麥智煒 馬興灶 王碧瀅

（1.嶺南師范學(xué)院 湛江 524048； 2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

前言

電弧現(xiàn)象極其常見(jiàn)，俗稱(chēng)打火，是一種電場(chǎng)擊穿空氣產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，放電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高溫高熱[1]。

生活當(dāng)中存在很多電弧現(xiàn)象。有的電弧現(xiàn)象對(duì)人類(lèi)有幫助，如電焊、活塞點(diǎn)火、節(jié)能燈啟輝器等；有的電弧現(xiàn)象雖然對(duì)人類(lèi)無(wú)幫助，但也不影響人類(lèi)的生活，如開(kāi)關(guān)通斷、靜電等；可是，有一類(lèi)電弧現(xiàn)象卻嚴(yán)重影響人類(lèi)的安全，這類(lèi)電弧現(xiàn)象被稱(chēng)作故障電弧[2]。

故障電弧就是用電線路由于非理想現(xiàn)象導(dǎo)致的電弧、打火。根本原因有以下兩個(gè)：一是因?yàn)槲覀冇秒娋€路絕緣材料都是利用PVC等塑料材料，這種材料時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)出現(xiàn)所謂的線路老化，有些接觸不良、局部發(fā)熱之后會(huì)加速降解、炭化；二是因?yàn)槭芡饬Φ挠绊懙钠茡p，這些原因?qū)е陆^緣失效進(jìn)而產(chǎn)生故障電弧[3]。

故障電弧分為以下兩類(lèi)[4]：

1）串聯(lián)電弧

串聯(lián)電弧如圖1所示，串聯(lián)電弧時(shí)由于電路的接觸不良產(chǎn)生的，這就相當(dāng)于把“電弧電路”串接到了電路中，而流經(jīng)電弧的電流值會(huì)因電路負(fù)載而限流，因此，串聯(lián)電弧不會(huì)超過(guò)導(dǎo)線的負(fù)荷[5]。

2）并聯(lián)電弧

圖1 串聯(lián)電弧

圖2 并聯(lián)電弧

圖2所示的并聯(lián)電弧是一種類(lèi)似短路的情況，考慮到并聯(lián)電弧發(fā)生的位置，并聯(lián)電弧為電路提供了新的導(dǎo)電通路，往往負(fù)載被短路，電弧能量和電流更大[6]。

1 故障電弧的危害

近幾年來(lái)，多個(gè)知名家電品牌廠商的除濕機(jī)在美國(guó)出現(xiàn)起火召回現(xiàn)象，最終導(dǎo)致巨額賠款，品牌形象受損[7]。

1）格力電器：

據(jù)公開(kāi)資料顯示，在2005～2013年期間，格力電器生產(chǎn)的除濕機(jī)在北美的實(shí)體商店以及網(wǎng)站上銷(xiāo)售，售價(jià)為110～400美元。這些產(chǎn)品共涉格力、Danby、De'Longhi、Fedders、Fellini、Frigidaire、GE、Kenmore、Norpole、Premiere、Seabreeze、SoleusAir 和SuperClima13個(gè)品牌。

美國(guó)消費(fèi)品安全委員會(huì)稱(chēng)，截止2013年已經(jīng)接到了450起上述除濕機(jī)發(fā)熱起火事故報(bào)告，共造成約為1900萬(wàn)美元的財(cái)產(chǎn)損失。為此，自2013年以來(lái)，美國(guó)消費(fèi)品安全委員會(huì)共啟動(dòng)了兩次正式召回，數(shù)量共約為260萬(wàn)臺(tái)。

2）LG電子：

據(jù)已公布的信息顯示，截止2013年，LG電子(天津)公司已接到11起因使用這批除濕器而導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失的事故報(bào)告，其中4起曾引發(fā)火災(zāi)，所幸目前尚無(wú)人員傷亡報(bào)告。

