電弧光強度定量分析及其檢測設備的標定方法

劉柱揆，嚴　躍，耿開勝，丁心志

（1.云南電網電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.南京五石金傳感器技術有限公司，江蘇 南京 210023；3.中國南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217）

電弧光強度定量分析及其檢測設備的標定方法

劉柱揆1，嚴躍2，耿開勝2，丁心志3

（1.云南電網電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.南京五石金傳感器技術有限公司，江蘇 南京 210023；3.中國南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217）

實驗研究低壓（220V/200A）短路電弧和高壓（20kV）電離電弧的光譜及強度特征，證實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度，得出低壓短路和高壓電離電弧光中紫外光強度占其總強度的70%以上，并基于該結論利用光學轉換、光電變換原理及脈沖檢測技術開發一種新型的紫外電弧光傳感系統。在施加濾光設備的措施下測量電弧光，得出同一電弧光中1～10mW/cm2的紫外光強度對應的可見光照度為5～20kLux，提出利用該強度范圍作為電弧光保護裝置光學檢測單元校驗標定和檢測靈敏度的閾值范圍的觀點。

電弧光；光學轉換；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備帶來災難性的破壞，對電能供應造成很大影響。因此，對電弧光短路進行理論及實驗研究極為重要。

從20世紀開始，國內外眾多科研單位對電力短路產生的電弧光特性及其保護措施等做了大量研究工作。美國總統輪船公司（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行了多次電弧光保護實驗，還對載人航天母艦的電弧光保護做了研究工作；1978年，美國霍普京斯大學的科學家開始和美國海軍一起研究弧光保護在潛艇上的應用；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裝置；90年代ABB公司開始研發弧光保護產品用于開關柜的弧光保護［1］。中國于1995年引進第一套弧光保護裝置并開始弧光保護的研究［2］。2008年，中國南京五石金傳感技術有限公司率先采用紫外光作為電弧光的判據研發了電弧光檢測裝置［3-4］。

電弧光保護產品發展迅速，所采用的保護措施各種各樣，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［5-6］，各自能檢測的電弧光的最小強度也不相同；并且，因缺少電弧光強度的定量測量與分析，導致所研發的電弧光保護產品對檢測電弧光的靈敏度沒有標準，即缺少對電弧光保護產品檢測靈敏度閾值標定的范圍及方法。

本文在對電弧光進行大量的實驗研究的基礎上，分析了電弧光中紫外光和可見光的相對強度，定量測量了兩者在同一電弧光中的強度比例，開發了基于紫外光檢測的電弧光傳感系統，提出了電弧光檢測裝置及其保護裝置的靈敏度閾值范圍和標定方法及其可行性分析。

圖1　金屬導體短路時的電弧光譜圖

1　電弧光強度定量分析

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

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

圖1是銅、鐵、鋁等幾種金屬導體之間在220 V電壓下短路時產生的電弧光的光譜圖。可看出，金屬導體短路時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。這是因為金屬導體短路時，金屬離子放電導致發光，電流流過導體時會發熱而發出紅外光，在時間不長的情況下，紅外光很弱，這里忽略不計。從光譜曲線還可以看出，在紫外和可見光波段分別有一個峰值區域，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　金屬導體高壓近距離時的電弧光光譜圖

圖2是金屬導體在高壓放電時致使空氣電離發出的電弧光的光譜圖。可以看出，導體在20kV的高壓下致使空氣電離所發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，出現了3個峰值波長，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：高壓放電時產生的電弧光僅有輕微的金屬離子放電現象，故而可見光和紅外光強度非常微弱。

表1　強度測量值（功率計加紫外濾光片）

表2　強度測量值（功率計未加紫外濾光片）

圖3　同一電弧光中紫外和可見光強度對比

表1、表2與圖3是對導體短路時的電弧光強度定量分析的實驗結果，可以看出，電弧光中紫外光（UV）和可見光（Vis）的強度及其總強度（Total）變化趨勢一致，即電弧越強時，各自的強度越大。

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

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

光通量：

光照度：

式中：Km——常數，683.1；

Φe（λ）——發光體的輻射通量；

V（λ）——光譜光視效率，即視見函數，其值在0～1之間；

A——光接收面的面積。

將表1、表2中數據帶入式（1）和式（2）進行計算，紫外光強度占電弧光強度的70%以上，此結果與光譜分析中所得到的強度比例一致，這就證實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

根據以上實驗數據及結論研制了一種基于紫外光的光纖電弧光傳感系統，該傳感系統由3部分組成，即電弧光探測頭、光纜、光電轉換單元。其中，光電轉換單元可以判別最低光強度為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出。當有電弧光入射到探頭時，光電轉換單元會迅速（一般是10 μs以內）給出5 V的脈沖跳閘信號。

