浙江泰西智能科技有限公司
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(kāi)關(guān)設(shè)備——電弧故障斷路器(AFCI/AFDD)應(yīng)求而生。
使命之“WHY”
電氣火災(zāi)主要源于：
- 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;
- 電氣線路對(duì)地絕緣受損導(dǎo)致的接地(電弧)故障;
- 電氣線路接觸不良、電氣設(shè)備布置不當(dāng)、過(guò)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(guò)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?chē)^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(duì)兩種電弧故障實(shí)施保護(hù)并需繞過(guò)設(shè)備啟動(dòng)涌流，傳統(tǒng)的熱磁系統(tǒng)(如終端過(guò)電流保護(hù)或漏電保護(hù)裝置)無(wú)法檢測(cè)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(guó)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(cè)、故障信號(hào)識(shí)別得以實(shí)現(xiàn)的AFCI/AFDD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(guó)國(guó)家電氣規(guī)程(NEC)定義其為：一種當(dāng)檢測(cè)到電弧，通過(guò)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/AFDD包括操作機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、脫扣機(jī)構(gòu)、測(cè)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(cè)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(cè)、故障電弧識(shí)別。
AFCI/AFDD實(shí)施保護(hù)的流程：(1)電弧檢測(cè)。通過(guò)先進(jìn)的電子技術(shù)監(jiān)測(cè)電路中的電弧。(2)電弧特性識(shí)別。針對(duì)檢測(cè)到的電弧，分析其特性，識(shí)別是否為故障電弧。在AFCI/AFDD制造中，需測(cè)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(mǎn)足UL1699標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在交流供電線路上，當(dāng)AFCI/AFDD在0.5s內(nèi)檢測(cè)到8個(gè)半周波的故障電弧時(shí)，AFCI/AFDD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(mǎn)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/AFDD檢測(cè)到故障電弧，經(jīng)保護(hù)算法分析，滿(mǎn)足保護(hù)特性時(shí)即觸發(fā)脫扣。典型方式：檢測(cè)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(mén)檻值比較，大于該電流門(mén)檻值時(shí)即加入累加器。AFCI/AFDD定期檢查累加器的輸出，超過(guò)閾值時(shí)即觸發(fā)脫扣。
AFCI/AFDD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/AFDD-GFCI插座方式。美國(guó)EATON公司已開(kāi)發(fā)出在AFCI/AFDD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/AFDD采用電子技術(shù)識(shí)別電弧狀態(tài)，故障電弧檢測(cè)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(cè)的研究始于20世紀(jì)80年代末和90年代初的美國(guó)。利用電弧放電的光、熱、聲和電磁等特性，主要的電弧檢測(cè)及故障識(shí)別方法：
(1)依據(jù)電弧波形特性：通過(guò)判斷電流波形導(dǎo)數(shù)以及累積電弧周期是否均超過(guò)設(shè)定閥值來(lái)識(shí)別電弧故障。
(2)依據(jù)電弧高頻能量突變：通過(guò)檢測(cè)電流信號(hào)高頻部分的能量突變識(shí)別電弧，并通過(guò)檢測(cè)電弧次數(shù)來(lái)識(shí)別電弧故障。
(3)采用高頻小波變換：對(duì)負(fù)載電流高頻取樣，計(jì)算非過(guò)零離散小波系數(shù)，連同低頻電流過(guò)零信號(hào)確定是否滿(mǎn)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(duì)比：通過(guò)判斷周期性產(chǎn)生的高頻電流是否區(qū)別于正常的開(kāi)關(guān)電弧，并檢測(cè)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(zhǎng)切換：將所接收到的電弧光中的紫外光變換為可見(jiàn)光，由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成觸發(fā)信號(hào)。
行業(yè)競(jìng)態(tài)
AFCI/AFDD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(guó)內(nèi)對(duì)AFCI/AFDD的研究及應(yīng)用尚在初始階段，重要的創(chuàng)新主體有：泰西電氣、和瑞電子、伊頓、西門(mén)子、通用電氣、施耐德等。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(cè)器裝置(AFDD)》，以及由沈陽(yáng)消防所負(fù)責(zé)起草的GB 14287.4《故障電弧探測(cè)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(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?br />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(cè)技術(shù)應(yīng)用于電弧的檢測(cè)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(cè)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(cè)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/AFDD所在配電系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的協(xié)調(diào)配合，為電路提供全面故障保護(hù)。集成過(guò)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(duì)性研發(fā)用于光伏直流系統(tǒng)的特種AFCI/AFDD，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(mǎn)足智能電網(wǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)電器的新要求
實(shí)現(xiàn)AFCI/AFDD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/AFDD產(chǎn)品系列化標(biāo)準(zhǔn)化方面
AFCI/AFDD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(yǔ)
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(guó)與國(guó)外的AFCI/AFDD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(kāi)始了在國(guó)內(nèi)的AFCI/AFDD戰(zhàn)略布局，在中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量逐年遞增。中國(guó)高校應(yīng)注重推動(dòng)AFCI/AFDD專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)移，尋求專(zhuān)有技術(shù)獲利;本土企業(yè)需加強(qiáng)AFCI/AFDD的技術(shù)研發(fā)及專(zhuān)利化，儲(chǔ)備好長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展所需的戰(zhàn)略資產(chǎn)，并借鑒外資企業(yè)的市場(chǎng)戰(zhàn)略，努力培育核心競(jìng)爭(zhēng)力。隨著人們對(duì)家居防火安全保護(hù)產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)及國(guó)內(nèi)AFCI/AFDD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，AFCI/AFDD技術(shù)的研究及應(yīng)用普及將會(huì)深入并產(chǎn)生巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。