电气工程学报, 2015, 10(5): 75-81 doi:

工程技术

电弧光光谱成分特性及其应用分析

丁心志1,2, 刘柱揆2, 严跃3, 耿开胜3

1.中国南方电网公司电能计量重点实验室 昆明 650217

2.云南电网电力科学研究院 昆明 650217

3.南京五石金传感器技术有限公司 南京 210042

Analysis of Characteristics and Application for Arc Spectral Components

Ding Xinzhi1,2, Liu Zhukui2, Yan Yue3, Geng Kaisheng3

1.China Southern Power Grid Corporation Electric Power Measurement Key Laboratory Kunming 650217 China

2.Yunnan Power Grid Corporation Electric Power Research Institute Kunming 650217 China

3.Nanjing Five Stone Golden Sensing Limited Company Nanjing 210042 China

责任编辑: 崔文静

收稿日期: 2014-11-3   网络出版日期: 2015-05-25

Received: 2014-11-3   Online: 2015-05-25

作者简介 About authors

丁心志 男 1981年生,高级工程师,主要从事弧光保护方面的生产和科研工作。

刘柱揆 男 1972年生,高级工程师,主要从事弧光保护方面的管理工作。

摘要

分析了检测电弧故障的几种主要方法单一使用的劣势,阐释了科学衡量电弧光强度的方法。基于实验详细分析了电弧光的光谱组成成分及各成分在电弧光中的相对强度。分别给出了220V/200A和20kV条件下金属导体短路和高压电离时的电弧光光谱结构。在220V/200A的条件下,对于金属导体短路时的电弧光而言,大约有60%~70%的电弧光强度处于250~380nm的紫外光波段,而20kV的高电压下,由于空气受激发而电离产生的电弧光中有近90%的强度来自300~380nm的紫外光。通过分析电弧光光谱的特征,给出了电弧光以紫外光为主的重要特点及其在电力系统故障保护方面的应用前景。

关键词： 电弧光 ; 光谱 ; 紫外光 ; 辐射照度 ; 弧光保护

Abstract

The disadvantages of several mainstream approach for detecting arc in single use only are analyzed, and the method for evaluating the intensity of arc scientifically is elucidated. Arc spectral structure of metallic conductor short circuit and ionization under high voltage in the case of 220V/200A and 20kV are provided respectively. The spectral components of the arc and the relative intensity of each component in the arc are analyzed in detail based on experimentation. Under the condition of 220V/200A, for the arc produced by short circuit of metallic conductor, intensity coming from ultra-violet (UV) light(250~380nm) is up to 60%~70% approximately, while in the case of 20KV, the intensity about 90% coming from UV light(300~380nm) in the arc formed by air ionization between two conductor. Finally, the significant characteristic that UV light is the primary component in the arc worked out by analyzing arc’s traits and the promising of its application in power system fault protection is predicted.

Keywords： Arc ; spectral ; ultra-violet light ; radiation illumination ; arc protection

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本文引用格式

丁心志, 刘柱揆, 严跃, 耿开胜. 电弧光光谱成分特性及其应用分析. 电气工程学报[J], 2015, 10(5): 75-81 doi:

Ding Xinzhi. Analysis of Characteristics and Application for Arc Spectral Components. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(5): 75-81 doi:

1 引言

近年来,电力及其传输等行业发展迅速,众多设备及供电设施需要通过母线来传输电能,这些设备及母线在电力传输中由于表面污损及松动等现象不可避免地会产生诸如短路等故障[1],由短路或高压电离而发的光即是电弧光。电弧光发生时具有发光、发热等现象。美国总统轮船公司（APL）与军舰工程中心（NAVSEC）在20世纪80~90年代对配电盘的弧光故障检测（AFD）进行了大量研究工作,从理论和试验的角度验证了使用宽带热电堆探测器检测电弧光、热电偶探测电弧温度、压力传感器测量电弧压强、检测电弧声音及电弧射频信号检测等方法的缺陷,同时,APL也利用很多不同的红外探测器进行安装测试,最后证实了通过光学传感器进行电弧光信号检测的可靠性[2]。随后,国内一些厂家在此基础上开发了对应的电弧光保护系统。2008年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传感器,该传感器通过光学探头仅接受电弧光中的紫外光,然后经光纤传输至弧光保护系统,具有速度快、可靠性高等特点[3,4]。

