電弧保護裝置的設計

曾廣周，萬 全，喬予思，步國超，霍 虎

（北京林業大學理學院 電子信息科學與技術系，100083）

0 引言

在日常生活、工業中，各類電器設備的使用過程中可能引起火災。火災的發生將帶來大量的人財損失。電器火災的發生主要有兩個原因：由電流因素引起的電器火災和由故障電弧引起的電器火災。

由電流因素引起的電器火災主要是有短路和過載，這種因素通常會由于產生的大電流而觸動斷路器或空氣開關瞬時動作切斷電源，避免火災。而故障電弧引起的火災主要由于電線外皮氧化、老化、電線虛接、松動等引起。電弧因素由于故障電弧持續帶來高溫很容易引燃附近可燃物質，但接地故障引起的電流較小，不足以使斷路器動作跳閘切斷電源，是難以預知的火災因素。

1 基本概念

1.1 電弧

電弧是一種氣體游離放電現象，也是一種等離子體。電弧中的電流從微觀上看是電子及其正離子在電場作用下的移動結果。

根據電弧產生的機理，可分為兩類：好弧與壞弧。好弧：是一種正常的操作弧，主要指電機旋轉（如電鉆、吸塵器等）產生的弧，呈現周期性，在可控范圍內；以及當人們開關電器，插拔電器時產生的弧，時間短暫，無持續高溫。壞弧：是故障電弧。因膠皮氧化導致的電線虛接、短接，產生大量熱，因不會產生大的電流通過電路，使其產生時并不能被空氣開關及斷電器檢測，而其產生的持續高溫極易引燃周圍易燃物，在工廠、學校及其他公共場所應盡量避免。

1.2 國際標準

國際上從20世紀90年代開始對電弧故障起因造成的損害及防范措施進行深入細致的研究，美國科研人員隨即開發了AFCI（Arcing Fault Circuit Interrupter ：電弧故障斷路器）。UL1699標準是規范AFCI的，UL1699用以識別由過電流產生的電弧而造成的家庭火災。傳統的斷路器可以對過電流提供保護，然而研究發現在沒有過電流發生的情況下，由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發火災。現在UL1699可用于規范AFCI技術在家用斷路器、墻式安裝插座，以及便攜式AFCI插座的應用。

1.3 國內狀況

國內對電弧檢測和保護的研究相對起步較晚，電弧故障斷路器在我國還是新興的產品且相關標準還未制定，無論是理論還是實際轉換成的產品，都落后于國外。目前，國內沒有建立起故障電弧的數據庫，AFCI的市場化生產還處于起步階段，國內的一些廠家生產的AFCI成品，主要是面向北美出口的空調插頭，國內外市場上針對低壓配電系統的AFCI產品，都是針對120V，60HZ的負荷設備開發的。針對我國的220V/AC，50Hz配電系統的AFCI產品仍是一項嶄新而有前景的技術。

2 方法選取

2.1 檢測物理量選取

可用于檢測電弧的物理參數很多，如溫度、弧光等，但此類物理量只能通過傳感器檢測，并且傳感器必須置于電弧發生處。而實際上，故障電弧發生的地點是不確定的，傳感器的方法不能對電路進行全面檢測。安裝過多的傳感器以達到對整個電路的檢測是一種低效的檢測方式。

家用電路中，線路主要以阻性電路為主，電感性電路為次。因此，可選用電路中的電壓、電流及其相位進行實時檢測。只需解決用一定算法對電路中的電流、電壓進行分析，判斷出故障電弧，采取動作。

2.2 檢測方法選取

電路中的電壓、電流及其相位可反映呈現可觀測的波形。選取檢測方法時只需通過對正常電路中電流、電壓波形與故障電弧中電流、電壓進行分析，找出兩種情況的異同，并采用一定算法對兩種波形進行分辨。經過大量實驗，周期差別檢驗算法完全適用故障電弧的檢測。

3 工作原理

3.1 電弧保護裝置研究原理

互感線圈采集電路中電壓、電流信號，將其送入跟隨電路，進行濾波。將信號放大后濾波后再送入A/D轉換環節，將模擬信號轉換為數字信號。將數字信號采集送入單片機中進行運算處理，利用周期差別檢驗算法判定，超出預設故障值后發出信號切斷電路，并發出警報。用戶操作開關停止報警。復位后，裝置重新開始檢測。圖中顯示了各個環節的流程圖。其中數據采集電路是前期用來對故障電弧電路以及正常電路信號的數據采集。對大量數據分析以得到更加合理高效的算法，使其能達到正確檢測的目的。

3.2 周期差別檢驗算法

周期差別檢驗算法原理：

微處理器可以通過用一種或多種算法處理儲存的電壓/脈沖數據而確定電弧事件的發生。經過對數據的分析處理，周期差別算法的意義在于能夠區分電網中周期性穩定影響與非周期性的隨機影響。實際電路中，電網頻率的輕微波動與電機類電路中均有強度不等的周期性電弧，此類電弧因呈現周期性，被稱為好弧，對電路不會產生不良影響。而故障電弧產生的高頻電流信號則是隨機的，強度大時極易引發明火造成火災，應予以避免。

