劉柱揆，嚴(yán)　躍，耿開勝，丁心志

（1.云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.南京五石金傳感器技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210023；3.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217）

電弧光強(qiáng)度定量分析及其檢測設(shè)備的標(biāo)定方法

劉柱揆1，嚴(yán)躍2，耿開勝2，丁心志3

（1.云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.南京五石金傳感器技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210023；3.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217）

實(shí)驗(yàn)研究低壓（220V/200A）短路電弧和高壓（20kV）電離電弧的光譜及強(qiáng)度特征，證實(shí)電弧光以紫外光和可見光為主要成分。通過定量測量電弧光的強(qiáng)度，得出低壓短路和高壓電離電弧光中紫外光強(qiáng)度占其總強(qiáng)度的70%以上，并基于該結(jié)論利用光學(xué)轉(zhuǎn)換、光電變換原理及脈沖檢測技術(shù)開發(fā)一種新型的紫外電弧光傳感系統(tǒng)。在施加濾光設(shè)備的措施下測量電弧光，得出同一電弧光中1～10mW/cm2的紫外光強(qiáng)度對應(yīng)的可見光照度為5～20kLux，提出利用該強(qiáng)度范圍作為電弧光保護(hù)裝置光學(xué)檢測單元校驗(yàn)標(biāo)定和檢測靈敏度的閾值范圍的觀點(diǎn)。

電弧光；光學(xué)轉(zhuǎn)換；光電變換；脈沖檢測；紫外光檢測；靈敏度閾值

0　引言

電弧光短路可以給小到配電室大到變電站等電力設(shè)備帶來災(zāi)難性的破壞，對電能供應(yīng)造成很大影響。因此，對電弧光短路進(jìn)行理論及實(shí)驗(yàn)研究極為重要。

從20世紀(jì)開始，國內(nèi)外眾多科研單位對電力短路產(chǎn)生的電弧光特性及其保護(hù)措施等做了大量研究工作。美國總統(tǒng)輪船公司（APL）及其合作伙伴較早開展該研究，不僅通過各種級別潛艇的配線盤進(jìn)行了多次電弧光保護(hù)實(shí)驗(yàn)，還對載人航天母艦的電弧光保護(hù)做了研究工作；1978年，美國霍普京斯大學(xué)的科學(xué)家開始和美國海軍一起研究弧光保護(hù)在潛艇上的應(yīng)用；1998年美國海軍在喬治華盛頓號潛艇（USS George Washington）開光柜上安裝了弧光保護(hù)裝置；90年代ABB公司開始研發(fā)弧光保護(hù)產(chǎn)品用于開關(guān)柜的弧光保護(hù)［1］。中國于1995年引進(jìn)第一套弧光保護(hù)裝置并開始弧光保護(hù)的研究［2］。2008年，中國南京五石金傳感技術(shù)有限公司率先采用紫外光作為電弧光的判據(jù)研發(fā)了電弧光檢測裝置［3-4］。

電弧光保護(hù)產(chǎn)品發(fā)展迅速，所采用的保護(hù)措施各種各樣，在電弧光檢測方式上也存在著很大的差異，如利用電弧光中的可見光或紫外光作為檢測目標(biāo)［5-6］，各自能檢測的電弧光的最小強(qiáng)度也不相同；并且，因缺少電弧光強(qiáng)度的定量測量與分析，導(dǎo)致所研發(fā)的電弧光保護(hù)產(chǎn)品對檢測電弧光的靈敏度沒有標(biāo)準(zhǔn)，即缺少對電弧光保護(hù)產(chǎn)品檢測靈敏度閾值標(biāo)定的范圍及方法。

本文在對電弧光進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析了電弧光中紫外光和可見光的相對強(qiáng)度，定量測量了兩者在同一電弧光中的強(qiáng)度比例，開發(fā)了基于紫外光檢測的電弧光傳感系統(tǒng)，提出了電弧光檢測裝置及其保護(hù)裝置的靈敏度閾值范圍和標(biāo)定方法及其可行性分析。

圖1　金屬導(dǎo)體短路時(shí)的電弧光譜圖

1　電弧光強(qiáng)度定量分析

電弧光從其形成角度大致可以分為兩種，即金屬導(dǎo)體短路時(shí)，由于導(dǎo)體燃燒及金屬離子放電發(fā)光和金屬導(dǎo)體在高壓放電時(shí)致使空氣電離發(fā)光。

