智能化低压故障电弧的检测技术分析

刘金河，孙 鸣，董维超

（1.河北工业大学 现代化教学中心，天津 300401；2.康乃尔大学 电气工程学院，美国伊萨卡 14850）

伴随着全球社会科技与经济的持续快节奏发展，我国城市化水平不断提高，低压电器被广泛应用于工业与民用.近些年来，我国城市供电线路与系统日趋复杂化、密集化，工业与生活用电量剧增.由于终端低压电气设备自身可靠性、线路绝缘老化及短路的电气线路故障等诸多原因，电气设备与线路极易产生低压故障电弧（电弧可产生高达10 000～20 000 K[1]温度的火花，足以引燃其它周边材料产生火灾）而频频诱发重大电气火灾，严重威胁国民经济发展与生命财产安全，因此用电安全保护措施与火灾预防备受关注.有关数据显示，由低压故障电弧产生持续燃弧诱发的电气火灾逐年剧增，是造成近些年来我国建筑火灾的最主要原因.因此，针对电弧故障保护的相关机制研究，通过合理设计与应用，对电气线路所产生的故障电弧实现及时、准确检测和清除电弧故障的保护装置，是有效减少电气火灾发生的重要途径.

传统的过电流保护断路器和剩余电流保护器等电气设备与线路保护装置，通常只是为防止线路漏电流、过流、短路，不能完全、有效检测到线路中随机产生、低于工作电流的故障电弧，所以无法起到对故障电弧的根本保护作用.相比而言，通过在电气线路上安装故障电弧断路器（如图1，图2所示，为ABB公司生产的MCCB型双断路断路器结构及双断路设计，适用短路电流为100～1 600 A），实现对线路产生故障电弧的全面检测，及时通过自动断电措施切断电源达到消除故障电弧，避免负荷损坏，有效减少了此类由故障电弧引发电气火灾事故的发生.美国电气制造商协会（NEMA）在2007年发布的《电弧故障断路器提高了家居安全》白皮书中提出电弧故障断路器(AFCI)，在火灾起始阶段就阻止其发生，是“防患于未然”的新技术.

图1 ABB的MCCB断路器结构图Fig.1 The inside view of MCCB,by ABB

1 AFCI工作基本原理与应用

减少低压电器的故障电弧产生的危害性，最有效的方式是通过故障电弧保护装置减少切断电源前故障电弧持续存在时间.低压电弧故障断路器可有效起到减少故障电弧切断电源前故障电弧持续存在时间.AFCI工作基本原理为：通过连续监测与捕捉线路的故障电弧特征，将信号通过转换完成数字化，提取电弧特征以判别故障电弧是否存在，并防止误动作（误脱扣）的发生.若存在故障电弧，则输出信号指令AFCI断路器断开，完成对电路故障电弧的全面保护作用.

线路中实际产生的故障电弧的特征形式体现为温度变化、强闪光、气压、电压与电流变化.因此，电弧故障断路器据此可划分为电子AFCI、光电AFCI、温控AFCI及气压AFCI.其中，产品应用最广泛的是光电AFCI和电子AFCI，二者特性及应用如表1所示.

图2 ABB的MCCB断路器产品双断路功能Fig.2 The function of MCCB with double interruption,by ABB

表1 光电AFCI和电子AFCI特性与应用Tab.1 Characters and application of photoelectric AFCI and electric

2 故障电弧的智能化检测与控制

图3 典型的电弧电流信号波形（叠加AFCI信号）Fig.3 The typical waveform of arc current signal w ith AFCI tripped

如图3所示，给出了典型的含有故障电弧电流波形，可以看出其具有正弦性与随机性.对故障电弧的检测、控制精度与效率是影响低压电弧故障断路器性能的关键与核心.

现代信息传输、传感及人工智能多种技术的综合应用，极大地促进了故障电弧的智能化检测与控制的智能化发展.沈阳工业大学的王超利用故障电弧的电流数据特征判定故障电弧，经PIC单片机控制信号处理、脱扣执行，实现触点断开保护电路[2].河北工业大学的李新福与王静红分别利用小波变换域局部增强法对采集的电弧进行检测提取[3]与基于拉格朗日函数的新型图像边缘检测、自适应遗传退火立体匹配算法提取电弧轮廓[4].通用电气公司的专利[5-6]中先后提出了电弧故障电流断路器与实现方法，通过离散小波变换方式可对AFCI电弧进行检测的方法.浙江大学的邹云峰采用自组织神经网络和小波分析的数据挖掘，对低压电弧故障的特征进行分析，归纳了低压电弧的故障诊断方法[7].

3 总结与展望

低压电弧故障断路器的智能化发展与不断完善，可实现对低压电气与线路产生的故障电弧及时准确的检测，有效降低了电气火灾事故的发生.同时，AFCI处理芯片单元的集成度越来越高以及贴片化应用，使得AFCI断路器的应用具有巨大的发展前景.随着线路系统的复杂化、低压电器的高度智能化发展，为保证复杂负荷下的故障电弧保护，低压电弧故障断路器在功能上需要进一步提升检测方式与控制的精度与效率的智能化水平，实现低压电弧故障短路器的多元化应用.

[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.电弧故障断路器的研究 [D].沈阳：沈阳工业大学.2009.

[3]李新福.低压电器电弧仿真研究 [D].天津：河北工业大学，2004.

[4]王静红.电器电弧运动机理及图像处理的研究 [D].天津：河北工业大学，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]邹云峰.低压电弧故障研究及诊断 [D].杭州：浙江大学，2010.