如何利用光纤传感器来检测弧光事件？

　　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。
　　
　　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。
　　
　　总结
　　拉弧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，并且常常严重危及生命安全。弧光检测器已经成为降低，乃至避免弧光导致的危害的非常成功的方式之一。基于最新科技，Avago最近研发出了高性能低成本的光学传感收发器，如同本笔记介绍的一样，会在拉弧事件的检测中大有作为。