弧光检测探头的研究

摘要：本文介绍了电力网中弧光的物理特性，现有通过光纤传输的弧光检测探头的类型以及一种工艺简便成本低廉的新型弧光检测探头。

关键词：弧光检测；检测探头；荧光光纤；电弧光

随着我国电力系统的发展，高压开关柜的应用也越来越多。其中电弧光短路是较为常见的故障之一。伴随电弧光短路会产生非常高的能量，这种能量往往会损坏昂贵的电子设备并造成严重的人身伤害。弧光事件的破坏程度是与事件持续的时间相关的。为了最大程度进行弧光保护，开关装置里的弧光检测与短路器都需要有一个非常低的反应时间。下面将介绍在电网中利用光纤传感器来检测弧光事件。

一、电弧光产生的原因和特征

当电极两端电压升高时，在电极附近的空气中正负离子被电场加速，在移动过程中与其他空气分子碰撞产生新的离子，这种离子大量增加的现象称为 “电离”。空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电现象称为“电弧光放电”。它产生的条件是小间隙和大电流，如果增加间隙和减小电流，电弧将会消失。

设备由于元器件老化，绝缘损坏，过电压，腐蚀污染，设计结构不合理，维护不到位，人为失误等因素均可导致拉弧短路故障的发生。故障电弧中心温度超过10000℃，弧光光强可超过常规照明光强的2000倍。发生电弧光短路故障时有两个显著的特征：电流增大、光强增大。

二、弧光的物理特性

下图所示就是电弧光背后的物理原理。电弧光事件本源上就是加速的电子与原子碰撞的连锁过程。强电场会导致电子的加速。

使用无源光纤的弧光检测探头，拥有极强的抗电磁干扰能力以及迅捷的反应时间。同时，还需要考虑电弧光的一些其他特性，这些特性包括：

光谱

通过对电弧光光谱的分析，300-450nm的紫外光波段和450-800nm的可见光波段是电弧光能量聚集所在。在电弧光能量中70%以上是紫外光。电弧光的光谱很大程度上是弧光中含有的物质（如气体，湿度等）决定的。下图所示是几种金属导体短路产生的弧光光谱。它们基本覆盖了200nm到800nm的光谱范围。弧光的光谱对于选择一个合适的用于弧光检测探头尤其重要。

如果使用一般的光传感器，日常中的突发性光源比较多，极易对弧光检测系统产生误导。采用紫外弧光检测探头则可避免环境中的可见光引起的不稳定因素。

光功率

弧光的能量密度非常高，这样的能量密度高达10kW/m2。太阳光到达地表的能量密度仅约为0.74kW/m2。

三、弧光检测方案

目前，弧光检测通常还是基于检测电流或是电压。“光”已经成为目前弧光检测最好的方式，这是由于它具有超低的传输延时，可以大大降低检测系统的响应时间。此外，光在检测探头工作的复杂EMI环境中具有极强的稳定性。

目前光纤传输信号的弧光探测系统主要由探头，传输光纤和光电模块组成。其中探头一般分为单点式和线式，普遍存在以下缺点：单点式探头只能捕获它周围相对较小区域的光，探测角度范围小；线式传感器通常是一个环形的光纤构成，可采集光纤路径上的较大区域的光，但探測精度和灵敏度较小。

四、基于“荧光光纤”的弧光检测探头方案

荧光光纤是一种能侧面收光并在端面发光的光纤，可将接收到的光通过光纤中荧光材料转换为特定波长的光信号，再传输给光电模块。

具体方案为制作一个朗伯型或者圆锥型支架将荧光光纤缠绕固定，再用一个透明外壳与支架相连。荧光光纤两端可分别通过塑料光纤连接到光电模块用于自检功能的发射端和接收端。支架与透明外壳间可以填充荧光胶粉，特定波段的光信号（紫外光）可激发荧光胶粉提升光信号的强度，而其他波段的噪声信号（可见光）则被荧光胶粉阻挡抑制，从而又起到筛选接收光信号的作用。此外荧光胶粉还可以保护荧光光纤，提高探头可靠性。

透明外壳主要起透光，保护和承载荧光胶粉的作用，可用玻璃或其他透光材料制成。底座对材质和精度要求不高，可采用塑料等常见材料制作，目前都属于非常成熟的工艺，成本较低。

此探头方案相较于目前的单点式和线式探头，可探测360°全角度范围，远大于单点式探头，探测精度和接收的光强度远大于线式探头。并且在相同入射光下，探测范围内接收光的强度差异小，便于光电模块判断。

结语

电弧光事件会造成巨大的危害，它们在电力网的开关设备中频频出现，对昂贵而关键的设备造成损害，并且常常危及生命安全。弧光检测系统作为一种针对电弧光短路故障开发的保护装置，其原理简单动作迅速，已经成为降低乃至避免弧光导致危害的非常有效的方式之一。上述基于“荧光光纤”的弧光检测探头，能够及时可靠检测出电弧光的产生，是一种低成本且工艺简单易生产的实用方案。

参考文献

[1]深圳市世强先进科技有限公司，Avago的弧光检测方案在电网中的应用（J）。中国工控网。

[2]丁心志、刘柱揆、严跃、耿开胜，电弧光光谱成分特性及其应用分析（J）。《电气工程学报》2015年 第5期

作者简介：胡天邦，（1981-11-9）汉族，江苏省镇江市，电子信息工程专业本科学历，助理工程师。

（作者单位：江苏奥雷光电有限公司）