用周期差別檢驗算法區分故障電弧和重復或連續變化的干擾負載。即：

電流相信號：

電壓相信號：

式中，Vn-1及In-1分別表示于第一周期所測量的電壓數值與電流數值；Vn及In分別表示于第二周期所測量的電壓數值與電流數值；Vn+1及In+1分別表示第三周期相應的電壓測量與電流測量結果。通過式（1）計算得到電流相信號值Di，確定Di是否超過所設定的閾值。其中的閾值是經過大量實驗測試所得到，不同負載應設定不同閾值，以達到準確精密的檢測和降低誤判率。當Di超過此閾值情況下認為檢測到電弧故障，裝置起動保護動作將電路斷開，而通過（2）式計算得到電壓相Dv，確定Dv是否超過設定的閾值。設定電壓電流兩相電路檢測使得跟精確判斷電路中故障電弧是否發生。

為了進一步提高可靠性，往往還需要在每個電壓半周期內所發生的由于電弧導致的高頻噪聲信號的幅值和頻率進行統計，同時測量每個高頻噪聲信號發生的時刻并進行綜合確定。由于電弧的混沌性質，電弧故障時一般每個線電壓半周期產生可變幅值和頻率的高頻信號噪聲。因為重復或連續變化的干擾負載每電壓半周期內發生的高頻信號基本一致且發生的時刻基本相同，具有周期性的特點，而電弧則具有非常大的隨機性，這些特點可以通過周期差別檢驗算法檢測出擾亂負載還是電弧故障。

3.3 算法流程

（1）開始

（2）對采樣值進行周期差別檢驗算法。

（3）計算值大于閾值則繼續執行。若計算值小于閾值則直接跳至第（4）步。

（4）脫扣動作。

（5）結束。

4 裝置測試與分析

4.1 實驗過程

裝置測試采用控制實驗變量法。如圖所示，將空氣開關接入家用交流電路中，以日光燈代替阻性家用電器。在電路中撥開電線皮，用事先磨好的石墨粉灑向撥開皮的零線火線之間以模擬電弧產生過程。實驗步驟1.2的保護只有空氣開關；實驗步驟3.4的保護加入自制電弧保護裝置，串聯入家用電路中。

實驗步驟：

步驟1.接好電路，接通電源，電燈正常發光。

步驟2.在實驗裝置1中電線裸露處灑下磨好的碳粉，模擬電線皮逐漸碳化的過程，觀察實驗現象。并根據情況適時切斷電源，避免火災，操作時注意用電安全。

步驟3.加入電弧保護裝置，接通電源，電燈正常發光。

步驟4.在實驗裝置2中電線裸露處灑下磨好的碳粉，模擬電線皮逐漸碳化的過程，觀察實驗現象。并根據情況適時切斷電源，避免火災，操作時注意用電安全。

4.2 實驗結果與結論分析

4.2.1 實驗現象：

步驟2后可清晰的觀察到，故障電弧發生處產生了激烈的火花，并有明火產生的現象。而此時并未見空氣開關有任何操作。用電器仍然正常工作。

步驟4后可觀察到，故障電弧發生處一旦有輕微火花產生時，電弧保護裝置便切斷電路，并發出報警，此后用電器停止工作，電弧產生處停止進一步惡化，而空氣開關未有任何操作。

4.2.2 實驗分析：

經過大量的實驗，實驗結果均符合上述描述。又實驗結果可分析得到，故障電弧產生后，首先產生火花，然后逐漸產生明火，若周圍有易燃易爆物品，這個過程的危害十分嚴重。

而裝在電路中的空氣開關對電路產生的故障電弧未有任何保護作用，使得完全有必要對現如今家用以及工廠等公共場合是用的電路保護裝置進行改進的必要。

故障電弧保護裝置的設計有效的保護了電路。在220v/50Hz的電路中，電流不小于80-100mA的情況下，故障電弧發生的電路均能被成功的切斷，故障電弧保護裝置的反應平均時間以及切斷時間之和為27ms。且加入電器的瞬間產生的隨機電弧有軟件區分，避免錯誤操作。

另外生活中存在這樣一種情形：老鼠咬破電線后，被裸露的電線電死，其尸體將被燒焦及碳化。這時在火線與零線之間存在虛接，亦將產生電弧，此時產生的壞弧也應該被檢測并避免。

設計實驗時采用豬肉代替老鼠置于裸露電路之間。這時豬肉瞬間燒焦呈碳化物，部分實驗中空氣開關能實現正確斷路，因其造成的電路短路將產生較大電流。而也存在實驗時，碳化物未完全覆蓋于火線零線之間，此時有輕微連續非周期電弧產生。此時保護裝置仍能進行正確區別。

[1]吳卓奇，王莉.《故障電弧檢測概述》.南京航空航天大學.

[2]蔡彬，陳德桂，吳銳.《開關柜內部故障電弧的在線檢測與保護裝置》.電工技術學報，2005，20（10）.

[3]郭立東，程紅，陳小娟.《針對住宅的智能電弧斷路器的系統的設計》.中國礦業大學（北京）.