Датчик обнаружения электрической дуги на основе пластикового оптического волокна

Электрические сети – одна из наиболее важных инфраструктур. Они снабжают электроэнергией свыше пяти миллиардов человек по всему миру, а также необходимы в промышленности, телекоммуникациях, медицине и бесчисленном множестве других отраслей, поэтому крайне важно уметь предотвращать любые ситуации, которые могут остановить подачу электроэнергии. К таким ситуациям относятся короткие замыкания, возникающие в электрической сети.

Одним из видов короткого замыкания является дуговое короткое замыкание, которое возникает вследствие повреждения изоляции между двумя находящимися под напряжением проводниками или же между проводником и землей. Причинами таких повреждений могут быть различные факторы: попадание каких-то предметов (инструментов, металлических конструкций и т.п.), животные, а также грязь и сырость.

Электрическая дуга, возникающая вследствие дугового короткого замыкания, не только может повредить дорогое и важное электрическое оборудование, но и представляет угрозу для человеческой жизни (см. видео). В электрических сетях дуговые короткие замыкания могут возникать в распределительных устройствах (РУ).

РУ являются одним из важнейших составляющих электрической сети, поскольку с их помощью изменяют конфигурацию сети. Эти устройства состоят из совокупности электрических разъединителей, предохранителей и выключателей и позволяют управлять электрическим оборудованием, а также производить его защиту и развязку. В сетях 6-35 кВ, как правило, применяются комплектные распределительные устройства (КРУ), выполненные в виде секции из нескольких шкафов.

На рис. 1 представлены принципиальная схема секции КРУ. Линия ввода/вывода соединяется с КРУ в так называемом кабельном отсеке. В отсеке выключателя располагается выключатель, который является основной частью КРУ, поскольку именно он осуществляет подключение или отключение линий ввода/вывода. Соединение разных КРУ происходит в отсеке сборных шин.

 

Рис. 1. а) Принципиальная схема КРУ; б) секция КРУ

 

Если электрическая дуга возникла и не была вовремя обнаружена, ее энергия может за сотни миллисекунд нанести огромный ущерб, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Ущерб от электрической дуги

 

Из рис. 2 видно, что степень повреждения, вызванного электрической дугой, очень сильно зависит от продолжительности ее горения. Поэтому как датчик дуговой зашиты, так и выключатель КРУ должны иметь очень маленькое время срабатывания.

В данной статье рассматривается, как можно использовать волоконно-оптические датчики для обнаружения электрической дуги в электрических сетях среднего напряжения.

 

Физические свойства вспышки электрической дуги

Электрическая дуга сопровождается яркой вспышкой света. На рис. 3 показан процесс возникновения дуговой вспышки. Световое излучение возникает вследствие цепной реакции столкновения ускоренных электронов с атомами. Ускорение электронов происходит под действием сильного электрического поля.

Рис. 3. Процесс образования дуговой вспышки

 

Разрабатывая оптический датчик дуговой защиты, следует принять во внимание следующие физические свойства дуговой вспышки:

Спектр оптического излучения

Спектр оптического излучения дуговой вспышки может сильно изменяться в зависимости от задействованных материалов (газ, влага…). На рис. 4 изображен пример такого оптического спектра. Он охватывает диапазон длин волн от 300 до 800 нм, имея характерные линии около 500 нм («медные» линии). Спектр излучения дуговой вспышки играет важную роль при выборе подходящего фотодиода для датчика дуговой защиты.

Рис. 4. Спектр оптического излучения дуговой вспышки

 

Оптическая мощность

Электрическая дуга характеризуется очень большой плотностью мощности оптического излучения. Плотность мощности может быть порядка 10 кВт/м²; для сравнения, солнечный свет, достигающий поверхности земли, имеет плотность мощности около 0,74 кВт/м².

Время

Дуговые вспышки также имеют свою временную характеристику. Установлено, что при частоте тока в электросети 50 Гц (или 60 Гц) пульсации мощности излучения дуговой вспышки имеют частоту 100 Гц (120 Гц). На рис. 5 представлена типичная временная характеристика дуговой вспышки, полученная по результатам моделирования. Хотя амплитуда может отличаться для разных дуговых вспышек, частота колебаний всегда 100 Гц (120 Гц).