电弧光发出的大量光能量、热能量及冲击力会伤及人类的众多器官,并会对电力设备、传输线路造成毁灭性破坏。在对电弧光的研究中,APL等在电弧光故障检测及保护等方面做了大量的工作;蔡彬等[5]研发了弧光传感器并比较分析了内部故障电弧与干扰光源强度的关系;汪金刚等[6]利用电晕放电的光谱分析了紫外光电弧检测原理及应用;柳刚等[7]通过实验研究给出了电弧焊的光谱,但他们都没有给出故障电极产生的电弧光的真实光谱特性。故障电弧光的光谱特性对于研究基于光学探测电力故障的电弧光检测保护装置有着重要意义。

本文在分析电弧光检测方式的基础上,阐释光学量的应用范围及其合理的表示单位,并通过实验数据对电弧光光谱成分进行分析,最后论述电弧光的光谱特性及其应用前景。

2 弧光检测及其发展方向

故障电弧对电力设备及维修人员的危害近年来越发凸显,有效可靠地检测故障电弧并加以保护至关重要,首先要有可靠性极高的检测方法。

2.1 超声波及电压检测法

由于开关柜及母线等电力设备发生电弧故障时会伴随有能量强大的超声波,采用将超声信号转换成电信号的超声波换能器——压电传感器,再通过放大、滤波等处理方法,可以有效地检测故障电弧[8]。这种方式使用的频率范围在20~200kHz,而低频的机械振动及高频的电磁辐射很容易对超声信号干扰,同时,超声波随距离增大的衰减十分厉害,且超声波产生时电弧已经相当强大,因此,超声波检测法不是故障电弧可靠的检测方法。

利用电弧故障时电路的电压在零区会有突变这一特性,可用于电弧电压波形识别[9]。但电弧故障时其电压波形极为复杂,不像电流的正弦波形利于分析。电弧电压波形处理起来易受电网负载、母线辐射波等因素的影响,判别故障电弧的准确度不高。

2.2 压力检测法

发生电弧光故障时,开关柜等封闭的保护柜体会受到巨大的冲击力,柜体由于承受不了电弧压力的冲击进而发生爆炸。电弧故障时所产生的压力在1s内可达上升到8 000Pa左右[2],故而可以利用故障电弧产生的压力对其进行检测,压力传感器可将电弧冲击力转换成利于识别的信号。然而,压力传感器缺乏足够的灵敏度、反应时间及稳定性。

2.3 光学电流检测法

电弧故障时电流会有明显的变化,且会发光,所发出的光现象就目前来说是其最为明显的物理特性,可以说弧光是伴随着电弧故障发生或消失的,具有同时发生同时消失的特点。利用光学的手段对电弧光故障进行检测也是目前电弧光保护装置发展的方向,国内外众多电弧光保护产品厂商均已采用可见光对电弧光进行检测,如ABB、VAMP、RIZNER及MOELLER等知名厂商,但是,可见光检测很容易受到环境光的干扰,这是众所周知的。相反,紫外光检测可有效避免环境光的干扰。然而,单凭光学一种方法来检测电弧故障,可靠性没有理论上高。当然,采用分光或滤光的方式可以提高光学检测电弧故障的可靠性,再加上电流检测组成双判据,故障电弧检测的可靠性便可得到大大的提高,这种弧光加电流的双判据也是目前故障电弧检测的主要方式。

2.4 电弧检测发展方向

电弧光保护的单判据方式由于缺乏一定的可靠性,已经逐渐被各大弧光保护厂家弃用,进而取代的是多判据,多判据方式包括弧光电流、弧声电流和弧光温度等的双判据及弧光弧声压力、弧光电流温度等三判据,甚至声、光、压力和电流四判据的检测方式[10]。

为了提高弧光检测的可靠性,基于更多判据的弧光检测技术将逐渐成为电弧检测技术的主流方法,利用多信息融合的数学算法[11]以提高检测的可靠度,防止因某些假象满足少判据的要求而误动作,进而影响供电系统的稳定性及可靠性。

3 光学量阐释

对于光学检测电弧光的方式而言,无论是采用可见光还是紫外光,都必须有一个统一的衡量单位,以用来对检测设备统一衡量。然而,随着电弧光检测技术的改进,目前已有采用紫外光作为检测依据来检测电弧光的设备[6,12],并且这种方式极有可能成为检测电弧光的光学方式中最主要的方式,这就有必要将光学检测技术的衡量单位进行统一。

通常所说的关于光的测量的光学量——照度是光度学的范畴,单位为勒克斯（lx）,其中引入了人眼睛的视见函数V(λ),严格上是指可见光波段的,它是从辐射度学中分离出来的专门用于可见光的衡量标准,是从主观的角度去衡量的。“光通量”是通过辐射通量与相应的视见函数的乘积转化而来的,其他光度学量是在此基础上推导得出的,由此实现了辐射度学到光度学的转化,这样,通常所说的光通量单位lm就和辐射功率W联系起来。实验测定：当光波长为555nm时,1W相当于683 lm,当光波长为600nm时,1W相当于391 lm[13]。这样,就使得对光强度的衡量依赖于主观思想而不能表示出光的实际强度。

