當(dāng)斷路開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲和斷路器等控制、保護(hù)并隔離電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的功能發(fā)生故障時(shí)，有可能會(huì)危及整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，以及使用相同電源的設(shè)備和鄰近人員，對(duì)于短路更是如此。

　　兩種經(jīng)常面臨的短路類(lèi)型分別為金屬接觸短路和電弧短路，其中后者的危險(xiǎn)性最高，如果沒(méi)有及時(shí)檢出并進(jìn)行響應(yīng)，電弧可能引起火災(zāi)，造成設(shè)備的損壞，甚至帶來(lái)實(shí)際的傷害，典型的破壞包括導(dǎo)線過(guò)熱和鋁接點(diǎn)熔毀，甚至溢出有毒氣體，過(guò)熱也可能帶來(lái)壓力升高的危險(xiǎn)，甚至造成配電盤(pán)爆炸。

　　配電盤(pán)中使用的保護(hù)方法有幾種，包括快速母線保護(hù)、后備過(guò)電流保護(hù)和電弧閃光保護(hù)等，快速母線保護(hù)僅限于高電壓配電盤(pán)，后備過(guò)電流保護(hù)則需要耗費(fèi)太多時(shí)間切換斷路器，因此在低電壓和中級(jí)電壓配電盤(pán)中需要一個(gè)較為快速的檢測(cè)系統(tǒng)。

　　響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵

　　電弧可以在數(shù)毫秒(ms)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并造成破壞，如果沒(méi)有及時(shí)啟動(dòng)斷路器則可能會(huì)造成巨大的損失，請(qǐng)參考圖1。電弧意外造成的損失結(jié)果基本上直接相關(guān)于流經(jīng)短路路徑的電流大小和時(shí)間長(zhǎng)度，然而在這兩個(gè)參數(shù)中，時(shí)間長(zhǎng)度是較為關(guān)鍵的因素，因此，要最大限度的提供保護(hù)，無(wú)論是電弧閃光檢測(cè)器或者是整個(gè)配電盤(pán)系統(tǒng)都必須具有快速的響應(yīng)時(shí)間。

　　圖1：電弧時(shí)間和可能造成傷害的相對(duì)關(guān)系圖

　　電弧閃光檢測(cè)方法

　　電弧故障瞬間會(huì)釋放出大量的輻射能量，包括光能和熱能，由電弧產(chǎn)生的光強(qiáng)度會(huì)比正常的環(huán)境光高上數(shù)千倍，電弧閃光檢測(cè)繼電器利用這個(gè)現(xiàn)象來(lái)達(dá)到快速的響應(yīng)時(shí)間，因此相較于傳統(tǒng)繼電器可以提供大幅度提高的破壞保護(hù)，因此電弧閃光檢測(cè)已經(jīng)成為所有配電盤(pán)的關(guān)鍵要求，然而，光只是電弧閃光發(fā)生的許多個(gè)指標(biāo)之一。

　　電弧會(huì)大幅度提高光度、壓力、熱度、電流甚至聲音，而這些都可以在配電盤(pán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)，雖然光的檢測(cè)可能是最簡(jiǎn)單和最快速的方法，但許多系統(tǒng)會(huì)同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)甚至三個(gè)或更多參數(shù)的組合，如光、電流和聲音。雖然后者更加全面，但這個(gè)方法的額外成本和復(fù)雜性可以避免，其中最為有效、成本最低并且最常受到采用的方法結(jié)合了光和電流的檢測(cè)，目前這個(gè)方法已經(jīng)快速成為實(shí)現(xiàn)可靠電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)的解決方案選擇。

　　電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)

　　包含光和電流檢測(cè)器的電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)主要零組件為電弧監(jiān)測(cè)單元、控制單元、光檢測(cè)器、電流檢測(cè)器和電流互感器，控制單元由高靈敏度光檢測(cè)器和前方的電流互感器接收信號(hào)，使得它能夠快速?zèng)Q定是否觸發(fā)斷路器，非常明顯地，這個(gè)信號(hào)處理程序必須快速并且可靠以便把危險(xiǎn)性和破壞降至最低，也因此，光纖">光纖所具備的速度和抗電磁干擾(EMI)能力使得它成為這類(lèi)環(huán)境中電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)的完美媒介。