Рис. 5. Временная характеристика дуговой вспышки

 

Системы обнаружения дуговой вспышки

В основе современных систем дуговой защиты обычно лежит обнаружение электрического тока/напряжения, а для повышения надежности системы обнаружения учитываются и другие факторы. Регистрирование оптического излучения электрической дуги позволяет повысить быстродействие системы защиты и, как следствие, уменьшить ущерб, который может причинить электрическая дуга.

Свет идеально подходит для систем обнаружения электрической дуги, прежде всего потому, что распространяется с очень большой скоростью. Благодаря этому уменьшается общее время срабатывания системы. Кроме того, оптическое излучение не восприимчиво к сильному электромагнитному излучению, которое характерно для мест, в которых устанавливается система.

Как показано на рис. 6, система обнаружения электрической дуги, реагирующая на электрический ток и оптическое излучение, обычно состоит из двух модулей сбора и обработки информации (один регистрирует оптическое излучение, а другой – уровень тока/напряжения), управляющего устройства и выключателя.

Управляющее устройство постоянно опрашивает модули сбора и обработки информации. Если значения, полученные управляющим устройством от этих модулей, превышают пороговые, это свидетельствуют о возникновении электрической дуги. Тогда управляющее устройство посылает команду на выключатель, который размыкает цепь электрического тока.

На рис. 6 представлены два варианта установки оптических датчиков: а) один или несколько оптических датчиков размещаются в разных отсеках КРУ и б) один оптический датчик охватывает сразу один или несколько отсеков. В первом случае датчик называется точечным, а во втором – линейным.

Рис. 6. Блок-схема системы дуговой защиты

 

Точечный датчик

Точечный датчик регистрирует излучение только на сравнительно маленькой территории вокруг него.

Различают два типа точечных датчиков: фотодатчик и волоконно-оптический датчик (ВОД). Фотодатчик состоит из полупроводникового компонента (фототиристора, фотодиода, фоторезистора...), преобразующего оптическое излучение в электрический сигнал. При выборе места расположения такого датчика важно учитывать электромагнитное излучение и электростатические разряды. Точечный ВОД основан на передаче света от некоторого пассивного захватывающего элемента к фотоприемнику по оптическому волокну.

Точечные датчики могут работать в режиме Heartbeat-сигнала (сигнала, подтверждающего работоспособность). Это особенно важно в опасных системах, когда неожиданное повреждение может привести к материальному ущербу и даже угрожать человеческой жизни. Heartbeat-сигнал представляет собой оптический импульс, периодически посылаемый передатчиком к приемнику. При помощи Heartbeat-сигнала производится проверка работоспособности фотоприемника и, как следствие, всей системы дуговой защиты в целом.

На рис. 7а изображена блок-схема точечного ВОД с поддержкой Heartbeat-сигнала. Возможны также и другие конструкции, основанные на том же самом принципе.

Рис. 7. а) Точечный ВОД; б) линейный ВОД, охватывающий одну секцию КРУ; в) линейный ВОД, охватывающий несколько секций КРУ

 

Линейный датчик

Линейный ВОД представляет собой петлю оптического волокна, которое собирает оптическое излучение своей поверхностью и передает его на фотоприемник. В противоположность точечному датчику, линейные собирают свет на всем участке, по которому проходит оптическое волокно. Тестирование волокна и системы в целом происходит при помощи Heartbeat-сигнала.

Блок-схема линейного ВОД изображена на рис. 7б.

Идеальные линейные датчики характеризуются очень малыми потерями и высокой эффективностью захвата излучения. Обычно в них используется пластиковое оптическое волокно (POF) или кварцевое волокно с большим диаметром сердцевины, например, PCS-волокно с диаметром сердцевины 400 мкм. В обоих случаях внешняя оболочка волокна может быть прозрачной или ее вообще может не быть.

Линейный датчик может также охватывать сразу несколько отсеков одного или нескольких КРУ (см. рис. 7в). Чем больше длина отрезка оптического волокна, тем больше отсеков можно контролировать при помощи одного волокна и тем меньше датчиков необходимо использовать. Благодаря этому можно уменьшить стоимость системы защиты. В то же время, длину отрезка волокна ограничивает чувствительность приемника.

Сравнение линейного и точечного датчиков

Оба рассмотренных варианта датчика имеют свои преимущества и недостатки. Поэтому в современных системах дуговой защиты используются оба этих типа.

Сравнение основных особенностей линейных и точечных датчиков показано в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение линейного и точечного датчиков.

