電弧故障斷路器的電氣防火“使命”

電弧故障斷路器的電氣防火“使命”

近期熱映中高樓火災(zāi)下的“逃出生天”驚心動(dòng)魄，不幸遭遇火災(zāi)的人們終得解救，進(jìn)一步引發(fā)了民眾對如何應(yīng)對建筑物火災(zāi)的關(guān)注。高居火災(zāi)危害首位的電氣火災(zāi)的防治愈發(fā)重要，防范火患于未“燃”更趨重視。實(shí)現(xiàn)在最初阻止電氣火災(zāi)發(fā)生的電弧防護(hù)開關(guān)設(shè)備——電弧故障斷路器(AFCI)，應(yīng)求而生。

使命之“WHY”

電氣火災(zāi)主要源于：(1)電氣線路接觸不良或絕緣受損(多是線路老化形成碳化)導(dǎo)致的“串聯(lián)電弧”或“并聯(lián)電弧”短路;(2)電氣線路對地絕緣受損導(dǎo)致的接地(電弧)故障;(3)電氣線路接觸不良、電氣設(shè)備布置不當(dāng)、過負(fù)荷導(dǎo)致的異常溫升。其中，電弧性短路隱蔽不易發(fā)現(xiàn)成為電氣防火的首要。每次電弧的溫度超過5500℃，高強(qiáng)熱電弧發(fā)射出的熱粒子經(jīng)時(shí)間累積易引燃線路周圍絕緣層材料，引起電氣火災(zāi)。

串聯(lián)故障電弧的電流值小于回路額定電流，并聯(lián)故障電弧的電流值可能大于額定電流，而家用電器的啟動(dòng)涌流大于額定電流。針對兩種電弧故障實(shí)施保護(hù)并需繞過設(shè)備啟動(dòng)涌流，傳統(tǒng)的熱磁系統(tǒng)(如終端過電流保護(hù)或漏電保護(hù)裝置)無法檢測出故障電弧電流并識(shí)別出電弧故障，達(dá)不到防范電氣火災(zāi)的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)：中國2005至2009年電弧故障導(dǎo)致的火災(zāi)占總電氣火災(zāi)的51%，直接經(jīng)濟(jì)損失占總火災(zāi)的36%。

配電智能化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用使得電弧檢測、故障信號(hào)識(shí)別得以實(shí)現(xiàn)的AFCI依靠保護(hù)算法可以達(dá)到電弧故障保護(hù)要求，避免電氣火災(zāi)發(fā)生。美國國家電氣規(guī)程(NEC)定義其為：一種當(dāng)檢測到電弧，通過識(shí)別電弧特性，切斷電路，提供電弧故障保護(hù)的裝置。

使命之“HOW”

AFCI包括操作機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、脫扣機(jī)構(gòu)、測試按鈕、接線端子、殼架等一般結(jié)構(gòu)，其特征結(jié)構(gòu)還包括電弧檢測電路、電弧故障電子識(shí)別電路(含微處理器)，其基于PCB硬件及預(yù)設(shè)的保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)智能化的電弧檢測、故障電弧識(shí)別。

AFCI實(shí)施保護(hù)的流程：(1)電弧檢測。通過先進(jìn)的電子技術(shù)監(jiān)測電路中的電弧。(2)電弧特性識(shí)別。針對檢測到的電弧，分析其特性，識(shí)別是否為故障電弧。在AFCI制造中，需測試數(shù)以百計(jì)可能的運(yùn)行狀態(tài)，并編程存入電弧特性篩選器，用以識(shí)別“正?！焙汀拔ｋU(xiǎn)”電弧。(3)保護(hù)特性匹配分析。保護(hù)特性滿足UL1699標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在交流供電線路上，當(dāng)AFCI在0.5s內(nèi)檢測到8個(gè)半周波的故障電弧時(shí)，AFCI執(zhí)行脫扣切斷電路，且脫扣時(shí)間應(yīng)小于0.2s。(4)切斷電路，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。當(dāng)滿足電弧故障保護(hù)特性時(shí)，發(fā)出脫扣信號(hào)，切斷電路。

AFCI檢測到故障電弧，經(jīng)保護(hù)算法分析，滿足保護(hù)特性時(shí)即觸發(fā)脫扣。典型方式：檢測負(fù)載電流，將電流信號(hào)放大并傳送至電弧特性篩選器，判定電流信號(hào)頻率是否大于供電頻率并小于電力線通信頻率。篩選器輸出的信號(hào)與設(shè)定的電弧電流門檻值比較，大于該電流門檻值時(shí)即加入累加器。AFCI定期檢查累加器的輸出，超過閾值時(shí)即觸發(fā)脫扣。

AFCI與GFCI(或RCCB)配合使用，可提供電弧和漏電兩種故障保護(hù)兼有的家居電氣故障保護(hù)，通常是AFCI-GFCI插座方式。美國EATON公司已開發(fā)出在AFCI殼體內(nèi)集成接地故障(漏電)保護(hù)功能的終端產(chǎn)品。

