包括電動車、風力渦輪、太陽能電廠及其他大型能源採集設備等高電源系統形成電弧時，若未經控制，可能造成極大的危險與損害。因此及時感測電弧的形成非常重要，才能及時中斷電流，避免損害發生。
今日高功率直流電系統日益普遍，包括電動車、風力渦輪、太陽能電廠及其他大型能源採集設備等，許多人擔心絕緣體上出現的電弧不會自然消失。高功率電弧不僅危險，也可能造成重大損害，因此驅使更多技術在感測高功率系統內電弧上被發掘。
背景介紹
十九世紀初，外界普遍認為戴維爵士（Sir Humphry Davy）首次觀察到電弧形成。然而在此之前，俄羅斯實驗物理學家佩托夫（Vasilii Vladimirovich Petrov）就已投入相關研究，並在這塊領域不斷發展，衍伸出諸多工業應用，例如焊接、機械、冶金、化學、照明等。
十九世紀初，外界普遍認為戴維爵士（Sir Humphry Davy）首次觀察到電弧形成。然而在此之前，俄羅斯實驗物理學家佩托夫（Vasilii Vladimirovich Petrov）就已投入相關研究，並在這塊領域不斷發展，衍伸出諸多工業應用，例如焊接、機械、冶金、化學、照明等。
但在高功率系統內，電弧卻也有著不少負面效果。由於系統內功率極高，再加上可能形成電弧的現象，造成導體蒸發、表面剝離、絕緣介質爆炸、引發火災，甚至導致嚴重損傷。
通常絕緣體如空氣等，在強大的電場下崩解，並透過電漿傳導電流後，就會產生電弧。有趣的是，電阻因為電流路徑通過電弧而產生熱能，在氣體中製造更多離子，建立更佳的傳導路徑，並降低電弧兩端的電壓。這種現象亦稱為負電阻，讓電流強度不斷逼近源頭極限，故此現象使得電弧相當危險。
電弧失靈
電弧內形成的電漿溫度極高，可能超過35,000°F (19,400°C)，足以使金屬蒸發，導致電漿快速擴張、金屬熔化，產生大量遠紅外線、紫外線等輻射線，引發電弧爆炸。附近物體及人員會吸收這些輻射線，或受快速擴大的震波衝擊，導致嚴重損壞與傷害。
電弧內形成的電漿溫度極高，可能超過35,000°F (19,400°C)，足以使金屬蒸發，導致電漿快速擴張、金屬熔化，產生大量遠紅外線、紫外線等輻射線，引發電弧爆炸。附近物體及人員會吸收這些輻射線，或受快速擴大的震波衝擊，導致嚴重損壞與傷害。
電弧失靈有並聯與串聯兩種，前者與負載並聯（多數直流電系統則與地線並聯），貌似增加負載電流，也是最危險的種類，因為電流唯一限制只剩下電源；後者發生於導體與負載斷掉時，雖然電流受限於負載，但形成電漿依然相當危險。
為了避免此類事件造成可怕後果，通常會使用斷路器或保險絲，但受到設計的影響，導致反應速度較慢；其他方式亦可快速偵測電弧失靈，並關閉設備以免受害。如系統內可建光學偵測功能，運用光電二極體偵測電弧失靈的放射光譜，或採用聽覺偵測，與聆聽雷聲類似，不過兩種方式在建置上都會遇到各種問題，導致變得相當複雜或無效。
光學偵測必須將光電二極體置於電弧可能出現的位置，如絕緣體附近，但由於可能位置眾多，此舉將大大提高系統複雜程度，有些光學電弧偵測系統製造商運用內含光波導的纜線，內建於透明的絕緣介質中，讓光電弧跡象送至偵測器，若測得電弧，即可中斷電流。
聽覺偵測必須等待特殊的電弧波觸及感測器，而電弧波以聲速行進，也受到介質影響，因此偵測器大多直接將壓電轉換器連結至匯流排，來接收震波的超音波。然而此舉存在很大的安全問題，要分隔感測器也不容易。
偵測電弧特殊射頻
另一種偵測方式仰賴電弧形成時，在傳輸線內出現的電氣雜訊，電弧內含大量寬頻能量，可從直流電增至1 MHz（如圖）。由於在此頻譜（50 kHz至100 kHz）內和閃電等人為與自然現象中，現代交流電轉換器常會產生意外傳導或釋放輻射線，故需要大量訊號處理，以分辨系統內的電弧與無關的外部事件。