对于人眼睛视见上不敏感的紫外光和红外光波段,虽然其能量很大,用上述光学量表示的结果却很小,无法描述其实际强度并统一进行比较。而辐射度学中的辐射通量是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量,与其相关的辐射照度等更能反映电弧光的实际强度,无论是紫外光还是可见光,均不受主观感觉的限制,因此,用辐射照度这种与主观感觉无关的物理量及其单位（W/m2或mW/cm2）来表示电弧光的强度更为科学,也有利于各色光强度级别的比较甚至对电弧光检测设备的标定等。

4 电弧光光谱

4.1 电弧光光谱研究进展

电弧光就其特点来讲,可以对人类生产带来莫大的帮助,同时,很多科研单位也对其光谱特性做了研究,文献[7,14,15]分别对TIG、MIG和MAG等电弧焊的光谱结构做了研究,并给出了对应的光谱结构,如图1所示。从其光谱结构上看,这类电弧的光能量主要集中在紫外到可见光区,且可见光的能量相对要大一些。通过这些研究,可以利用电弧的特性对人类的生产给予指导,对金属焊接领域有着巨大的推动作用。

图1

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图1   焊接电弧光谱分布

Fig.1   Distribution of melding arc


而对于供电设施及其配套的开关柜等设备来讲,由于短路和高压下造成的电弧对设备及人员的伤害非常严重,需要采取可靠的方式对其进行检测并加以保护。但是,目前几乎没有对导体短路或其在高压下产生的电弧的光谱结构特性进行研究的,各弧光保护单位也只是利用自然界的电晕现象的光谱结构[16,17]及电弧的发光特性来进行弧光检测。因此,导体短路及高压电离的电弧光光谱特性研究的意义非常深刻,其光谱特性将对电弧光检测具有至关重要要的指导作用。

4.2 电弧光光谱分析

本文分别对金属导体短路时及金属导体在高压及距离时产生的电弧光进行了光谱实验研究,实验原理如图2所示,图中黑色粗箭头为其中一个导体移动的方向。首先利用电弧焊机在220V电压下对金属导体施加电流（200A）,将可移动的金属导体慢慢移向固定的金属导体,在两者接触后离开的瞬间会发生明亮刺眼的光线（电弧光）,用宽光谱光谱仪对其产生的光进行光谱记录,更换金属导体的种类,进行相同的实验并记录光谱数据。将电弧焊机换成高压发生器（20kV级）,使金属导体处于20kV的电压下,缓慢移动金属导体,在两个导体即将接触（距离20mm）时,两导体间会有明显的刺激眼球的蓝紫光发出,同样用光谱仪记录这种蓝紫光的光谱数据,更换金属导体,进行多次实验。

图2

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图2   电弧光光谱实验原理图

Fig.2   Schematic of arc spectral experiment


4.2.1 金属导体的短路电弧光

金属导体短路时会发出很强的电弧光,这种电弧光主要是金属燃放的电弧,其主要成分是金属离子及其蒸汽。下文通过采用不同金属导体进行短路燃放电弧实验所得的数据对电弧光的光谱成分进行的分析,给出了相同金属导体及不同金属导体之间短路时的电弧光光谱。

对于导体在短路的瞬间辐射出的电弧光,各种金属产生的光谱成分近似相同,只是在全光谱范围内,相同波长处光的相对强度有所不同,如图3和图4所示（图中横坐标是波长,纵坐标表示电弧光的相对强度）。从图3可以看出,同种金属导体在短路瞬间产生的电弧光的强度主要集中在两个波长段,即：250~380nm的紫外光波段及400~600nm的可见光波段,而波长大于700nm的红外光的强度几乎可以忽略不计,这就说明：金属导体短路时辐射出的电弧光的光强度主要集中在近紫外和可见光波段。

图3

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图3   同种金属导体之间短路产生的电弧光谱

Fig.3   Arc spectral from the same metal conductor under short circuit


图4

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图4   不同种金属导体之间短路产生的电弧光谱

Fig.4   Arc spectral from different metal conductor under short circuit


图4给出了不同种金属导体之间短路时辐射电弧光的光谱图,从图中可以看出,各种金属导体之间因短路而辐射出的电弧光的成分与同种金属导体短路辐射出的电弧光的成分几乎相同,电弧光的强度也主要集中在近紫外和可见光区。与图3的同种金属导体的光谱图共同证实了一点,即：金属导体短路时辐射出的电弧光主要集中在近紫外区和可见光波段,且呈现出紫外光波段的光强度（大约60%~70%）大于可见光波段的光强度的趋势。而对于红外光波段来说,由于其强度微弱,可近似忽略不计。

