利用光纖傳感器來(lái)檢測(cè)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(duì)于電能傳輸?shù)牟焕蛩亍６搪穭t是目前電網(wǎng)中尤為常見(jiàn)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(gè)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生非常高的能量。事實(shí)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(shí)，這樣的能量就是非常危險(xiǎn)的。

不受控的拉弧事件在電網(wǎng)應(yīng)用中尤其致命，因?yàn)樗粌H僅會(huì)損毀昂貴的關(guān)鍵的電子器件，還會(huì)造成人身傷害。在電網(wǎng)中，弧光或常見(jiàn)于所謂的開(kāi)關(guān)裝置中。

開(kāi)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(kāi)關(guān)（disconnect switches），保險(xiǎn)絲或是斷路器等的組合可以靈活地實(shí)現(xiàn)電力電子器件的控制，保護(hù)與隔離。

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

如果一個(gè)弧光事件產(chǎn)生并且沒(méi)有被及時(shí)地檢測(cè)到，那么在不過(guò)短短的數(shù)百微秒內(nèi)，就會(huì)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(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)非常低的反映時(shí)間。

本文章將引導(dǎo)您實(shí)現(xiàn)在中壓電網(wǎng)中利用光纖傳感器來(lái)檢測(cè)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(guò)程。強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電子的加速。

使用光纖做的弧光傳感器時(shí)，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(gè)弧光的光譜實(shí)例。它覆蓋了300nm到800nm的光譜范圍，而使用典型的銅線時(shí)則在500nm左右?；」獾墓庾V在選擇一個(gè)合適的用于弧光檢測(cè)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(shí)地檢測(cè)與動(dòng)作就更為重要。這樣的能量密度高達(dá)10kW/m2；讓我們對(duì)比一下陽(yáng)光，陽(yáng)光到達(dá)地表的能量密度僅為0.74kW/m2。

時(shí)間

弧光同時(shí)也展現(xiàn)出來(lái)了特殊的時(shí)間特性行為。比方說(shuō)，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(guò)模擬仿真獲得的弧光的時(shí)間特性行為。峰值的幅度或許會(huì)隨著弧光事件的不同而變化，但是100Hz或是120Hz的脈動(dòng)在所有時(shí)間中是固定不變的。

弧光檢測(cè)系統(tǒng)

目前，弧光檢測(cè)通常還是基于檢測(cè)電流或是電壓。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，能實(shí)現(xiàn)該功能的其它的新型材料也已經(jīng)通過(guò)了驗(yàn)證。由于光檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的趨勢(shì)。

光已經(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，光在探測(cè)器工作的復(fù)雜的EMI環(huán)境中具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

基于電壓/電流和光檢測(cè)的的弧光檢測(cè)系統(tǒng)主要是由電壓/電流詢問(wèn)機(jī)和光詢問(wèn)機(jī)組成的。一旦弧光時(shí)間發(fā)生，電壓/電流詢問(wèn)機(jī)和光詢問(wèn)機(jī)就會(huì)向弧光監(jiān)控單元發(fā)送異常值。以上情況發(fā)生時(shí)，弧光監(jiān)控單元會(huì)向斷路器發(fā)送指令將其打開(kāi)并截?cái)嚯娏鳌?/p>

圖6所示為光探測(cè)器的兩個(gè)選項(xiàng)：a.一個(gè)或多個(gè)光傳感器沿著開(kāi)關(guān)裝置的不同室進(jìn)行分布

b．單個(gè)光傳感器覆蓋一個(gè)或多個(gè)室。

第一種是單點(diǎn)傳感器，而第二種則是線式傳感器或?yàn)楣饫w傳感器。

單點(diǎn)傳感器

單點(diǎn)傳感器只能捕獲它周圍相對(duì)較小區(qū)域的光。

單點(diǎn)傳感器有兩種：光電單點(diǎn)傳感器和光單點(diǎn)傳感器。光電單點(diǎn)傳感器的頭部集成了一個(gè)光電管，它實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。使用這樣的傳感器的時(shí)候，EMI和ESD問(wèn)題需要在放置傳感器的時(shí)候就需要慎重考慮。光單點(diǎn)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(diǎn)傳感器也要實(shí)現(xiàn)脈搏功能。脈搏功能在存在能夠?qū)е戮薮笃茐男詳_動(dòng)或是對(duì)人身造成傷害的關(guān)鍵系統(tǒng)中非常重要?；」鈾z測(cè)器中的脈搏信號(hào)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(hào)。脈搏信號(hào)會(huì)檢測(cè)光接收器是否還在工作，從而可以檢測(cè)弧光檢測(cè)系統(tǒng)是否被使能。

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

線式傳感器

線式傳感器通常是一個(gè)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(diǎn)傳感器相比較，線式傳感器會(huì)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(duì)于POF和PCS光纖，最外層的保護(hù)層都要是透明的甚至是去除掉。