Сравниваемый параметр	Линейный датчик	Точечный датчик
Риск затенения	нет	есть
Чувствительность	ниже, чем у точечного	высокая
Возможность работы с несколькими отсеками	есть	нет
Точность определения	низкая	высокая

Под риском затенения, упомянутым в табл. 1, подразумевается возможность расположения датчика в тени, что может препятствовать регистрации оптического излучения. В линейных датчиках такое невозможно по причине протяженности собирающего волокна. Однако для точечных датчиков такая опасность существует.

С другой стороны, точечные датчики, разработанные специально для систем дуговой защиты, имеют бо́льшую чувствительность по сравнению с линейными. Чувствительность линейных датчиков определяется физическими свойствами используемого оптического волокна.

Протяженность собирающего волокна позволяет использовать датчик с одним волокном сразу в нескольких отсеках КРУ, что невозможно для точечных датчиков.

Точечные датчики позволяют очень точно определить место возникновения электрической дуги. Линейные датчики, напротив, гораздо менее точны в этом отношении по причине протяженности оптического волокна.

 

Технология обнаружения электрической дуги от Avago Technologies

Одним из вариантов создания эффективной, надежной и экономически выгодной системы дуговой защиты является использование оптоэлектронных компонентов компании Avago Technologies, выпускаемых для этой цели. На основе специального пластикового волокна в прозрачной оболочке AFBR-TUS500Z, соединительных изделий семейства VL (Versatile Link – универсальное соединение), трансивера AFBR-S10TR001Z (специально разработанного для систем дуговой защиты) и отладочной платы AFBR-S10EB001Z, возможно организовать систему обнаружения электрической дуги. Все компоненты системы работают в промышленном температурном диапазоне от -40 до +85 °C.

На рис. 8 представлена схема такой системы с указанием компонентов, рекомендуемых для его создания (для просмотра в полном размере нажмите на изображение).

Рис. 8. Схема волоконно-оптической системы дуговой защиты от компании Avago

 

Ниже дается краткое описание основных компонентов изображенной на рис. 8 схемы.

Трансивер

AFBR-S10TR001Z – это аналоговый волоконно-оптический трансивер (приемопередатчик), работающий на длине волны 650 нм, специально разработанный для реализации оптического датчика обнаружения электрической дуги по 1 мм пластиковому оптическому волокну (POF).

Передатчик

Передатчик трансивера служит для передачи Heartbeat-сигналов. Он представляет собой светодиод (LED) с центральной длиной волны излучения 650 нм. Оптическая мощность излучения в непрерывном (CW) режиме достигает ‑1 дБм. В импульсном режиме мощность излучения выше. Поскольку трансивер не имеет встроенного драйвера, параметры Heartbeat-сигнала (ширина и длительность импульса) подбираются индивидуально, что позволяет оптимизировать потребляемую электроэнергию для каждого конкретного устройства.

Приемник

Приемник содержит специализированную микросхему (ASIC – application-specific integrated circuit), состоящую из фотодиода и трансимпендасного усилителя (TIA). Устройство создает аналоговый сигнал, амплитуда напряжения которого меняется пропорционально мощности пришедшего света, и передает его на управляющее устройство (см. рис. 6).

Анализируя длительность и уровень аналогового сигнала, пришедшего с приемника оптического трансивера, система определяет природу этого сигнала (окружающее освещение, Heartbeat-сигнал или электрическая дуга). Для того чтобы запустить процесс дуговой защиты, то есть для того, чтобы сработал выключатель (см. рис. 1), необходимо, чтобы оба модуля сбора и обработки информации (и оптический, и электрический) передали на управляющее устройство значения, превышающие пороговые. Такое дублирование повышает надежность системы дуговой защиты.

На рис. 9 показана типичная зависимость выходного сигнала микросхемы ASIC, используемой в системах дуговой защиты, от входной мощности оптического излучения. При уровне входной мощности выше -10 дБм происходит насыщение сигнала. Поскольку определение дуговой вспышки производится по уровню сигнала, пришедшего на управляющее устройство (см. рис. 6), а не по его форме, трансивер может регистрировать дуговую вспышку со стопроцентной точностью, даже если мощность входного оптического сигнала превышает -10 дБм. При уровне входной оптической мощности ниже -10 дБм зависимость выходного сигнала от мощности оптического сигнала практически линейна. Рабочий диапазон температур устройства от -40 до +85 °С.

