Avago的弧光检测方案在电网中的应用

电力网是世界上最重要的基础设施之一，他们为世界上将近50亿人提供能源，是诸如工业制造，通讯网络以及医院等数不尽的应用领域中不可或缺的重要元素之一。如此，我们一定要采取各种措施避免各种对于电能传输的不利因素。短路则是目前电网中尤为常见的故障之一。

短路的一种类型就是拉弧短路，这种短路是在两个带电导体或是带电导体与地之间的隔离失效导致的。意外出现的物体（如动物，工具等）或是粉尘与湿度都可能是导致这种失效的祸首。拉弧短路的出现往往伴随着电弧闪光（弧光）。

弧光会产生非常高的能量。事实上，受控的弧光应用广泛，如照明，电气焊，炼钢或是卫星引擎等。然而当弧光不受控时，这样的能量就是非常危险的。

不受控的拉弧事件在电网应用中尤其致命，因为它不仅仅会损毁昂贵的关键的电子器件，还会造成人身伤害。在电网中，弧光或常见于所谓的开关装置中。

开关装置是电网中的主要器件之一，它能够实现电网自身的重配置(reconfiguring)。电网隔离开关(disconnect switches)，保险丝或是断路器等的组合可以灵活地实现电力电子器件的控制，保护与隔离。

图1所示的是常见的开关装置以及不同开关装置之间的互连的原理图。输入输出的电力线通过一个“配线室”连接到开关装置。断路隔间分配断路器（开关装置的主要器件），断路器实现了输出或是输出的通断控制。不同的开关装置之间的互连是通过母线室实现的。



如果一个弧光事件产生并且没有被及时地检测到，那么在不过短短的数百微秒内，就会产生巨大的破坏，如图2所示。



图2表明，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映时间。

本文章将引导您实现在中压电网中利用光纤传感器来检测弧光事件。

弧光的物理特性：
图3所示就是弧光背后的物理原理。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。


使用光纤做的弧光传感器时，需要额外考虑弧光的一些物理特性，这些特性包括：

光谱
不同的弧光事件产生的光谱是不同的，它很大程度上是弧光中含有的物质（如气体，湿度等）决定的。图4所示是一个弧光的光谱实例。它覆盖了300nm到800nm的光谱范围，而使用典型的铜线时则在500nm左右。弧光的光谱在选择一个合适的用于弧光检测设备光电管尤其重要。



光功
弧光的能量密度非常高；照此，及时地检测与动作就更为重要。这样的能量密度高达10kW/m2；让我们对比一下阳光，阳光到达地表的能量密度仅为0.74kW/m2。

时间
弧光同时也展现出来了特殊的时间特性行为。比方说，在电网中电压和电流以50Hz或是60Hz的频率震荡，那么很容易就能推得弧光脉冲的光功为100Hz或是120Hz。图5为通过模拟仿真获得的弧光的时间特性行为。峰值的幅度或许会随着弧光事件的不同而变化，但是100Hz或是120Hz的脉动在所有时间中是固定不变的。



弧光检测系统
目前，弧光检测通常还是基于检测电流或是电压。为了提高检测系统的可靠性，能实现该功能的其它的新型材料也已经通过了验证。由于光检测的方式能够产生极快的响应，从而减少危害，所以它已经成为目前弧光检测系统的趋势。

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，光在探测器工作的复杂的EMI环境中具有极强的稳定性。

基于电压/电流和光检测的的弧光检测系统主要是由电压/电流询问机和光询问机组成的。一旦弧光时间发生，电压/电流询问机和光询问机就会向弧光监控单元发送异常值。以上情况发生时，弧光监控单元会向断路器发送指令将其打开并截断电流。

图6所示为光探测器的两个选项：a.一个或多个光传感器沿着开关装置的不同室进行分布
b．单个光传感器覆盖一个或多个室。


第一种是单点传感器，而第二种则是线式传感器或为光纤传感器。

单点传感器
单点传感器只能捕获它周围相对较小区域的光。

单点传感器有两种：光电单点传感器和光单点传感器。光电单点传感器的头部集成了一个光电管，它实现了光电转换。使用这样的传感器的时候，EMI和ESD问题需要在放置传感器的时候就需要慎重考虑。光单点传感器基于透光材料捕获光，并使用光纤将光传递到光接收器。

单点传感器也要实现脉搏功能。脉搏功能在存在能够导致巨大破坏性扰动或是对人身造成伤害的关键系统中非常重要。弧光检测器中的脉搏信号就是由光发射器周期性发送给光接收器的光脉冲信号。脉搏信号会检测光接收器是否还在工作，从而可以检测弧光检测系统是否被使能。

图7所示为有脉搏功能的光单点传感器的框图。其它的按照同样的原理的设计也是可行的。