电弧保护装置的设计

曾广周，万 全，乔予思，步国超，霍 虎

（北京林业大学理学院 电子信息科学与技术系，100083）

0 引言

在日常生活、工业中，各类电器设备的使用过程中可能引起火灾。火灾的发生将带来大量的人财损失。电器火灾的发生主要有两个原因：由电流因素引起的电器火灾和由故障电弧引起的电器火灾。

由电流因素引起的电器火灾主要是有短路和过载，这种因素通常会由于产生的大电流而触动断路器或空气开关瞬时动作切断电源，避免火灾。而故障电弧引起的火灾主要由于电线外皮氧化、老化、电线虚接、松动等引起。电弧因素由于故障电弧持续带来高温很容易引燃附近可燃物质，但接地故障引起的电流较小，不足以使断路器动作跳闸切断电源，是难以预知的火灾因素。

1 基本概念

1.1 电弧

电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及其正离子在电场作用下的移动结果。

根据电弧产生的机理，可分为两类：好弧与坏弧。好弧：是一种正常的操作弧，主要指电机旋转（如电钻、吸尘器等）产生的弧，呈现周期性，在可控范围内；以及当人们开关电器，插拔电器时产生的弧，时间短暂，无持续高温。坏弧：是故障电弧。因胶皮氧化导致的电线虚接、短接，产生大量热，因不会产生大的电流通过电路，使其产生时并不能被空气开关及断电器检测，而其产生的持续高温极易引燃周围易燃物，在工厂、学校及其他公共场所应尽量避免。

1.2 国际标准

国际上从20世纪90年代开始对电弧故障起因造成的损害及防范措施进行深入细致的研究，美国科研人员随即开发了AFCI（Arcing Fault Circuit Interrupter ：电弧故障断路器）。UL1699标准是规范AFCI的，UL1699用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护，然而研究发现在没有过电流发生的情况下，由小电流引起的故障电弧也有足够的能量引发火灾。现在UL1699可用于规范AFCI技术在家用断路器、墙式安装插座，以及便携式AFCI插座的应用。

1.3 国内状况

国内对电弧检测和保护的研究相对起步较晚，电弧故障断路器在我国还是新兴的产品且相关标准还未制定，无论是理论还是实际转换成的产品，都落后于国外。目前，国内没有建立起故障电弧的数据库，AFCI的市场化生产还处于起步阶段，国内的一些厂家生产的AFCI成品，主要是面向北美出口的空调插头，国内外市场上针对低压配电系统的AFCI产品，都是针对120V，60HZ的负荷设备开发的。针对我国的220V/AC，50Hz配电系统的AFCI产品仍是一项崭新而有前景的技术。

2 方法选取

2.1 检测物理量选取

可用于检测电弧的物理参数很多，如温度、弧光等，但此类物理量只能通过传感器检测，并且传感器必须置于电弧发生处。而实际上，故障电弧发生的地点是不确定的，传感器的方法不能对电路进行全面检测。安装过多的传感器以达到对整个电路的检测是一种低效的检测方式。

家用电路中，线路主要以阻性电路为主，电感性电路为次。因此，可选用电路中的电压、电流及其相位进行实时检测。只需解决用一定算法对电路中的电流、电压进行分析，判断出故障电弧，采取动作。

2.2 检测方法选取

电路中的电压、电流及其相位可反映呈现可观测的波形。选取检测方法时只需通过对正常电路中电流、电压波形与故障电弧中电流、电压进行分析，找出两种情况的异同，并采用一定算法对两种波形进行分辨。经过大量实验，周期差别检验算法完全适用故障电弧的检测。

3 工作原理

3.1 电弧保护装置研究原理

互感线圈采集电路中电压、电流信号，将其送入跟随电路，进行滤波。将信号放大后滤波后再送入A/D转换环节，将模拟信号转换为数字信号。将数字信号采集送入单片机中进行运算处理，利用周期差别检验算法判定，超出预设故障值后发出信号切断电路，并发出警报。用户操作开关停止报警。复位后，装置重新开始检测。图中显示了各个环节的流程图。其中数据采集电路是前期用来对故障电弧电路以及正常电路信号的数据采集。对大量数据分析以得到更加合理高效的算法，使其能达到正确检测的目的。

3.2 周期差别检验算法

周期差别检验算法原理：

微处理器可以通过用一种或多种算法处理储存的电压/脉冲数据而确定电弧事件的发生。经过对数据的分析处理，周期差别算法的意义在于能够区分电网中周期性稳定影响与非周期性的随机影响。实际电路中，电网频率的轻微波动与电机类电路中均有强度不等的周期性电弧，此类电弧因呈现周期性，被称为好弧，对电路不会产生不良影响。而故障电弧产生的高频电流信号则是随机的，强度大时极易引发明火造成火灾，应予以避免。

