电弧光强度定量分析及其检测设备的标定方法

摘 要：实验研究低压（220 V/200 A）短路电弧和高压（20 kV）电离电弧的光谱及强度特征，证实电弧光以紫外光和可见光为主要成分。通过定量测量电弧光的强度，得出低压短路和高压电离电弧光中紫外光强度占其总强度的70%以上，并基于该结论利用光学转换、光电变换原理及脉冲检测技术开发一种新型的紫外电弧光传感系统。在施加滤光设备的措施下测量电弧光，得出同一电弧光中1～10 mW/cm2的紫外光强度对应的可见光照度为5～20 kLux，提出利用该强度范围作为电弧光保护装置光学检测单元校验标定和检测灵敏度的阈值范围的观点。

关键词：电弧光；光学转换；光电变换；脉冲检测；紫外光检测；灵敏度阈值

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0083-05

0 引 言

电弧光短路可以给小到配电室大到变电站等电力设备带来灾难性的破坏，对电能供应造成很大影响。因此，对电弧光短路进行理论及实验研究极为重要。

从20世纪开始，国内外众多科研单位对电力短路产生的电弧光特性及其保护措施等做了大量研究工作。美国总统轮船公司（APL）及其合作伙伴较早开展该研究，不仅通过各种级别潜艇的配线盘进行了多次电弧光保护实验，还对载人航天母舰的电弧光保护做了研究工作；1978年，美国霍普京斯大学的科学家开始和美国海军一起研究弧光保护在潜艇上的应用；1998年美国海军在乔治华盛顿号潜艇（USS George Washington）开光柜上安装了弧光保护装置；90年代ABB公司开始研发弧光保护产品用于开关柜的弧光保护[1]。中国于1995年引进第一套弧光保护装置并开始弧光保护的研究[2]。2008年，中国南京五石金传感技术有限公司率先采用紫外光作为电弧光的判据研发了电弧光检测装置[3-4]。

电弧光保护产品发展迅速，所采用的保护措施各种各样，在电弧光检测方式上也存在着很大的差异，如利用电弧光中的可见光或紫外光作为检测目标[5-6]，各自能检测的电弧光的最小强度也不相同；并且，因缺少电弧光强度的定量测量与分析，导致所研发的电弧光保护产品对检测电弧光的灵敏度没有标准，即缺少对电弧光保护产品检测灵敏度阈值标定的范围及方法。

本文在对电弧光进行大量的实验研究的基础上，分析了电弧光中紫外光和可见光的相对强度，定量测量了两者在同一电弧光中的强度比例，开发了基于紫外光检测的电弧光传感系统，提出了电弧光检测装置及其保护装置的灵敏度阈值范围和标定方法及其可行性分析。

1 电弧光强度定量分析

电弧光从其形成角度大致可以分为两种，即金属导体短路时，由于导体燃烧及金属离子放电发光和金属导体在高压放电时致使空气电离发光。

本文对上述两种电弧光进行了光谱及强度定量分析。在背景光照度小于50 Lux的环境中，首先检测电弧焊机对各种金属在220 V/200 A的情况下短路的电弧光强度，测量距离为50 cm；其次，用高压发生器产生20 kV电压，并在此电压下检测近距离空气电离发生电弧光强度，测量距离为30 cm。最后，通过电流可调电弧焊机在220 V/200 A条件下，对高纯度铜排对电弧焊机产生的电弧光中各频段的相对强度定量分析，并在距离电弧光发生点20 cm处对其发出的同一电弧光中紫外光和可见光的强度分别用紫外辐射照度计和可见光照度计进行测量，同时用宽光谱光功率计测量了电弧光的总强度。

图1是铜、铁、铝等几种金属导体之间在220 V电压下短路时产生的电弧光的光谱图。可看出，金属导体短路时电弧光的主要组成部分是紫外光和可见光，此外还有很微弱的红外光部分。这是因为金属导体短路时，金属离子放电导致发光，电流流过导体时会发热而发出红外光，在时间不长的情况下，红外光很弱，这里忽略不计。从光谱曲线还可以看出，在紫外和可见光波段分别有一个峰值区域，中心波长大约分别为330 nm和530 nm；并且，电弧光具有在紫外光波段的能量大于其在可见光波段的能量的趋势。

