-10dBm時，仍然100%可靠地持續(xù)檢測弧光事件。對于輸入光功低于-10dBm的情況，ASIC的線性度做的又非常好。這個設(shè)備可以在-40℃到﹢85℃環(huán)境工作。

圖10中的黑線表明，集成在收發(fā)器中的ASIC的光電管的相對光譜靈敏度是與輸入光的光波長相關(guān)的。由于這是一個對比曲線，給出的都是極限值。

圖10中的藍線描繪的是典型的弧光光譜。光電管的響應(yīng)完全覆蓋了弧光的光譜范圍，保證了對弧光事件的完全檢測。

光探測收發(fā)器中的接收器的響應(yīng)度的典型數(shù)值在650nm的情況下是45V/m。TIA的上升與下降時間小于10us，剛好是符合弧光檢測應(yīng)用的要求。

接線與連接器

盡管其它種類的光纖線也可被用來實現(xiàn)該應(yīng)用，Avago選擇了塑料光纖線（POF）來作為弧光檢測方案材料。

接線被分為如下兩種：線式傳感器到光收發(fā)器之間的連接，使用通常的POF；線式傳感器自身，使用透明外層的POF。這種接線通過連接器互相連接（見圖6）。

該應(yīng)用中使用的特殊光纖的芯徑加上透光層的直徑為1mm；算上最外面一層的保護層的直徑大概有2.2mm；該光纖的NA為0.5，650nm波長的情況下衰減為0.2dB/m。

Avago科技已經(jīng)研發(fā)了一種優(yōu)化的用于連接光收發(fā)器與光纖線的第一部分相連的雙工連接器。如圖11所示。

如果是用于連接兩股線（中繼），那么就有多種可能方案以供選擇。考慮到目前光纖線的尺寸以及線纜的用料，市面上的連接器廉價又可靠。一些接頭甚至可以現(xiàn)場安裝。最常見的插頭型號包括VL，SMA和ST，當(dāng)然，其它型號的連接器也是有的。

通常這樣的連接頭的損耗在1dB-1.5dB（光纖到光纖）之間。

系統(tǒng)設(shè)計

要讓弧光檢測系統(tǒng)正確運行，系統(tǒng)設(shè)計師必須要遵循如下三個基本設(shè)計步驟：

規(guī)范選取系統(tǒng)中所用器件，如光纖線，連接頭與傳感器等

開發(fā)出適用于不同長度光纖芯線的設(shè)計規(guī)則

制定弧光檢測單元的閾值調(diào)整規(guī)則

在拉弧事件中，產(chǎn)生的光能僅有一定比率能夠到達檢測器的光電管。這種比率取決于傳感器類型（單點傳感器還是線式傳感器），走線的長度，傳感器對應(yīng)弧光位置的擺放，弧光的強度等。需要到達光電管的最小能量是弧光檢測器的光電單元的靈敏度所決定的。

除了弧光，脈搏信號同樣也會到達弧光探測器的光電管。這個信號或許也會劇烈變化，盡管這樣的變化的機理與弧光事件是不同的。（見表2）

弧光探測器一定要能同時檢測弧光事件和脈搏信號。

總結(jié)

拉弧事件會造成巨大的危害，它們在電力網(wǎng)的開關(guān)設(shè)備中頻頻出現(xiàn)，對昂貴而關(guān)鍵的設(shè)備造成損害，并且常常嚴(yán)重危及生命安全?；」鈾z測器已經(jīng)成為降低，乃至避免弧光導(dǎo)致的危害的非常成功的方式之一?；?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新科技，Avago最近研發(fā)出了高性能低成本的光學(xué)傳感收發(fā)器，如同本筆記介紹的一樣，會在拉弧事件的檢測中大有作為。

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