用周期差别检验算法区分故障电弧和重复或连续变化的干扰负载。即：

电流相信号：

电压相信号：

式中，Vn-1及In-1分别表示于第一周期所测量的电压数值与电流数值；Vn及In分别表示于第二周期所测量的电压数值与电流数值；Vn+1及In+1分别表示第三周期相应的电压测量与电流测量结果。通过式（1）计算得到电流相信号值Di，确定Di是否超过所设定的阈值。其中的阈值是经过大量实验测试所得到，不同负载应设定不同阈值，以达到准确精密的检测和降低误判率。当Di超过此阈值情况下认为检测到电弧故障，装置起动保护动作将电路断开，而通过（2）式计算得到电压相Dv，确定Dv是否超过设定的阈值。设定电压电流两相电路检测使得跟精确判断电路中故障电弧是否发生。

为了进一步提高可靠性，往往还需要在每个电压半周期内所发生的由于电弧导致的高频噪声信号的幅值和频率进行统计，同时测量每个高频噪声信号发生的时刻并进行综合确定。由于电弧的混沌性质，电弧故障时一般每个线电压半周期产生可变幅值和频率的高频信号噪声。因为重复或连续变化的干扰负载每电压半周期内发生的高频信号基本一致且发生的时刻基本相同，具有周期性的特点，而电弧则具有非常大的随机性，这些特点可以通过周期差别检验算法检测出扰乱负载还是电弧故障。

3.3 算法流程

（1）开始

（2）对采样值进行周期差别检验算法。

（3）计算值大于阈值则继续执行。若计算值小于阈值则直接跳至第（4）步。

（4）脱扣动作。

（5）结束。

4 装置测试与分析

4.1 实验过程

装置测试采用控制实验变量法。如图所示，将空气开关接入家用交流电路中，以日光灯代替阻性家用电器。在电路中拨开电线皮，用事先磨好的石墨粉洒向拨开皮的零线火线之间以模拟电弧产生过程。实验步骤1.2的保护只有空气开关；实验步骤3.4的保护加入自制电弧保护装置，串联入家用电路中。

实验步骤：

步骤1.接好电路，接通电源，电灯正常发光。

步骤2.在实验装置1中电线裸露处洒下磨好的碳粉，模拟电线皮逐渐碳化的过程，观察实验现象。并根据情况适时切断电源，避免火灾，操作时注意用电安全。

步骤3.加入电弧保护装置，接通电源，电灯正常发光。

步骤4.在实验装置2中电线裸露处洒下磨好的碳粉，模拟电线皮逐渐碳化的过程，观察实验现象。并根据情况适时切断电源，避免火灾，操作时注意用电安全。

4.2 实验结果与结论分析

4.2.1 实验现象：

步骤2后可清晰的观察到，故障电弧发生处产生了激烈的火花，并有明火产生的现象。而此时并未见空气开关有任何操作。用电器仍然正常工作。

步骤4后可观察到，故障电弧发生处一旦有轻微火花产生时，电弧保护装置便切断电路，并发出报警，此后用电器停止工作，电弧产生处停止进一步恶化，而空气开关未有任何操作。

4.2.2 实验分析：

经过大量的实验，实验结果均符合上述描述。又实验结果可分析得到，故障电弧产生后，首先产生火花，然后逐渐产生明火，若周围有易燃易爆物品，这个过程的危害十分严重。

而装在电路中的空气开关对电路产生的故障电弧未有任何保护作用，使得完全有必要对现如今家用以及工厂等公共场合是用的电路保护装置进行改进的必要。

故障电弧保护装置的设计有效的保护了电路。在220v/50Hz的电路中，电流不小于80-100mA的情况下，故障电弧发生的电路均能被成功的切断，故障电弧保护装置的反应平均时间以及切断时间之和为27ms。且加入电器的瞬间产生的随机电弧有软件区分，避免错误操作。

另外生活中存在这样一种情形：老鼠咬破电线后，被裸露的电线电死，其尸体将被烧焦及碳化。这时在火线与零线之间存在虚接，亦将产生电弧，此时产生的坏弧也应该被检测并避免。

设计实验时采用猪肉代替老鼠置于裸露电路之间。这时猪肉瞬间烧焦呈碳化物，部分实验中空气开关能实现正确断路，因其造成的电路短路将产生较大电流。而也存在实验时，碳化物未完全覆盖于火线零线之间，此时有轻微连续非周期电弧产生。此时保护装置仍能进行正确区别。

[1]吴卓奇，王莉.《故障电弧检测概述》.南京航空航天大学.

[2]蔡彬，陈德桂，吴锐.《开关柜内部故障电弧的在线检测与保护装置》.电工技术学报，2005，20（10）.

[3]郭立东，程红，陈小娟.《针对住宅的智能电弧断路器的系统的设计》.中国矿业大学（北京）.