這批問(wèn)題除濕器共使用兩個(gè)品牌，一是“Goldstar”，產(chǎn)品型號(hào)為GHD30Y7和DH305Y7；二是“Comfort-Aire”，產(chǎn)品型號(hào)為BHD-301-C。這些產(chǎn)品曾于2007年1月至2008年6月期間，在美國(guó)家得寶(Home Depot)、沃爾瑪?shù)攘闶鄣赇N(xiāo)售，售價(jià)在140～150美元之間。

CPSC和加拿大衛(wèi)生署表示，消費(fèi)者在得到正確使用指導(dǎo)意見(jiàn)之前，應(yīng)立即停用上述存在安全隱患的除濕器。LG電子(天津)配合CPSC、加拿大衛(wèi)生署(Health Canada)完成9.8萬(wàn)臺(tái)便攜式除濕器召回活動(dòng)[8]。

經(jīng)歷了上述幾次召回事件后，美國(guó)政府意識(shí)到除濕機(jī)的起火風(fēng)險(xiǎn)較其它家電大，這是由于北美地區(qū)用戶使用除濕機(jī)的習(xí)慣有關(guān)，北美用戶一般會(huì)把除濕機(jī)放在地庫(kù)，一年365天，每天24 h不停運(yùn)作，除濕機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，而且無(wú)人監(jiān)控，一旦出現(xiàn)老化故障，用戶不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此容易導(dǎo)致起火現(xiàn)象。

為此，2014年，美國(guó)UL 474要求2017年以后銷(xiāo)往北美的除濕機(jī)必須裝配帶故障電弧防護(hù)功能的保護(hù)器。

2 故障電弧斷路器的分類(lèi)

針對(duì)故障電弧斷路器產(chǎn)品，美國(guó)消費(fèi)品安全委員會(huì)CPSC，美國(guó)州消防署署長(zhǎng)全國(guó)協(xié)會(huì)NASFM，美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)NFPA，以及UL機(jī)構(gòu)牽頭制定了全球第一份故障電弧斷路器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)UL 1699[9]。

UL 1699標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定了故障電弧斷路器的幾種形式：

1）支路/饋線式故障電弧斷路器。這種斷路器安裝在支路的上端或者饋線上，比如安裝在配電箱上為支路或者饋線線路提供保護(hù)。

2）出口線路式故障電弧斷路器。安裝在供電之路下端，比如出線盒，為電源引線和下游插座提供保護(hù)。

3）組合式故障電弧斷路器。同時(shí)滿足上述兩種功能的斷路器。

4）便攜式故障電弧斷路器。提供故障電弧保護(hù)的排插或插線板，能提供一路或多路輸出。

5）線纜式故障電弧斷路器。把故障電弧保護(hù)功能做在插頭上，插頭后端接有電源線，給特定家電或者設(shè)備提供保護(hù)。

UL 474中對(duì)除濕機(jī)提出強(qiáng)制使用的故障電弧斷路器為線纜式故障電弧斷路器，即2017年后，北美地區(qū)的除濕機(jī)必需把傳統(tǒng)電源線替換為線纜式故障電弧斷路器，否則不得銷(xiāo)售[10]。

美的生產(chǎn)的除濕機(jī)在北美地區(qū)占主導(dǎo)份額，為了維持北美地區(qū)除濕機(jī)的銷(xiāo)售，必須盡快研發(fā)出性能可靠及具備成本優(yōu)勢(shì)的線纜式故障電弧斷路器。所以，下文主要針對(duì)線纜式故障電弧斷路器的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行敘述。