圖2：常見(jiàn)的電弧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

　　光檢測(cè)器單元包含一個(gè)光發(fā)射器和接收器、以裸光纖環(huán)形式存在的光傳感器和光纖電纜，其中光傳感器采集閃光并通過(guò)光纖電纜傳送到光接收器，接著把光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在電弧閃光發(fā)生時(shí)通知控制系統(tǒng)。在這類(lèi)系統(tǒng)中常用的光傳感器有兩種形式，分別為定點(diǎn)傳感器和環(huán)路傳感器，定點(diǎn)傳感器使用了光傳感器和光接收器來(lái)檢測(cè)特定區(qū)域的光線，而環(huán)路傳感器則使用特別安排遍及設(shè)備的裸光纖環(huán)，請(qǐng)參考圖3。

圖3：環(huán)路傳感器

　　[圖說(shuō)]

　　emitter = 發(fā)射器

　　detector = 接收器

　　Jacketed fiber, two fibers = 內(nèi)含兩條光纖的套層光纖

　　Bare fiber = 裸光纖

　　loop sensor = 環(huán)路傳感器

　　相較于定點(diǎn)傳感器，環(huán)路傳感器技術(shù)提供了幾個(gè)好處，首先它可以大幅度降低安裝的成本，單一光纖傳感器可能長(zhǎng)達(dá)200英尺，可以覆蓋大約相同于傳統(tǒng)母線差分保護(hù)的保護(hù)區(qū)域，但成本卻比定點(diǎn)感測(cè)器低了許多，其次，環(huán)路形式可以消除內(nèi)部結(jié)構(gòu)陰影可能屏蔽直接暴露于電弧閃光的問(wèn)題，最后，如果光傳感器采用環(huán)路配置形式，就可提供傳感器完整性和連續(xù)性的定期自我檢查，并在檢測(cè)到問(wèn)題時(shí)發(fā)出警告。

　　波長(zhǎng)和照明

　　一般來(lái)說(shuō)，電弧閃光的波長(zhǎng)范圍為300-1500nm的復(fù)合光波，因此，我們可以使用650nm或850nm的光纖接收器來(lái)檢測(cè)電弧閃光，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍可以使用的兩種不同形式光纖分別為塑料光纖(POF, Plastic Optical Fiber)和多模玻璃光纖(Multimode Glass Fiber)。

　　因?yàn)樵谶@個(gè)波長(zhǎng)擁有最低的衰減，因此塑料光纖(POF)最適合650nm波長(zhǎng)，相較于其他光纖形式，塑料光纖的成本最低并且更易于安裝，多模玻璃光纖則在820nm時(shí)具有比塑料光纖在650nm更低的衰減。

表1：不同的光源和照明

　　表1列出了多種不同光源的照明能力，電弧閃光照明通常由5K到50K lux，因此非常容易分辨電弧閃光和環(huán)境光。

　　安華高科技(Avago Technologies)公司提供有許多光纖相關(guān)產(chǎn)品，包括發(fā)射器和接收器，波長(zhǎng)分別為650nm、820nm和1300nm，其中最適合電弧閃光檢測(cè)器應(yīng)用的為無(wú)連接器通用鏈路(Versatile Link)系列和微型鏈路(Miniature Link)系列，這些產(chǎn)品提供的線性度、良好靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間非常適合電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

　　總結(jié)

　　短路為配電盤(pán)中最常見(jiàn)的故障之一，如果配電盤(pán)沒(méi)有配備檢測(cè)和保護(hù)能力，那么付出的代價(jià)就可能會(huì)大幅高于金錢(qián)損失甚至造成人員傷亡，因此，無(wú)可避免地必須要確保每個(gè)系統(tǒng)能夠盡快檢出故障以避免災(zāi)害，無(wú)論在成本或性能上，本文所提供的電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)是目前最有效的檢測(cè)方法之一，而光纖相關(guān)零組件則帶來(lái)了建立電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)最簡(jiǎn)單也最可靠的解決方案。