另一種偵測方式仰賴電弧形成時，在傳輸線內出現的電氣雜訊，電弧內含大量寬頻能量，可從直流電增至1 MHz（如圖）。由於在此頻譜（50 kHz至100 kHz）內和閃電等人為與自然現象中，現代交流電轉換器常會產生意外傳導或釋放輻射線，故需要大量訊號處理，以分辨系統內的電弧與無關的外部事件。
這種方式必須依靠耦合變壓器或線圈與串聯傳導器，來讓簡化系統設計。直流電經過傳導器時，電弧產生的雜訊會影響電流，故可感測到傳輸線任一處產生的電弧，不過雜訊會隨著距離拉長而削弱，故感測器不易監控遠處是否產生電弧。
運用這項技術時，必須觀察頻譜區段內能量增加的振輻對套是否與電弧生成相符，因此需要過濾及大量的訊號處理，以排除因閃電、電源轉換器和高功率電子系統內隨機雜訊導致判斷錯誤。
設計電弧失靈偵測系統
若要將同軸電弧失靈偵測技術納入PV或其他高功率直流電系統，其實並不容易，首先，這套系統必須使用分離式變壓器，獨立於高功率直流電軌之外，可能會受限於低磁化電感，影響傳輸線的交流電訊號。故訊號得經過放大及過濾，才能排除大型交流電訊號，如50/60-Hz傳輸功率、反相器、切換穩壓器雜訊等。由於許多反相器運作頻譜低於50 kHz，最適合偵測的頻譜介於50 kHz與100 kHz之間；若超過200 kHz，高頻率交流電訊號會消失，因為高功率傳導器設計時，原本就未具備訊號傳輸功能。
若要將同軸電弧失靈偵測技術納入PV或其他高功率直流電系統，其實並不容易，首先，這套系統必須使用分離式變壓器，獨立於高功率直流電軌之外，可能會受限於低磁化電感，影響傳輸線的交流電訊號。故訊號得經過放大及過濾，才能排除大型交流電訊號，如50/60-Hz傳輸功率、反相器、切換穩壓器雜訊等。由於許多反相器運作頻譜低於50 kHz，最適合偵測的頻譜介於50 kHz與100 kHz之間；若超過200 kHz，高頻率交流電訊號會消失，因為高功率傳導器設計時，原本就未具備訊號傳輸功能。
問題在於，陸戰隊及其他無線電運作單位的高功率發送器亦使用相同頻段。由於太陽能系統等高功率直流電設備規模龐大，高功率連續波發送器的線路眾多，常遮蔽電弧生成的微小信號。但因為這些訊號的存在，類比數位轉換器前端需要接近100 dB的動態範圍，實際系統一般需要16位元的ADC。
訊號一經取得與數位化之後，資料必須進行多種訊號處理，例如快速傅立葉變換（FFTs），才能區別電弧生成的低階訊號與其他干擾源。為了加速FFT計算，需要DSP功能及處理能力，最終判斷是否真的有電弧生成，或只是發送器與遠方閃電調變。
結論
因為瞭解設計同軸電弧偵測系統多麼複雜，TI等半導體製造商已開發出完整參考設計，結合訊號鏈與後端處理，以簡化設計流程。例如RD-195參考設計可偵測高功率PV系統電弧，其中包括完整電路卡、軟體、手冊等，可大幅降低建置此類電弧失靈偵測的設計時間。
因為瞭解設計同軸電弧偵測系統多麼複雜，TI等半導體製造商已開發出完整參考設計，結合訊號鏈與後端處理，以簡化設計流程。例如RD-195參考設計可偵測高功率PV系統電弧，其中包括完整電路卡、軟體、手冊等，可大幅降低建置此類電弧失靈偵測的設計時間。
高功率系統內出現電弧若未經控制，恐怕非常危險，也可能構成嚴重損害。因此及時感測電弧形成至關重要，才能在災害發生前中斷電流。電弧同軸偵測具有多項優點，藉由開發參考設計，已經讓系統技術建置簡單許多，可打造出完整解決方案，比從零開始更快速、更簡單。
Richard Zarr為TI技術專家，專長為高速訊號與資料路徑技術，工程實務資歷超過30年，曾在世界各地發表諸多論文與文章，為IEEE會員及南佛羅里達大學學士，擁有多項LED照明與密碼學專利。
