劉金河，孫 鳴，董維超

（1.河北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代化教學(xué)中心，天津 300401；2.康乃爾大學(xué) 電氣工程學(xué)院，美國(guó)伊薩卡 14850）

伴隨著全球社會(huì)科技與經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快節(jié)奏發(fā)展，我國(guó)城市化水平不斷提高，低壓電器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用.近些年來(lái)，我國(guó)城市供電線(xiàn)路與系統(tǒng)日趨復(fù)雜化、密集化，工業(yè)與生活用電量劇增.由于終端低壓電氣設(shè)備自身可靠性、線(xiàn)路絕緣老化及短路的電氣線(xiàn)路故障等諸多原因，電氣設(shè)備與線(xiàn)路極易產(chǎn)生低壓故障電?。娀】僧a(chǎn)生高達(dá)10 000～20 000 K[1]溫度的火花，足以引燃其它周邊材料產(chǎn)生火災(zāi)）而頻頻誘發(fā)重大電氣火災(zāi)，嚴(yán)重威脅國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生命財(cái)產(chǎn)安全，因此用電安全保護(hù)措施與火災(zāi)預(yù)防備受關(guān)注.有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，由低壓故障電弧產(chǎn)生持續(xù)燃弧誘發(fā)的電氣火災(zāi)逐年劇增，是造成近些年來(lái)我國(guó)建筑火災(zāi)的最主要原因.因此，針對(duì)電弧故障保護(hù)的相關(guān)機(jī)制研究，通過(guò)合理設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)電氣線(xiàn)路所產(chǎn)生的故障電弧實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)和清除電弧故障的保護(hù)裝置，是有效減少電氣火災(zāi)發(fā)生的重要途徑.

傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)斷路器和剩余電流保護(hù)器等電氣設(shè)備與線(xiàn)路保護(hù)裝置，通常只是為防止線(xiàn)路漏電流、過(guò)流、短路，不能完全、有效檢測(cè)到線(xiàn)路中隨機(jī)產(chǎn)生、低于工作電流的故障電弧，所以無(wú)法起到對(duì)故障電弧的根本保護(hù)作用.相比而言，通過(guò)在電氣線(xiàn)路上安裝故障電弧斷路器（如圖1，圖2所示，為ABB公司生產(chǎn)的MCCB型雙斷路斷路器結(jié)構(gòu)及雙斷路設(shè)計(jì)，適用短路電流為100～1 600 A），實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)路產(chǎn)生故障電弧的全面檢測(cè)，及時(shí)通過(guò)自動(dòng)斷電措施切斷電源達(dá)到消除故障電弧，避免負(fù)荷損壞，有效減少了此類(lèi)由故障電弧引發(fā)電氣火災(zāi)事故的發(fā)生.美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）在2007年發(fā)布的《電弧故障斷路器提高了家居安全》白皮書(shū)中提出電弧故障斷路器(AFCI)，在火災(zāi)起始階段就阻止其發(fā)生，是“防患于未然”的新技術(shù).

圖1 ABB的MCCB斷路器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The inside view of MCCB,by ABB

1 AFCI工作基本原理與應(yīng)用

減少低壓電器的故障電弧產(chǎn)生的危害性，最有效的方式是通過(guò)故障電弧保護(hù)裝置減少切斷電源前故障電弧持續(xù)存在時(shí)間.低壓電弧故障斷路器可有效起到減少故障電弧切斷電源前故障電弧持續(xù)存在時(shí)間.AFCI工作基本原理為：通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)與捕捉線(xiàn)路的故障電弧特征，將信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換完成數(shù)字化，提取電弧特征以判別故障電弧是否存在，并防止誤動(dòng)作（誤脫扣）的發(fā)生.若存在故障電弧，則輸出信號(hào)指令A(yù)FCI斷路器斷開(kāi)，完成對(duì)電路故障電弧的全面保護(hù)作用.

線(xiàn)路中實(shí)際產(chǎn)生的故障電弧的特征形式體現(xiàn)為溫度變化、強(qiáng)閃光、氣壓、電壓與電流變化.因此，電弧故障斷路器據(jù)此可劃分為電子AFCI、光電AFCI、溫控AFCI及氣壓AFCI.其中，產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛的是光電AFCI和電子AFCI，二者特性及應(yīng)用如表1所示.

圖2 ABB的MCCB斷路器產(chǎn)品雙斷路功能Fig.2 The function of MCCB with double interruption,by ABB

表1 光電AFCI和電子AFCI特性與應(yīng)用Tab.1 Characters and application of photoelectric AFCI and electric

2 故障電弧的智能化檢測(cè)與控制

圖3 典型的電弧電流信號(hào)波形（疊加AFCI信號(hào)）Fig.3 The typical waveform of arc current signal w ith AFCI tripped

如圖3所示，給出了典型的含有故障電弧電流波形，可以看出其具有正弦性與隨機(jī)性.對(duì)故障電弧的檢測(cè)、控制精度與效率是影響低壓電弧故障斷路器性能的關(guān)鍵與核心.

現(xiàn)代信息傳輸、傳感及人工智能多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，極大地促進(jìn)了故障電弧的智能化檢測(cè)與控制的智能化發(fā)展.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的王超利用故障電弧的電流數(shù)據(jù)特征判定故障電弧，經(jīng)PIC單片機(jī)控制信號(hào)處理、脫扣執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)斷開(kāi)保護(hù)電路[2].河北工業(yè)大學(xué)的李新福與王靜紅分別利用小波變換域局部增強(qiáng)法對(duì)采集的電弧進(jìn)行檢測(cè)提取[3]與基于拉格朗日函數(shù)的新型圖像邊緣檢測(cè)、自適應(yīng)遺傳退火立體匹配算法提取電弧輪廓[4].通用電氣公司的專(zhuān)利[5-6]中先后提出了電弧故障電流斷路器與實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)離散小波變換方式可對(duì)AFCI電弧進(jìn)行檢測(cè)的方法.浙江大學(xué)的鄒云峰采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析的數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)低壓電弧故障的特征進(jìn)行分析，歸納了低壓電弧的故障診斷方法[7].

3 總結(jié)與展望

低壓電弧故障斷路器的智能化發(fā)展與不斷完善，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電氣與線(xiàn)路產(chǎn)生的故障電弧及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，有效降低了電氣火災(zāi)事故的發(fā)生.同時(shí)，AFCI處理芯片單元的集成度越來(lái)越高以及貼片化應(yīng)用，使得AFCI斷路器的應(yīng)用具有巨大的發(fā)展前景.隨著線(xiàn)路系統(tǒng)的復(fù)雜化、低壓電器的高度智能化發(fā)展，為保證復(fù)雜負(fù)荷下的故障電弧保護(hù)，低壓電弧故障斷路器在功能上需要進(jìn)一步提升檢測(cè)方式與控制的精度與效率的智能化水平，實(shí)現(xiàn)低壓電弧故障短路器的多元化應(yīng)用.

[1]Ghezzi L，Balestrero A.Modeling and Simulation of Low Voltage Arcs[D].Netherlands：Technische Universiteit Delft(Delft University of Technology)，2010.

[2]王超.電弧故障斷路器的研究 [D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué).2009.

[3]李新福.低壓電器電弧仿真研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004.

[4]王靜紅.電器電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理及圖像處理的研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2008.

[5]Cecil Rivers.Series arc fault current interrupters and methods[P].US：7463465B2，2008.

[6]Sriram Changali.Arc detection using discrete wavelet transforms[P].US：8054591B2，2011.

[7]鄒云峰.低壓電弧故障研究及診斷 [D].杭州：浙江大學(xué)，2010.