該系統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換單元，可靠地把電弧光故障信號轉換為電平突變信號。該系統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內準確識別電弧光，向保護單元發出電弧光故障指令。而大口徑高可靠性POF光纜可長達50m，確保遠離重大電氣設備，繼而使得保護裝置發出可靠的電弧光報警、跳閘指令。

該系統采用故障發生時產生的電弧中的紫外光作為檢測信號，和現有的3款成熟的電弧光探測器相比，具有更好的弧光分辨性能，更強的抗可見光干擾能力。在高壓大電流的電磁環境下，不會受到電磁干擾，也不會受到閃電和閃絡干擾。弧光探測頭感光系統將電弧光中的可見光濾除，并將其中的紫外光轉換成可見光。經光學轉換后的單色可見光通過光纜傳遞給光電轉換單元。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組成兩級運放；光電接收器PD將弧光信號轉換成電流信號，經R1轉換成電壓信號；C2是用來檢測脈沖信號的原件，控制著整個電路的輸出，只有快速變化的光信號可以觸發電路輸出5V的電壓信號。

圖4　 光電轉換電路

圖5是該傳感頭對兩種光的透過率對比關系，從圖中可以看出，在兩種光強度相同的條件下，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，則可見光的強度需要達到紫外光的10倍。這種10倍的關系可以保證電弧光傳感系統及設備在環境可見光很強的情況下不產生誤動作，從而確保其可靠性。

圖5　傳感系統傳感頭對紫外和可見光的透過率對比關系

3　電弧光檢測設備的光強度閾值范圍

目前采用最多的電弧光保護方案是電流和弧光雙判據的保護措施［7-9］。電流保護方面的技術已經非常成熟，然而在弧光保護方面卻存在著嚴重的不一致，即：弧光檢測單元的閾值靈敏度沒有一個統一的標準作為依據。

由圖3可知，在同一電弧光中，對于1～10mW/cm2的紫外光強度，可見光對應的照度范圍是5～20kLux。這一光強度閾值范圍已被國家標準GB/T 14598.302——2016《弧光保護裝置技術要求》采用，并涵蓋了當今國際上主流的弧光檢測系統，包括德國Moller公司的ARCON、ABB公司的ARC Guard System、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統等，這些保護系統的弧光檢測單元均是采用可見光作為弧光檢測的光學成分［10-11］，且其靈敏度閾值整定在8kLux左右。國內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成分的，如南京弘毅電氣、南京中凱光電等，這些企業生產的保護系統的弧光檢測靈敏度閾值整定在3～8mW/cm2。

從實驗所得到的結論可以知道紫外光和可見光是電弧光的主要成分，實際的弧光保護系統或傳感器也大多都是采用其中一種光來檢測電弧光的發生。而現實中的電弧光在起弧時，當電流不是很大時（50A）電弧光的強度即可達到上述的強度范圍，因此，上述光強度閾值范圍可作為弧光檢測設備的靈敏度閾值。

4　電弧光檢測設備的標定方法

根據以上實驗所得的光強度閾值范圍，采用比較標定法對電弧光光學探測單元進行標定和校準。

對于電弧光探測單元的標定，需要制定與實際電弧光光譜及能量分布相同的光源，然后讓此光源的強度范圍滿足上述光強度范圍，此強度是用標準儀器標定過的。該光源作為弧光檢測元件閾值的標定光源或用此光源開發制作弧光探測器的標定設備。這里給出兩種結構：1）通過改變待標定設備和標準儀表到光源的距離來增大或減小兩設備所接收光強度的大小；2）是通過改變光源的強度來改變兩設備所接收光強度的大小。標定過程中，待測設備即弧光保護裝置與標準儀表關于標準光源絕對對稱。

表3列出了根據改變光源強度的方法開發的電弧光保護裝置弧光檢測校驗儀對國內幾家主流設備生產商開發的保護系統的弧光檢測單元測試的結果。啟動光強閾值一列表示弧光傳感器和標準儀表測量的兩個數據，從這幾組測試數據可以看出，該方法對弧光傳感器標定的誤差不超過0.1 mW/cm2或100 Lux，這種準確度足夠用來標定電弧光保護系統的弧光檢測單元。

表3　主流保護系統的光強度閾值

5　結束語

本文分析了低壓短路和高壓電離產生的電弧光的光譜特性，證實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強度，得出電弧光中紫外光的強度占總強度的70%以上這一重要結論，并在此結論的基礎上開發了一種新型的基于紫外光檢測電弧光的傳感系統；此外，給出了兩種光的對應強度范圍，即：1～10mW/cm2的紫外光對應5～20kLux的可見光；利用實驗結論，給出了電弧光保護裝置的光學靈敏度閾值范圍和該范圍的實驗依據及對弧光探測器靈敏度的標定方法及該方法所開發設備的測試數據。本文具有一定的實際意義，對后續的電弧光保護裝置或傳感器的研發及標定有著指導作用。

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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，主要從事弧光保護和配網方面的生產和科研工作。