Avago的弧光检测方案在电网中的应用

线式传感器
线式传感器通常是一个环形的光纤构成的，它从外部捕获光并将光传递到接收器。与单点传感器相比较，线式传感器会采集光纤路径上的大区域的光。这样的传感器同样也带有脉搏功能。

图7b.1所示为线式传感器的框图。

理想的线式传感器具有低传输损耗和高光捕获效率。它通常是由POF或较厚的玻璃光纤，如PCS（芯径为400nm）。对于POF和PCS光纤，最外层的保护层都要是透明的甚至是去除掉。

一个线式传感器可以检测单个装置内部的多个单元，同样也可以检测多个装置（如图7b.2）。因此，光纤线越长，更多的单元可以被检测，也就是要使用的传感器数量可以减少，这样保护系统的成本就会下降。然而，光纤产品的长度受限于接收器的灵敏度。

线式传感器vs单点传感器
互相比较起来，两种传感器各有优劣势。因此，两种传感器在现代弧光检测系统中均有应用。

表1总结了两种传感器的主要特性


表1的“被遮挡风险”表示光传感器是否可以放置于开关装置的被遮挡区域，这样传感器就难以捕获到光。考虑到线式传感器的光纤是有长度的，所以是没有被遮挡风险的。然而，这样的风险在单点式传感器中是存在的。

另一方面讲，由于是针对弧光检测所设计出的产品，所以单点式传感器的灵敏度会比线式传感器高很多，而线式传感器的灵敏度要部分取决于光纤的物理特性。同样的，线式传感器可以通过单光纤线实现单个或是多个开关装置内多个单元的检测。而单点传感器无法实现此功能。

单点传感器对于特定位置的弧光事件的检测精度高，而线式传感器由于长度较长，精度相对较低。

Avago弧光检测技术方案
Avago科技已经研发出了一种理想的适合弧光检测应用的光检测收发器。

图8所示为光检测收发器，它的外形非常类似RJ45连接器。



发射器
发射器实现系统中的脉搏功能。它包含一个LED，中心发射波长为650nm。这种LED可在发送连续波的情况下达到-1dBm的发射功率，对于脉冲，发射的光功会增加。没有内置驱动IC，这样就能依据光功，脉宽与占空比的要求灵活实现脉搏功能（优化电流消耗），使得这个产品成为任何方案的理想选择。

接收器
接收器包含一个ASIC，它集成了一个光电管（PD）和一个跨阻放大器功能（TIA）。这个ASIC提供了模拟电压输出到拉弧监控单元，该模拟电压的幅度是与输入光功成比例关系的。

基于光接收器提供的模拟输出信号的持续时间与幅度，系统需要区分出环境光（不处理），脉搏信号和拉弧事件。为了触发保护来打开开关装置的断路器，光学与电流/电压查询机都需要向拉弧监控单元发送异常值。这样的冗余设计会大大增加弧光检测系统的可靠性。

图9展示，内部ASIC的输出电压是是输入光功的函数。ASIC的输出会在输入光功大于-10dBm的情况下饱和。由于检测拉弧并不是检测接收光信号的形状，而是检测拉弧检测单元设定的阈值，光传感收发器在输入光功高于-10dBm时，仍然100%可靠地持续检测弧光事件。对于输入光功低于-10dBm的情况，ASIC的线性度做的又非常好。这个设备可以在-40℃到﹢85℃环境工作。



图10中的黑线表明，集成在收发器中的ASIC的光电管的相对光谱灵敏度是与输入光的光波长相关的。由于这是一个对比曲线，给出的都是极限值。

图10中的蓝线描绘的是典型的弧光光谱。光电管的响应完全覆盖了弧光的光谱范围，保证了对弧光事件的完全检测。

光探测收发器中的接收器的响应度的典型数值在650nm的情况下是45V/m。TIA的上升与下降时间小于10us，刚好是符合弧光检测应用的要求。



接线与连接器
尽管其它种类的光纤线也可被用来实现该应用，Avago选择了塑料光纤线（POF）来作为弧光检测方案材料。

接线被分为如下两种：线式传感器到光收发器之间的连接，使用通常的POF；线式传感器自身，使用透明外层的POF。这种接线通过连接器互相连接（见图6）。

该应用中使用的特殊光纤的芯径加上透光层的直径为1mm；算上最外面一层的保护层的直径大概有2.2mm；该光纤的NA为0.5，650nm波长的情况下衰减为0.2dB/m。

Avago科技已经研发了一种优化的用于连接光收发器与光纤线的第一部分相连的双工连接器。如图11所示。



如果是用于连接两股线（中继），那么就有多种可能方案以供选择。考虑到目前光纤线的尺寸以及线缆的用料，市面上的连接器廉价又可靠。一些接头甚至可以现场安装。最常见的插头型号包括VL，SMA和ST，当然，其它型号的连接器也是有的。

通常这样的连接头的损耗在1dB-1.5dB（光纤到光纤）之间。

系统设计
要让弧光检测系统正确运行，系统设计师必须要遵循如下三个基本设计步骤：
?   规范选取系统中所用器件，如光纤线，连接头与传感器等
?   开发出适用于不同长度光纤芯线的设计规则
?   制定弧光检测单元的阈值调整规则

在拉弧事件中，产生的光能仅有一定比率能够到达检测器的光电管。这种比率取决于传感器类型（单点传感器还是线式传感器），走线的长度，传感器对应弧光位置的摆放，弧光的强度等。需要到达光电管的最小能量是弧光检测器的光电单元的灵敏度所决定的。

除了弧光，脉搏信号同样也会到达弧光探测器的光电管。这个信号或许也会剧烈变化，尽管这样的变化的机理与弧光事件是不同的。（见表2）

弧光探测器一定要能同时检测弧光事件和脉搏信号。