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

線式傳感器vs單點(diǎn)傳感器

互相比較起來(lái)，兩種傳感器各有優(yōu)劣勢(shì)。因此，兩種傳感器在現(xiàn)代弧光檢測(cè)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(xiǎn)”表示光傳感器是否可以放置于開(kāi)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(zhǎng)度的，所以是沒(méi)有被遮擋風(fēng)險(xiǎn)的。然而，這樣的風(fēng)險(xiǎn)在單點(diǎn)式傳感器中是存在的。

另一方面講，由于是針對(duì)弧光檢測(cè)所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，所以單點(diǎn)式傳感器的靈敏度會(huì)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(guò)單光纖線實(shí)現(xiàn)單個(gè)或是多個(gè)開(kāi)關(guān)裝置內(nèi)多個(gè)單元的檢測(cè)。而單點(diǎn)傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)此功能。

單點(diǎn)傳感器對(duì)于特定位置的弧光事件的檢測(cè)精度高，而線式傳感器由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，精度相對(duì)較低。

Avago弧光檢測(cè)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(cè)應(yīng)用的光檢測(cè)收發(fā)器。

圖8所示為光檢測(cè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的脈搏功能。它包含一個(gè)LED，中心發(fā)射波長(zhǎng)為650nm。這種LED可在發(fā)送連續(xù)波的情況下達(dá)到-1dBm的發(fā)射功率，對(duì)于脈沖，發(fā)射的光功會(huì)增加。沒(méi)有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)IC，這樣就能依據(jù)光功，脈寬與占空比的要求靈活實(shí)現(xiàn)脈搏功能（優(yōu)化電流消耗），使得這個(gè)產(chǎn)品成為任何方案的理想選擇。

接收器

接收器包含一個(gè)ASIC，它集成了一個(gè)光電管（PD）和一個(gè)跨阻放大器功能（TIA）。這個(gè)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(hào)的持續(xù)時(shí)間與幅度，系統(tǒng)需要區(qū)分出環(huán)境光（不處理），脈搏信號(hào)和拉弧事件。為了觸發(fā)保護(hù)來(lái)打開(kāi)開(kāi)關(guān)裝置的斷路器，光學(xué)與電流/電壓查詢機(jī)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(jì)會(huì)大大增加弧光檢測(cè)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(huì)在輸入光功大于-10dBm的情況下飽和。由于檢測(cè)拉弧并不是檢測(cè)接收光信號(hào)的形狀，而是檢測(cè)拉弧檢測(cè)單元設(shè)定的閾值，光傳感收發(fā)器在輸入光功高于-10dBm時(shí)，仍然100%可靠地持續(xù)檢測(cè)弧光事件。對(duì)于輸入光功低于-10dBm的情況，ASIC的線性度做的又非常好。這個(gè)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(duì)光譜靈敏度是與輸入光的光波長(zhǎng)相關(guān)的。由于這是一個(gè)對(duì)比曲線，給出的都是極限值。

圖10中的藍(lán)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(duì)弧光事件的完全檢測(cè)。

光探測(cè)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(shí)間小于10us，剛好是符合弧光檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用，Avago選擇了塑料光纖線（POF）來(lái)作為弧光檢測(cè)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(guò)連接器互相連接（見(jiàn)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(hù)層的直徑大概有2.2mm；該光纖的NA為0.5，650nm波長(zhǎng)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(jià)又可靠。一些接頭甚至可以現(xiàn)場(chǎng)安裝。最常見(jiàn)的插頭型號(hào)包括VL，SMA和ST，當(dāng)然，其它型號(hào)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(jì)

要讓弧光檢測(cè)系統(tǒng)正確運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須要遵循如下三個(gè)基本設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)出適用于不同長(zhǎng)度光纖芯線的設(shè)計(jì)規(guī)則

制定弧光檢測(cè)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(dá)檢測(cè)器的光電管。這種比率取決于傳感器類型（單點(diǎn)傳感器還是線式傳感器），走線的長(zhǎng)度，傳感器對(duì)應(yīng)弧光位置的擺放，弧光的強(qiáng)度等。需要到達(dá)光電管的最小能量是弧光檢測(cè)器的光電單元的靈敏度所決定的。

除了弧光，脈搏信號(hào)同樣也會(huì)到達(dá)弧光探測(cè)器的光電管。這個(gè)信號(hào)或許也會(huì)劇烈變化，盡管這樣的變化的機(jī)理與弧光事件是不同的。（見(jiàn)表2）

弧光探測(cè)器一定要能同時(shí)檢測(cè)弧光事件和脈搏信號(hào)。

總結(jié)

拉弧事件會(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，并且常常嚴(yán)重危及生命安全?；」鈾z測(cè)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://www.wenjunhu.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(huì)在拉弧事件的檢測(cè)中大有作為。

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