使命之“WHAT”

技術(shù)現(xiàn)狀

AFCI采用電子技術(shù)識(shí)別電弧狀態(tài)，故障電弧檢測是電弧故障保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。關(guān)于電弧及故障電弧檢測的研究始于20世紀(jì)80年代末和90年代初的美國。利用電弧放電的光、熱、聲和電磁等特性，主要的電弧檢測及故障識(shí)別方法：

(1)依據(jù)電弧波形特性：通過判斷電流波形導(dǎo)數(shù)以及累積電弧周期是否均超過設(shè)定閥值來識(shí)別電弧故障。

(2)依據(jù)電弧高頻能量突變：通過檢測電流信號(hào)高頻部分的能量突變識(shí)別電弧，并通過檢測電弧次數(shù)來識(shí)別電弧故障。

(3)采用高頻小波變換：對負(fù)載電流高頻取樣，計(jì)算非過零離散小波系數(shù)，連同低頻電流過零信號(hào)確定是否滿足閾值。

(4)采用傅式變換：采用短時(shí)傅利葉變換分析采樣信號(hào)的基波分量、奇次和偶次諧波分量的變化，提取和判斷串聯(lián)電弧故障特征。

(5)采用時(shí)頻分析：基于反映電流突變的高低脈沖經(jīng)延時(shí)衰減時(shí)間的差異，以高于和低于閾值的時(shí)域作為判斷依據(jù)。

(6)采用高頻信號(hào)對比：通過判斷周期性產(chǎn)生的高頻電流是否區(qū)別于正常的開關(guān)電弧，并檢測頻譜范圍是否區(qū)別于由于電力電子器件等應(yīng)用產(chǎn)生的普通高頻諧波。

(7)采用弧光波長切換：將所接收到的電弧光中的紫外光變換為可見光，由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成觸發(fā)信號(hào)。

行業(yè)競態(tài)

AFCI作為有效防止電弧故障引起電氣火災(zāi)的終端保護(hù)電器，已在北美迅速得到普及和推廣，而國內(nèi)對AFCI的研究及應(yīng)用尚在初始階段，重要的創(chuàng)新主體有：伊頓、西門子、通用電氣、施耐德、ABB、得州儀器、萊維頓制造、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、福州大學(xué)、華僑大學(xué)、福建俊豪電子、寧波習(xí)羽電子、天津鴻遠(yuǎn)電氣、黃華道等。由上海電器科學(xué)研究院負(fù)責(zé)起草的2011年機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電弧故障檢測裝置(AFDD)》，以及由沈陽消防所負(fù)責(zé)起草的GB14287.4《故障電弧探測裝置》標(biāo)準(zhǔn)均進(jìn)入報(bào)批階段。在建筑電氣防火領(lǐng)域，電弧故障保護(hù)技術(shù)將具有廣闊市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

使命之“WHERE”

基于電弧放電產(chǎn)生的各種理化特性，以及電弧波形特征，各種新的檢測技術(shù)應(yīng)用于電弧的檢測和電弧故障的識(shí)別，將進(jìn)一步提升電弧防護(hù)水平。完善電弧動(dòng)態(tài)模型，模擬電弧特性，采用新算法提高故障信息處理速度，是電弧故障保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。

(1)電弧檢測及故障識(shí)別方面

將成熟的智能控制理論及模式識(shí)別技術(shù)，應(yīng)用于電弧檢測和故障識(shí)別判定，將大大提高電弧故障識(shí)別速度和準(zhǔn)確性。

(2)多保護(hù)集成配合方面

解決AFCI所在配電系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)開關(guān)的協(xié)調(diào)配合，為電路提供全面故障保護(hù)。集成過載、短路、接地故障、電弧故障等多保護(hù)為一個(gè)復(fù)合型斷路器，并優(yōu)化完善各保護(hù)功能的協(xié)調(diào)配合。

(3)光伏系統(tǒng)電弧故障保護(hù)方面

充分發(fā)揮光伏清潔能源的作用，針對性研發(fā)用于光伏直流系統(tǒng)的特種AFCI，涉及光伏逆變器、匯流箱、光伏電池模塊的串聯(lián)直流電弧故障保護(hù)。

(4)滿足智能電網(wǎng)對開關(guān)電器的新要求

實(shí)現(xiàn)AFCI的可通信、網(wǎng)絡(luò)化，智能化及其涉及的總線技術(shù)、可通信網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)將發(fā)揮更大效用。

(5)AFCI產(chǎn)品系列化標(biāo)準(zhǔn)化方面

AFCI的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，以及附件模塊化，將大大提高其在終端配電中的應(yīng)用范圍。

結(jié)語

作為低壓配電系統(tǒng)尤其是建筑供配電的重要終端防火設(shè)備，我國與國外的AFCI技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品應(yīng)用相比還有很大差距。外資企業(yè)已開始了在國內(nèi)的AFCI戰(zhàn)略布局，在中國專利申請量逐年遞增。中國高校應(yīng)注重推動(dòng)AF