图2是金属导体在高压放电时致使空气电离发出的电弧光的光谱图。可以看出，导体在20 kV的高压下致使空气电离所发出的电弧光仅紫外光比较明显，而可见光和红外光几乎可以忽略。从强度的角度看，此种情况下的电弧光几乎不存在可见光和红外光。此外，出现了3个峰值波长，前两条曲线的主峰在330 nm附近，而最后一条的主峰在360 nm附近，但其所呈现出的仅含有紫外光的趋势是相同的。由此可得出：高压放电时产生的电弧光仅有轻微的金属离子放电现象，故而可见光和红外光强度非常微弱。

表1、表2与图3是对导体短路时的电弧光强度定量分析的实验结果，可以看出，电弧光中紫外光（UV）和可见光（Vis）的强度及其总强度（Total）变化趋势一致，即电弧越强时，各自的强度越大。

通过多次对电弧光的强度测量发现，当在宽光谱功率计探头上添加紫外光滤光片时，紫外辐射照度计所测量的紫外光强度值与功率计透过紫外光滤光片测量到的紫外光的强度几乎相同，如图3（a）所示，紫外强度曲线（UV）和功率计值曲线（Total）基本上重合。由于可见光照度计测量的是辐射照度经过加乘视见函数因子转化得到，因此要比其他两种值大得多。

图3（b）是在功率计没有安装紫外光滤光片时的测量结果。由图中曲线可以看出，随时间增加，各种测量值呈上升趋势，这一点与功率计安装紫外滤光片时相同，而可见光照度仍远大于另外两种测量值。用式（1）和式（2）粗略计算可知，每一次测量的可见光照度折合成辐射强度（对于1 cm2接收面积，在555 nm时1 mW相当于6 830 Lux，400 nm时相当于2.732 Lux），再加上紫外照度，与功率计测量的总辐射照度基本相等。

光通量：

将表1、表2中数据带入式（1）和式（2）进行计算，紫外光强度占电弧光强度的70%以上，此结果与光谱分析中所得到的强度比例一致，这就证实了紫外光是电弧光的主要组成成分。

2 光纤电弧光传感系统

根据以上实验数据及结论研制了一种基于紫外光的光纤电弧光传感系统，该传感系统由3部分组成，即电弧光探测头、光缆、光电转换单元。其中，光电转换单元可以判别最低光强度为100 μW的电弧光。利用10 mm通光孔径的探头，可以检测120°视角空间中是否有电弧光发出。当有电弧光入射到探头时，光电转换单元会迅速（一般是10 μs以内）给出5 V的脉冲跳闸信号。

该系统通过大口径可靠性极好的POF光纤光缆传递光信号，确保将弧光探头所探测到的弧光信号传给光电转换单元，可靠地把电弧光故障信号转换为电平突变信号。该系统解决了市场上的光纤电弧光检测装置容易受背景光干扰的问题。该弧光探测头能够在1 ms内准确识别电弧光，向保护单元发出电弧光故障指令。而大口径高可靠性POF光缆可长达50 m，确保远离重大电气设备，继而使得保护装置发出可靠的电弧光报警、跳闸指令。

该系统采用故障发生时产生的电弧中的紫外光作为检测信号，和现有的3款成熟的电弧光探测器相比，具有更好的弧光分辨性能，更强的抗可见光干扰能力。在高压大电流的电磁环境下，不会受到电磁干扰，也不会受到闪电和闪络干扰。弧光探测头感光系统将电弧光中的可见光滤除，并将其中的紫外光转换成可见光。经光学转换后的单色可见光通过光缆传递给光电转换单元。光电接收及处理电路如图4所示，图中PD为光电二极管，A1与A2组成两级运放；光电接收器PD将弧光信号转换成电流信号，经R1转换成电压信号；C2是用来检测脉冲信号的原件，控制着整个电路的输出，只有快速变化的光信号可以触发电路输出5 V的电压信号。

