摘要：随着大型工业化，机械化生产的需求量增大，大型军事设备的批量化生产，对于高压设备的需求量与日俱增，平均以数十万每日的需求量递增，高压设备在军事，大型工业化生产中扮演着不可或缺的角色。

针对高压设备，在开启过程或工作过程中这种高压设备在行波管处会产生电火花，这种电火花具有发散，光谱较宽等特点，光强度具有不确定性，波长在300～500nm之间，为可见光源，产生的信号为脉冲或不规则信号，根据上述实际现象，本文研究并设计了一种对该电火花信号检测的方法，并实现通信与预警。

关键词：高压设备，电火花，光电检测，保护

引言

高压设备的大量应用，会产生以下问题，在高压设备开启时，由于瞬间产生高压，有一定概率产生电火花;在高压设备工作过程中，由于电压不稳定等因素，也可能产生电火花。电火花产生将对设备寿命，甚至设备运行状态造成严重安全问题，轻则设备发热异常，重则直接损坏设备。

本文研究并实现了一种新型的针对电火花信号的检测方法，通过该方法对高压设备中产生的电火花信号进行检测与信号的传输，并将该信号的变化传输到后级，通过RS422信号进行通信控制。

1光电检测框架研究分析

为满足能够进行光电检测的要求，对打火过程中产生的电火花进行检测，对整个过程进行研究。光电检测链路将高压设备内产生的电火花采用光纤进行耦合并传输，完成对设备内有无打火信号产生的检测。接收的光信号经过光电转换和逻辑处理，最后输出打火保护光信号。光电检测链路设计一路蓝光信号供设备自检使用。光电模块具有串口通信接口，通过计算机可配置相关参数和读取状态信息。

2光电检测具体研究方法

光电检测链路设计如图1所示，光电测试链路由光电检测单元、自检光源和电源三部分组成。打火光信号进入光电检测单元后，经光电探测器完成光电转换，然后进行放大比较，通过逻辑处理单元，驱动激光器输出保护光信号，保护光信号为850nm波长光信号，通过该信号的通断来判断电火花是否产生，并驱动后级链路关闭高压源。光电模块通过RS422接口与外部进行通信控制，可以设置相关参数和读取设备工作状态。光电模块工作前，具备开机自检功能功能，能够上报工作状态。另外光电模块具备光源自检功能，通过自动功率控制（APC）与自动温度控制（ATC），保证自检脉冲光源稳定工作，通过对整个光电链路进行闭环检测，来验证整个链路连接和光电模块是否正常工作。

3电火花检测技术分析

3.1光檢测功能分析

光电检测实现框图如图2所示。

光电检测功能主要是将产生的弧光信号采用光纤进行耦合，经传感光纤传输10米后，在光电模块内部完成光电转换。具体原理如下：

（1）光纤采集并传输弧光信号;

（2）通过高灵敏探测器将弧光信号转换为电流信号;

（3）前级和后级放大电路对电流信号进行放大并转换为电压信号;

（4）比较器将表征弧光信号的电压与设置的参考电压进行比较，判断有无弧光产生;

（5）单稳态触发器消除干扰，防止误触发，最后输出表征有无弧光产生TTL电平;

（6）TTL电平通过处理判断，驱动输出保护光信号。

3.2光谱范围

空气击穿放电产生的电火花，经测试波长范围在300nm～500nm之间，选用磷化镓（GaP）探测器作为光电转换装置。

磷化镓（GaP）探测器光谱响应曲线响应峰值波长440nm，光谱范围190nm～570nm，满足检测光谱范围300nm～500nm的电火花范围。

3.3保护输出功能分析

输出光保护如图3所示，光电检测的弧光TTL电平由FPGA完成时序和逻辑处理，经处理后输出保护电信号，保护电信号由激光器进行电光转换，输出弧光保护光信号，该光信号为850nm波长，高压源正常状态下，该信号将一直有红光输出，只要有电火花产生，该红光信号消失。

3.3自检光源功能分析

自检光源原理如图4所示。

自检光源主要由蓝光激光器、控制电路和脉冲驱动电路组成：

蓝光激光器是发光器件，典型输出光波长为411nm，主要功能实现电光转换。

控制电路，包含自动功率控制（APC）电路和自动温度控制（ATC）电路，主要目的是保证自检光源工作稳定性，使输出功率和波长不随环境温度改变而变化。通过光功率检测电路感知激光器输出光功率，计算与设置参考光功率差值，依据该差值量改变施加至激光器LD偏置电流大小，逻辑控制芯片通过检测光功率和控制偏置电流使激光器输出光功率恒定，以达到自动功率控制目的。逻辑控制芯片通过温度检测电路感知激光器内工作温度，计算与设置参考温度差值，依据该差值量改变施加至激光器制冷器上的电流，逻辑控制芯片通过检测温度和控制制冷器电流使激光器内部工作温度恒定，以达到自动温度控制目的。

通过逻辑电路时钟（25MHz）分频产生10±1kHz，占空比5%的脉冲电信号。将脉冲信号直接调制在偏置电流上并输入至激光器发射端完成脉冲电信号到脉冲光信号的转换。

4硬件实施可行性分析

（1）光纤探头

为了提高采光效率，光纤探头要尽量多的耦合电火花产生的辐射，光纤纤芯是耦合光辐射的有效部分，其纤芯面积越大，耦合效率更高，所以选择光纤纤芯直径为1mm的光纤制作光纤探头。

为进一步提高耦合效率，需要对光纤端面进行研磨、抛光、镀膜处理。光纤自身脆弱，不具备钢性，将光纤探头部分放置于不锈钢套管内，加强光纤可靠性性，使光纤探头具备耐高温（150℃）性能。

（2）光电探测器

将光电探测器封装于TO-16金属管壳内，顶部露出光窗，尾部三根引针引出电信号，光窗与光纤端面耦合。

（3）跨阻放大电路模块

跨阻放大器模块采用陶瓷基板、厚膜电路等工艺，使其具有高输入阻抗、高增益、高带宽、低噪声等特性，并采用微组装工艺与探测器封装于密封盒体内。

（4）信号判断

检测到信号脉宽大于100ns时，判断为有效的电火花产生信号，同时输出高电平，产生打火保护，系统将原有光路切断为无光输出，并一直持续，直到复位。

（5）电源设计

电源为光电检测链路内各功能部分提供低噪声工作电源，恒定输出电压及电流。

输入电压：单相交流220V×（1±15%）。

频率范围：50Hz±3Hz。

在工作过程中，供电的偏移量能够适应电源的偏移量要求，在此供电偏移量的前提下，电源能够输出稳定的供电电压，以满足光电检测的供电需求。

5结论

本文提供一种针对高压设备开启或工作过程中产生的电火花信号的检测与保护方法，将高压设备内产生的电火花采用光纤进行耦合并传输，完成对设备内有无打火信号产生的检测。光电检测模块具有串口通信接口，通过计算机可配置相关参数和读取状态信息。可设计成为小体积模块或组件类产品。通过输出光信号的判断来控制后级链路，从而对高压设备进行关闭，保护高压设备。

作者简介：

柳冰忆（1990.08-），男，山东蓬莱人，汉，硕士，工程师 ，中国电子科技集团公司第四十四研究所，研究方向：光纤通信。