智能化低壓故障電弧的檢測技術分析

劉金河，孫 鳴，董維超

（1.河北工業大學 現代化教學中心，天津 300401；2.康乃爾大學 電氣工程學院，美國伊薩卡 14850）

伴隨著全球社會科技與經濟的持續快節奏發展，我國城市化水平不斷提高，低壓電器被廣泛應用于工業與民用.近些年來，我國城市供電線路與系統日趨復雜化、密集化，工業與生活用電量劇增.由于終端低壓電氣設備自身可靠性、線路絕緣老化及短路的電氣線路故障等諸多原因，電氣設備與線路極易產生低壓故障電弧（電弧可產生高達10 000～20 000 K[1]溫度的火花，足以引燃其它周邊材料產生火災）而頻頻誘發重大電氣火災，嚴重威脅國民經濟發展與生命財產安全，因此用電安全保護措施與火災預防備受關注.有關數據顯示，由低壓故障電弧產生持續燃弧誘發的電氣火災逐年劇增，是造成近些年來我國建筑火災的最主要原因.因此，針對電弧故障保護的相關機制研究，通過合理設計與應用，對電氣線路所產生的故障電弧實現及時、準確檢測和清除電弧故障的保護裝置，是有效減少電氣火災發生的重要途徑.

傳統的過電流保護斷路器和剩余電流保護器等電氣設備與線路保護裝置，通常只是為防止線路漏電流、過流、短路，不能完全、有效檢測到線路中隨機產生、低于工作電流的故障電弧，所以無法起到對故障電弧的根本保護作用.相比而言，通過在電氣線路上安裝故障電弧斷路器（如圖1，圖2所示，為ABB公司生產的MCCB型雙斷路斷路器結構及雙斷路設計，適用短路電流為100～1 600 A），實現對線路產生故障電弧的全面檢測，及時通過自動斷電措施切斷電源達到消除故障電弧，避免負荷損壞，有效減少了此類由故障電弧引發電氣火災事故的發生.美國電氣制造商協會（NEMA）在2007年發布的《電弧故障斷路器提高了家居安全》白皮書中提出電弧故障斷路器(AFCI)，在火災起始階段就阻止其發生，是“防患于未然”的新技術.

圖1 ABB的MCCB斷路器結構圖Fig.1 The inside view of MCCB,by ABB

1 AFCI工作基本原理與應用

減少低壓電器的故障電弧產生的危害性，最有效的方式是通過故障電弧保護裝置減少切斷電源前故障電弧持續存在時間.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存在時間.AFCI工作基本原理為：通過連續監測與捕捉線路的故障電弧特征，將信號通過轉換完成數字化，提取電弧特征以判別故障電弧是否存在，并防止誤動作（誤脫扣）的發生.若存在故障電弧，則輸出信號指令AFCI斷路器斷開，完成對電路故障電弧的全面保護作用.

線路中實際產生的故障電弧的特征形式體現為溫度變化、強閃光、氣壓、電壓與電流變化.因此，電弧故障斷路器據此可劃分為電子AFCI、光電AFCI、溫控AFCI及氣壓AFCI.其中，產品應用最廣泛的是光電AFCI和電子AFCI，二者特性及應用如表1所示.

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

表1 光電AFCI和電子AFCI特性與應用Tab.1 Characters and application of photoelectric AFCI and electric

2 故障電弧的智能化檢測與控制

圖3 典型的電弧電流信號波形（疊加AFCI信號）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性.對故障電弧的檢測、控制精度與效率是影響低壓電弧故障斷路器性能的關鍵與核心.

現代信息傳輸、傳感及人工智能多種技術的綜合應用，極大地促進了故障電弧的智能化檢測與控制的智能化發展.沈陽工業大學的王超利用故障電弧的電流數據特征判定故障電弧，經PIC單片機控制信號處理、脫扣執行，實現觸點斷開保護電路[2].河北工業大學的李新福與王靜紅分別利用小波變換域局部增強法對采集的電弧進行檢測提取[3]與基于拉格朗日函數的新型圖像邊緣檢測、自適應遺傳退火立體匹配算法提取電弧輪廓[4].通用電氣公司的專利[5-6]中先后提出了電弧故障電流斷路器與實現方法，通過離散小波變換方式可對AFCI電弧進行檢測的方法.浙江大學的鄒云峰采用自組織神經網絡和小波分析的數據挖掘，對低壓電弧故障的特征進行分析，歸納了低壓電弧的故障診斷方法[7].

3 總結與展望

低壓電弧故障斷路器的智能化發展與不斷完善，可實現對低壓電氣與線路產生的故障電弧及時準確的檢測，有效降低了電氣火災事故的發生.同時，AFCI處理芯片單元的集成度越來越高以及貼片化應用，使得AFCI斷路器的應用具有巨大的發展前景.隨著線路系統的復雜化、低壓電器的高度智能化發展，為保證復雜負荷下的故障電弧保護，低壓電弧故障斷路器在功能上需要進一步提升檢測方式與控制的精度與效率的智能化水平，實現低壓電弧故障短路器的多元化應用.

[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：沈陽工業大學.2009.

[3]李新福.低壓電器電弧仿真研究 [D].天津：河北工業大學，2004.

[4]王靜紅.電器電弧運動機理及圖像處理的研究 [D].天津：河北工業大學，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，2010.