本文對上述兩種電弧光進(jìn)行了光譜及強(qiáng)度定量分析。在背景光照度小于50 Lux的環(huán)境中，首先檢測電弧焊機(jī)對各種金屬在220 V/200A的情況下短路的電弧光強(qiáng)度，測量距離為50cm；其次，用高壓發(fā)生器產(chǎn)生20kV電壓，并在此電壓下檢測近距離空氣電離發(fā)生電弧光強(qiáng)度，測量距離為30cm。最后，通過電流可調(diào)電弧焊機(jī)在220V/200A條件下，對高純度銅排對電弧焊機(jī)產(chǎn)生的電弧光中各頻段的相對強(qiáng)度定量分析，并在距離電弧光發(fā)生點(diǎn)20 cm處對其發(fā)出的同一電弧光中紫外光和可見光的強(qiáng)度分別用紫外輻射照度計(jì)和可見光照度計(jì)進(jìn)行測量，同時(shí)用寬光譜光功率計(jì)測量了電弧光的總強(qiáng)度。

圖1是銅、鐵、鋁等幾種金屬導(dǎo)體之間在220 V電壓下短路時(shí)產(chǎn)生的電弧光的光譜圖?？煽闯?，金屬導(dǎo)體短路時(shí)電弧光的主要組成部分是紫外光和可見光，此外還有很微弱的紅外光部分。這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體短路時(shí)，金屬離子放電導(dǎo)致發(fā)光，電流流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)發(fā)熱而發(fā)出紅外光，在時(shí)間不長的情況下，紅外光很弱，這里忽略不計(jì)。從光譜曲線還可以看出，在紫外和可見光波段分別有一個(gè)峰值區(qū)域，中心波長大約分別為330nm和530nm；并且，電弧光具有在紫外光波段的能量大于其在可見光波段的能量的趨勢。

圖2　金屬導(dǎo)體高壓近距離時(shí)的電弧光光譜圖

圖2是金屬導(dǎo)體在高壓放電時(shí)致使空氣電離發(fā)出的電弧光的光譜圖?？梢钥闯?，導(dǎo)體在20kV的高壓下致使空氣電離所發(fā)出的電弧光僅紫外光比較明顯，而可見光和紅外光幾乎可以忽略。從強(qiáng)度的角度看，此種情況下的電弧光幾乎不存在可見光和紅外光。此外，出現(xiàn)了3個(gè)峰值波長，前兩條曲線的主峰在330 nm附近，而最后一條的主峰在360 nm附近，但其所呈現(xiàn)出的僅含有紫外光的趨勢是相同的。由此可得出：高壓放電時(shí)產(chǎn)生的電弧光僅有輕微的金屬離子放電現(xiàn)象，故而可見光和紅外光強(qiáng)度非常微弱。

表1　強(qiáng)度測量值（功率計(jì)加紫外濾光片）

表2　強(qiáng)度測量值（功率計(jì)未加紫外濾光片）

圖3　同一電弧光中紫外和可見光強(qiáng)度對比

表1、表2與圖3是對導(dǎo)體短路時(shí)的電弧光強(qiáng)度定量分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，電弧光中紫外光（UV）和可見光（Vis）的強(qiáng)度及其總強(qiáng)度（Total）變化趨勢一致，即電弧越強(qiáng)時(shí)，各自的強(qiáng)度越大。

通過多次對電弧光的強(qiáng)度測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在寬光譜功率計(jì)探頭上添加紫外光濾光片時(shí)，紫外輻射照度計(jì)所測量的紫外光強(qiáng)度值與功率計(jì)透過紫外光濾光片測量到的紫外光的強(qiáng)度幾乎相同，如圖3（a）所示，紫外強(qiáng)度曲線（UV）和功率計(jì)值曲線（Total）基本上重合。由于可見光照度計(jì)測量的是輻射照度經(jīng)過加乘視見函數(shù)因子轉(zhuǎn)化得到，因此要比其他兩種值大得多。

圖3（b）是在功率計(jì)沒有安裝紫外光濾光片時(shí)的測量結(jié)果。由圖中曲線可以看出，隨時(shí)間增加，各種測量值呈上升趨勢，這一點(diǎn)與功率計(jì)安裝紫外濾光片時(shí)相同，而可見光照度仍遠(yuǎn)大于另外兩種測量值。用式（1）和式（2）粗略計(jì)算可知，每一次測量的可見光照度折合成輻射強(qiáng)度（對于1 cm2接收面積，在555nm時(shí)1mW相當(dāng)于6830Lux，400 nm時(shí)相當(dāng)于2.732Lux），再加上紫外照度，與功率計(jì)測量的總輻射照度基本相等。

光通量：

光照度：

式中：Km——常數(shù)，683.1；

Φe（λ）——發(fā)光體的輻射通量；

V（λ）——光譜光視效率，即視見函數(shù)，其值在0～1之間；

A——光接收面的面積。

將表1、表2中數(shù)據(jù)帶入式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，紫外光強(qiáng)度占電弧光強(qiáng)度的70%以上，此結(jié)果與光譜分析中所得到的強(qiáng)度比例一致，這就證實(shí)了紫外光是電弧光的主要組成成分。