3 線纜式故障電弧斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球只有8個(gè)廠家具備UL 1699認(rèn)證，分別是GE、TI、西門(mén)子、Eaton、瑞薩科技、寧波習(xí)羽、蘇州益而益、ABB[11]。而上述8個(gè)廠家的線纜式故障電弧斷路器給美的報(bào)價(jià)在20美金～50美金/條。其中，第1章節(jié)也透露了北美除濕機(jī)的售價(jià)大概在110美金～400美金之間，占80 %銷(xiāo)量的除濕機(jī)售價(jià)約為150美金，而除濕機(jī)原來(lái)采用的普通電源線僅1美金。也就是說(shuō)，現(xiàn)有廠家提供的線纜式故障電弧斷路器價(jià)格比原有普通電源線上漲至少2 000 %，迫使除濕機(jī)整機(jī)成本上漲13 %，這將會(huì)嚴(yán)重影響用戶消費(fèi)欲望。

導(dǎo)致線纜式故障電弧斷路器價(jià)格高居不下的主要原因是故障電弧探測(cè)是一項(xiàng)較難的技術(shù)。最基本的難點(diǎn)是缺乏探測(cè)電弧信號(hào)的渠道。因?yàn)楣收暇€路常常埋設(shè)在墻體中或者是家電內(nèi)部，只能通過(guò)間接手段，如電流、電壓這些信號(hào)來(lái)分析和判斷。電流信號(hào)的辨識(shí)，首先它跟正常的負(fù)載容易混淆，圖3是電弧發(fā)生時(shí)的電流曲線，突發(fā)電弧時(shí)是不光滑的，會(huì)有一個(gè)曲折。但是利用這個(gè)特征，會(huì)有很多誤動(dòng)作。如圖4是鹵素?zé)舻墓ぷ麟娏鳎驗(yàn)椴捎秒娮幼儔浩鹘祲?，也具備相似的電流特征[12]。

為此，現(xiàn)有線纜式故障電弧斷路器廠家采用了非常復(fù)雜的電路，如圖5所示為西門(mén)子線纜式故障電弧斷路器的硬件電路原理框圖。電路中包含大量精密元器件，使得電控硬件BOM成本過(guò)高。

其次，廠家為了分辨正常工作電弧和故障電弧，同時(shí)對(duì)故障電弧實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，編寫(xiě)了非常復(fù)雜的算法。每個(gè)廠家的算法雖然不一樣，但都是基于前期大量學(xué)者對(duì)電弧特點(diǎn)的研究和總結(jié)。目前，學(xué)術(shù)界認(rèn)為，電弧信號(hào)具備如下特征：

1）電流波形中含有豐富的高頻噪聲；

2）電弧點(diǎn)存在電壓下降；

圖3 故障電弧電流波形

圖4 鹵素?zé)綦娏鞑ㄐ?/p>

圖5 西門(mén)子線纜式故障電弧斷路器的硬件電路原理框圖

3）電流上升速度比正常狀態(tài)大；

4）每半個(gè)周期都存在電流接近零的區(qū)域，即平肩部；

5）電弧的電壓波形接近矩形；

6）故障電弧具備隨機(jī)特性；

7）電弧的電流波形在一定頻率范圍內(nèi)諧波含量明顯增多[13]。

基于上述電弧特征，可以在頻域中進(jìn)行故障電弧檢測(cè)，所以現(xiàn)有廠家采用的主流算法是快速傅立葉分解，將采集到的電流波形和電壓波形綜合考慮，得到能量的傅立葉分解，再根據(jù)其它判據(jù)來(lái)辨別故障電弧。但這類(lèi)型算法需要處理器具備非?？焖俚挠?jì)算能力，處理器一般要選擇高速DSP或者ARM M4以上的芯片，成本非常高。

4 總結(jié)

目前，全球只有8個(gè)廠家通過(guò)了故障電弧斷路器認(rèn)證（UL 1699），因?yàn)榫邆渖a(chǎn)資質(zhì)的廠家很少，所以現(xiàn)有市場(chǎng)上的線纜式故障電弧斷路器價(jià)格非常昂貴。設(shè)計(jì)一種價(jià)格有優(yōu)勢(shì)的線纜式故障電弧斷路器具有非常重要的意義。