图5是该传感头对两种光的透过率对比关系，从图中可以看出，在两种光强度相同的条件下，传感头对紫外的透过率是可见光的10倍；若要两种光的透过率相同，则可见光的强度需要达到紫外光的10倍。这种10倍的关系可以保证电弧光传感系统及设备在环境可见光很强的情况下不产生误动作，从而确保其可靠性。

3 电弧光检测设备的光强度阈值范围

目前采用最多的电弧光保护方案是电流和弧光双判据的保护措施[7-9]。电流保护方面的技术已经非常成熟，然而在弧光保护方面却存在着严重的不一致，即：弧光检测单元的阈值灵敏度没有一个统一的标准作为依据。

由图3可知，在同一电弧光中，对于1～10 mW/cm2的紫外光强度，可见光对应的照度范围是5～20 kLux。这一光强度阈值范围已被国家标准GB/T 14598.302——2016《弧光保护装置技术要求》采用，并涵盖了当今国际上主流的弧光检测系统，包括德国Moller公司的ARCON、ABB公司的ARC Guard System、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等，这些保护系统的弧光检测单元均是采用可见光作为弧光检测的光学成分[10-11]，且其灵敏度阈值整定在8 kLux左右。国内也有多家公司的弧光检测单元采用紫外光作为弧光检测的光学成分的，如南京弘毅电气、南京中凯光电等，这些企业生产的保护系统的弧光检测灵敏度阈值整定在3～8 mW/cm2。

从实验所得到的结论可以知道紫外光和可见光是电弧光的主要成分，实际的弧光保护系统或传感器也大多都是采用其中一种光来检测电弧光的发生。而现实中的电弧光在起弧时，当电流不是很大时（50 A）电弧光的强度即可达到上述的强度范围，因此，上述光强度阈值范围可作为弧光检测设备的灵敏度阈值。

4 电弧光检测设备的标定方法

根据以上实验所得的光强度阈值范围，采用比较标定法对电弧光光学探测单元进行标定和校准。

对于电弧光探测单元的标定，需要制定与实际电弧光光谱及能量分布相同的光源，然后让此光源的强度范围满足上述光强度范围，此强度是用标准仪器标定过的。该光源作为弧光检测元件阈值的标定光源或用此光源开发制作弧光探测器的标定设备。这里给出两种结构：1）通过改变待标定设备和标准仪表到光源的距离来增大或减小两设备所接收光强度的大小；2）是通过改变光源的强度来改变两设备所接收光强度的大小。标定过程中，待测设备即弧光保护装置与标准仪表关于标准光源绝对对称。

表3列出了根据改变光源强度的方法开发的电弧光保护装置弧光检测校验仪对国内几家主流设备生产商开发的保护系统的弧光检测单元测试的结果。启动光强阈值一列表示弧光传感器和标准仪表测量的两个数据，从这几组测试数据可以看出，该方法对弧光传感器标定的误差不超过0.1 mW/cm2或100 Lux，这种准确度足够用来标定电弧光保护系统的弧光检测单元。

5 结束语

本文分析了低压短路和高压电离产生的电弧光的光谱特性，证实了紫外光和可见光是电弧光的主要成分；定量分析了同一电弧光中紫外光和可见光的对应强度，得出电弧光中紫外光的强度占总强度的70%以上这一重要结论，并在此结论的基础上开发了一种新型的基于紫外光检测电弧光的传感系统；此外，给出了两种光的对应强度范围，即：1～10 mW/cm2的紫外光对应5～20 kLux的可见光；利用实验结论，给出了电弧光保护装置的光学灵敏度阈值范围和该范围的实验依据及对弧光探测器灵敏度的标定方法及该方法所开发设备的测试数据。本文具有一定的实际意义，对后续的电弧光保护装置或传感器的研发及标定有着指导作用。

参考文献

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（编辑：莫婕）