4.2.2 金属导体高压下的电弧光

金属导体在高电压下近距离时会致使周围附近的空气发生电离,电离的空气分子由于高能量高速运动发生碰撞而产生电弧光,各种金属导体在此种情况下激发的电弧光光谱如图5所示。从图中可以得出,同种金属和不同种金属导体在高压下近距离产生的电弧光强度主要集中在300~380nm的近紫外波段,其在可见光及红外光波段几乎没有光强度激发出来,从图中还可以看出,高压近距离下激发出的电弧光中有两个明显的波峰,即335nm和365nm,且从相对强度来看,近90%的强度集中在紫外光波段。

图5

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图5   高电压下近距离时电弧光光谱图

Fig.5   Arc spectral from different metal conductor under


5 电弧光光谱特性及其在电力保护方面的应用

从上面的实验得出的金属导体短路电弧光的光谱图可以发现电弧光的光谱成分非常丰富,富含了从紫外到红外的整个波段的波长成分,而在每一个小波段都有一定强度,只是在紫外光和可见光波段的强度较大,在红外区的光强度较弱。这一点更加证实了目前众多研发及生产单位都采用光学方法作为电弧光检测手段的可行性。目前大多厂家均采用基于可见光检测的方法进行检测,例如：国外著名的开关柜生产厂家Reyrolle、ABB、Siemens、Schneider、Moeller和Holec等在低压开关柜中配套使用的电弧光保护系统的电弧光检测单元。

高压激发的电弧光更是将光强度都集中在紫外区,从而证实了电弧光的强度主要来自紫外光这一特性。在电力及其传输系统中,导体短路、相间短路及高压线导致的放电现象,均会产生强烈的电弧光。根据电弧光的特性,可利用紫外光作为电弧光检测的依据。此外,由于自然光中的紫外成分也微乎其微,而可见光却是自然光的主要成分。这就更加证实,在电力保护系统中,利用紫外光作为电弧光检测所具有的优势。因为采用紫外光作为电弧光检测的依据,不仅可以避免自然光干扰,排除主观感受,还可增加系统检测的可靠性。南京五石金传感器技术有限公司研发的用于探测电弧光的传感产品就是基于紫外光检测的,利用了紫外光是电弧光的主要成分这一特性,所研发的电弧光传感产品具有可靠性高、速度快等优点;在电弧光传输中采用了大口径的塑料光纤（POF）,完全避免了在传输过程中杂散光的干扰。该电弧光传感系统已在南京弘毅电气有限公司的电弧光保护系统中投入使用[12]。

在中低压开关柜中,由于鼠虫或操作不当导致母排短路及并发空气电离而发生故障时,所产生的电弧光中必然包含着上述实验中分析的两种电弧光,其中紫外光的强度更是远远超过可见光的强度。在这种情况下,对电弧光进行保护,采用紫外光作为探测的依据更加有利于保护力度,减少母排及开关柜系统的损坏程度,甚至将电弧光熄灭于雏形。与其类似的变电设备、高压传输线路、地铁和高铁等与电力相关的场所及设备也会发生类似的情况,而其产生的电弧光中的可见光与所处的环境中可见光混合在一起,很难区分开来,这又呈现了利用紫外光检测的优势。

总之,对于日常中,电力传输系统及电力开关柜等产生的电弧光,大都是由于上述两种原因,因此电弧光中的紫外光占有非常大的比例,在对其采取保护措施时,采用检测紫外光的方式则是探测电弧光的绝佳方法,也是电弧光故障保护中检测电弧光的发展趋势。随着电弧光检测多判据融合的逐渐发展,可靠的光学检测将对整个保护系统有着至关重要的支持,而基于紫外光检测故障电弧光的发展方向也非常明了。

6 结论

本文基于电弧光检测保护装置对故障电弧发光这一特性的应用,分析了主要电弧光检测方法的优劣,阐释了科学衡量电弧光强度的方法,详细分析了低压大电流（220V/200A）和高压（20kV）下空气和金属导体电离时电弧光的光谱组成成分及各成分在电弧光中的相对强度,对于金属导体短路时的电弧光而言,大约有60%~70%的强度处于紫外光波段,而高压激发空气电离产生的电弧光中有近90%的强度来自紫外光,提出了电弧光以紫外光为主这一特点在故障电弧光检测及开关柜等保护系统中的应用前景,这对今后电弧光保护系统检测单元的科研及发展有很大的指导和推动作用。

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