2　光纖電弧光傳感系統(tǒng)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論研制了一種基于紫外光的光纖電弧光傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)由3部分組成，即電弧光探測頭、光纜、光電轉(zhuǎn)換單元。其中，光電轉(zhuǎn)換單元可以判別最低光強(qiáng)度為100 μW的電弧光。利用10 mm通光孔徑的探頭，可以檢測120°視角空間中是否有電弧光發(fā)出。當(dāng)有電弧光入射到探頭時(shí)，光電轉(zhuǎn)換單元會(huì)迅速（一般是10 μs以內(nèi)）給出5 V的脈沖跳閘信號。

該系統(tǒng)通過大口徑可靠性極好的POF光纖光纜傳遞光信號，確保將弧光探頭所探測到的弧光信號傳給光電轉(zhuǎn)換單元，可靠地把電弧光故障信號轉(zhuǎn)換為電平突變信號。該系統(tǒng)解決了市場上的光纖電弧光檢測裝置容易受背景光干擾的問題。該弧光探測頭能夠在1ms內(nèi)準(zhǔn)確識別電弧光，向保護(hù)單元發(fā)出電弧光故障指令。而大口徑高可靠性POF光纜可長達(dá)50m，確保遠(yuǎn)離重大電氣設(shè)備，繼而使得保護(hù)裝置發(fā)出可靠的電弧光報(bào)警、跳閘指令。

該系統(tǒng)采用故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電弧中的紫外光作為檢測信號，和現(xiàn)有的3款成熟的電弧光探測器相比，具有更好的弧光分辨性能，更強(qiáng)的抗可見光干擾能力。在高壓大電流的電磁環(huán)境下，不會(huì)受到電磁干擾，也不會(huì)受到閃電和閃絡(luò)干擾。弧光探測頭感光系統(tǒng)將電弧光中的可見光濾除，并將其中的紫外光轉(zhuǎn)換成可見光。經(jīng)光學(xué)轉(zhuǎn)換后的單色可見光通過光纜傳遞給光電轉(zhuǎn)換單元。光電接收及處理電路如圖4所示，圖中PD為光電二極管，A1與A2組成兩級運(yùn)放；光電接收器PD將弧光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)R1轉(zhuǎn)換成電壓信號；C2是用來檢測脈沖信號的原件，控制著整個(gè)電路的輸出，只有快速變化的光信號可以觸發(fā)電路輸出5V的電壓信號。

圖4　 光電轉(zhuǎn)換電路

圖5是該傳感頭對兩種光的透過率對比關(guān)系，從圖中可以看出，在兩種光強(qiáng)度相同的條件下，傳感頭對紫外的透過率是可見光的10倍；若要兩種光的透過率相同，則可見光的強(qiáng)度需要達(dá)到紫外光的10倍。這種10倍的關(guān)系可以保證電弧光傳感系統(tǒng)及設(shè)備在環(huán)境可見光很強(qiáng)的情況下不產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而確保其可靠性。

圖5　傳感系統(tǒng)傳感頭對紫外和可見光的透過率對比關(guān)系

3　電弧光檢測設(shè)備的光強(qiáng)度閾值范圍

目前采用最多的電弧光保護(hù)方案是電流和弧光雙判據(jù)的保護(hù)措施［7-9］。電流保護(hù)方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，然而在弧光保護(hù)方面卻存在著嚴(yán)重的不一致，即：弧光檢測單元的閾值靈敏度沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)。

由圖3可知，在同一電弧光中，對于1～10mW/cm2的紫外光強(qiáng)度，可見光對應(yīng)的照度范圍是5～20kLux。這一光強(qiáng)度閾值范圍已被國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14598.302——2016《弧光保護(hù)裝置技術(shù)要求》采用，并涵蓋了當(dāng)今國際上主流的弧光檢測系統(tǒng)，包括德國Moller公司的ARCON、ABB公司的ARC Guard System、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統(tǒng)等，這些保護(hù)系統(tǒng)的弧光檢測單元均是采用可見光作為弧光檢測的光學(xué)成分［10-11］，且其靈敏度閾值整定在8kLux左右。國內(nèi)也有多家公司的弧光檢測單元采用紫外光作為弧光檢測的光學(xué)成分的，如南京弘毅電氣、南京中凱光電等，這些企業(yè)生產(chǎn)的保護(hù)系統(tǒng)的弧光檢測靈敏度閾值整定在3～8mW/cm2。

從實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論可以知道紫外光和可見光是電弧光的主要成分，實(shí)際的弧光保護(hù)系統(tǒng)或傳感器也大多都是采用其中一種光來檢測電弧光的發(fā)生。而現(xiàn)實(shí)中的電弧光在起弧時(shí)，當(dāng)電流不是很大時(shí)（50A）電弧光的強(qiáng)度即可達(dá)到上述的強(qiáng)度范圍，因此，上述光強(qiáng)度閾值范圍可作為弧光檢測設(shè)備的靈敏度閾值。