Рис. 9. Линейность микросхемы, используемой в системах дуговой защиты

 

На рис. 10 черной линией показана спектральная чувствительность фотоприемника как функция длины волны входного излучения, выраженная в относительных единицах.

Рис. 10. Относительная спектральная чувствительность фотодиода

 

Синяя линия на рис. 10 – это спектр дуговой вспышки (см. рис. 4). Чувствительность фотодиода полностью перекрывает спектр дуговой вспышки, гарантируя обнаружение электрической дуги.

Линии связи и коннекторы

Решение, предлагаемое компанией Avago для систем дуговой защиты, подразумевает использование пластикового оптического волокна, хотя для этих целей можно использовать и другие типы волокон.

Используемая линия связи состоит из двух участков: обычного пластикового волокна между оптическим трансивером и линейным датчиком и пластикового волокна с прозрачной защитной оболочкой в качестве самого́ линейного датчика. Эти участки соединяются друг с другом при помощи адаптера (см. рис. 8).

Типичные значения параметров используемых кабелей: диаметр оптического волокна (сердцевины и оптической оболочки) – 1 мм, диаметр защитной оболочки – 2,2 мм, числовая апертура – 0,5, затухание – 0,2 дБ/м на длине волны 650 нм.

Avago Technologies разработала дуплексный коннектор типа VL для соединения первого отрезка линии связи с трансивером. Такой коннектор изображен на рис. 11.

Рис. 11. Дуплексный VL коннектор для соединения пластикового волокна с трансивером

 

Для соединения двух отрезков волокон возможны различные варианты коннекторов. Коннекторы для POF экономичны и надежны, что обусловлено размерами POF и используемыми материалами. Некоторые из них можно монтировать в полевых условиях. Чаще всего используют коннекторы VL, SMA и ST, хотя доступны также и другие коннекторы.

Величина потерь в коннекторах лежит в диапазоне от 1 до 1,4 дБ (при соединении двух волокон).

 

Проектирование системы

Процесс проектирования оптической системы дуговой защиты включает три этапа: 1) определение критериев, по которым будут выбираться компоненты системы (волокна, коннекторы, датчики…); 2) формулировка нормативов по длине отрезков волокон и 3) определение пороговых значений срабатывания для управляющего устройства (см. рис. 6).

Лишь малая часть оптической мощности излучения дуговой вспышки попадает на фотодиод системы дуговой защиты. Доля мощности сильно зависит от типа датчика (точечный или линейный), длины линии, взаимного расположения датчика и места возникновения электрической дуги и интенсивности дуговой вспышки. Минимальная мощность, которая должна приходить на фотодиод, определяется чувствительностью оптоэлектронного блока системы.

Разработка системы дуговой защиты подразумевает обнаружение как дуговой вспышки, так и Heartbeat-сигнала.

 

Заключение

Ущерб, причиняемый электрическими дугами, огромен. Электрические дуги могут возникать в КРУ электрических сетей, вызывая разрушение важного и дорогого оборудования и нанося тяжелые травмы. Системы дуговой защиты могут существенно уменьшить или даже устранить огромный ущерб от электрических дуг. Волоконно-оптический датчик на основе компонентов, выпускаемых компанией Avago, является хорошим выбором при создании надежной и экономичной системы дуговой защиты. В компании «ЭФО» Вы можете приобрести все необходимые компоненты для проектирования такого датчика.

 

Компоненты системы дуговой защиты:

1. Аналоговый волоконно-оптический трансивер для системы обнаружения электрической дуги – AFBR-S10TR001Z.
2. Отладочный набор для построения системы обнаружения электрической дуги – AFBR-S10EB001Z.
3. Прозрачный пластиковый волоконно-оптический кабель для использования в качестве линейного датчика – AFBR-TUS500Z.
4. Дуплексный пластиковый волоконно-оптический кабель для соединения трансивера с волоконным датчиком – HFBR-EUD500Z или AFBR-HUD500Z.
5. Симплексный VL коннектор – HFBR-4531Z.
6. Симплексный VL адаптер – HFBR-4505Z.
7. Дуплексный VL коннектор – AFBR-4526Z.
8. Дуплексный VL адаптер – AFBR-4536EZ.

 

Материал подготовлен на основе обзора “Fiber Optic Sensor Systems for Arc Flash Detection” (документ Avago AV02-4503EN).