4　電弧光檢測設(shè)備的標(biāo)定方法

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)所得的光強(qiáng)度閾值范圍，采用比較標(biāo)定法對電弧光光學(xué)探測單元進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。

對于電弧光探測單元的標(biāo)定，需要制定與實(shí)際電弧光光譜及能量分布相同的光源，然后讓此光源的強(qiáng)度范圍滿足上述光強(qiáng)度范圍，此強(qiáng)度是用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)定過的。該光源作為弧光檢測元件閾值的標(biāo)定光源或用此光源開發(fā)制作弧光探測器的標(biāo)定設(shè)備。這里給出兩種結(jié)構(gòu)：1）通過改變待標(biāo)定設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)儀表到光源的距離來增大或減小兩設(shè)備所接收光強(qiáng)度的大?。?）是通過改變光源的強(qiáng)度來改變兩設(shè)備所接收光強(qiáng)度的大小。標(biāo)定過程中，待測設(shè)備即弧光保護(hù)裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀表關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)光源絕對對稱。

表3列出了根據(jù)改變光源強(qiáng)度的方法開發(fā)的電弧光保護(hù)裝置弧光檢測校驗(yàn)儀對國內(nèi)幾家主流設(shè)備生產(chǎn)商開發(fā)的保護(hù)系統(tǒng)的弧光檢測單元測試的結(jié)果。啟動(dòng)光強(qiáng)閾值一列表示弧光傳感器和標(biāo)準(zhǔn)儀表測量的兩個(gè)數(shù)據(jù)，從這幾組測試數(shù)據(jù)可以看出，該方法對弧光傳感器標(biāo)定的誤差不超過0.1 mW/cm2或100 Lux，這種準(zhǔn)確度足夠用來標(biāo)定電弧光保護(hù)系統(tǒng)的弧光檢測單元。

表3　主流保護(hù)系統(tǒng)的光強(qiáng)度閾值

5　結(jié)束語

本文分析了低壓短路和高壓電離產(chǎn)生的電弧光的光譜特性，證實(shí)了紫外光和可見光是電弧光的主要成分；定量分析了同一電弧光中紫外光和可見光的對應(yīng)強(qiáng)度，得出電弧光中紫外光的強(qiáng)度占總強(qiáng)度的70%以上這一重要結(jié)論，并在此結(jié)論的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型的基于紫外光檢測電弧光的傳感系統(tǒng)；此外，給出了兩種光的對應(yīng)強(qiáng)度范圍，即：1～10mW/cm2的紫外光對應(yīng)5～20kLux的可見光；利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論，給出了電弧光保護(hù)裝置的光學(xué)靈敏度閾值范圍和該范圍的實(shí)驗(yàn)依據(jù)及對弧光探測器靈敏度的標(biāo)定方法及該方法所開發(fā)設(shè)備的測試數(shù)據(jù)。本文具有一定的實(shí)際意義，對后續(xù)的電弧光保護(hù)裝置或傳感器的研發(fā)及標(biāo)定有著指導(dǎo)作用。

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（編輯：莫婕）

Quantitative analysis of arc light intensity and calibration method of its detector

LIU Zhukui1，YAN Yue2，GENG Kaisheng2，DING Xinzhi3
（1.Yunnan Power Grid Corporation Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.Nanjing Five Stone Golden Sensing Limited Company，Nanjing 210023，China；3.Electric Power Measurement Key Laboratory of China Southern Power Grid Corporation，Kunming 650217，China）

The characteristics of arc light with ultraviolet and visible light as the main ingredients are verified by studying the spectrum and intensity features of low voltage（220 V/200 A）short circuit arc and high pressure（20 kV）ionization arc by experimental method.The result that the ratio of ultraviolet intensity in either low voltage arc or high pressure ionization arc to the total is 70%is worked out in quantative measurement of arc light intensity，and a new ultraviolet arc light sensing system isdevelopedby using opticalconversionandphoto-electricconversion principles and impulse detection technology based on the result.By applying optical filter in arc intensity measurement，5-20 kLux visual light intensity corresponding to 1-10 mW/cm2ultraviolet intensity in the identical arc is provided.The idea that using the intensity range as the range for calibrating the optical detecting unit of arc light protection apparatus and detecting the sensitivity threshold is proposed.

arclight；opticalconversion；photo-electricconversion；impulsedetection；UV detection；sensitivity threshold

A

1674-5124（2016）08-0083-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.017

2015-10-23；

2015-11-16

劉柱揆（1974-），男，高級工程師，主要從事弧光保護(hù)和配網(wǎng)方面的生產(chǎn)和科研工作。