线缆式故障电弧断路器行业进展

麦智炜 马兴灶 王碧滢

（1.岭南师范学院 湛江 524048； 2.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

前言

电弧现象极其常见，俗称打火，是一种电场击穿空气产生的放电现象，放电的时候会产生高温高热[1]。

生活当中存在很多电弧现象。有的电弧现象对人类有帮助，如电焊、活塞点火、节能灯启辉器等；有的电弧现象虽然对人类无帮助，但也不影响人类的生活，如开关通断、静电等；可是，有一类电弧现象却严重影响人类的安全，这类电弧现象被称作故障电弧[2]。

故障电弧就是用电线路由于非理想现象导致的电弧、打火。根本原因有以下两个：一是因为我们用电线路绝缘材料都是利用PVC等塑料材料，这种材料时间长了就会出现所谓的线路老化，有些接触不良、局部发热之后会加速降解、炭化；二是因为受外力的影响的破损，这些原因导致绝缘失效进而产生故障电弧[3]。

故障电弧分为以下两类[4]：

1）串联电弧

串联电弧如图1所示，串联电弧时由于电路的接触不良产生的，这就相当于把“电弧电路”串接到了电路中，而流经电弧的电流值会因电路负载而限流，因此，串联电弧不会超过导线的负荷[5]。

2）并联电弧

图1 串联电弧

图2 并联电弧

图2所示的并联电弧是一种类似短路的情况，考虑到并联电弧发生的位置，并联电弧为电路提供了新的导电通路，往往负载被短路，电弧能量和电流更大[6]。

1 故障电弧的危害

近几年来，多个知名家电品牌厂商的除湿机在美国出现起火召回现象，最终导致巨额赔款，品牌形象受损[7]。

1）格力电器：

据公开资料显示，在2005～2013年期间，格力电器生产的除湿机在北美的实体商店以及网站上销售，售价为110～400美元。这些产品共涉格力、Danby、De'Longhi、Fedders、Fellini、Frigidaire、GE、Kenmore、Norpole、Premiere、Seabreeze、SoleusAir 和SuperClima13个品牌。

美国消费品安全委员会称，截止2013年已经接到了450起上述除湿机发热起火事故报告，共造成约为1900万美元的财产损失。为此，自2013年以来，美国消费品安全委员会共启动了两次正式召回，数量共约为260万台。

2）LG电子：

据已公布的信息显示，截止2013年，LG电子(天津)公司已接到11起因使用这批除湿器而导致财产损失的事故报告，其中4起曾引发火灾，所幸目前尚无人员伤亡报告。

这批问题除湿器共使用两个品牌，一是“Goldstar”，产品型号为GHD30Y7和DH305Y7；二是“Comfort-Aire”，产品型号为BHD-301-C。这些产品曾于2007年1月至2008年6月期间，在美国家得宝(Home Depot)、沃尔玛等零售店销售，售价在140～150美元之间。

CPSC和加拿大卫生署表示，消费者在得到正确使用指导意见之前，应立即停用上述存在安全隐患的除湿器。LG电子(天津)配合CPSC、加拿大卫生署(Health Canada)完成9.8万台便携式除湿器召回活动[8]。

经历了上述几次召回事件后，美国政府意识到除湿机的起火风险较其它家电大，这是由于北美地区用户使用除湿机的习惯有关，北美用户一般会把除湿机放在地库，一年365天，每天24 h不停运作，除湿机工作时间长，而且无人监控，一旦出现老化故障，用户不能及时发现，因此容易导致起火现象。

为此，2014年，美国UL 474要求2017年以后销往北美的除湿机必须装配带故障电弧防护功能的保护器。

2 故障电弧断路器的分类

针对故障电弧断路器产品，美国消费品安全委员会CPSC，美国州消防署署长全国协会NASFM，美国国家消防协会NFPA，以及UL机构牵头制定了全球第一份故障电弧断路器检测标准UL 1699[9]。

UL 1699标准内规定了故障电弧断路器的几种形式：

1）支路/馈线式故障电弧断路器。这种断路器安装在支路的上端或者馈线上，比如安装在配电箱上为支路或者馈线线路提供保护。

2）出口线路式故障电弧断路器。安装在供电之路下端，比如出线盒，为电源引线和下游插座提供保护。

3）组合式故障电弧断路器。同时满足上述两种功能的断路器。

4）便携式故障电弧断路器。提供故障电弧保护的排插或插线板，能提供一路或多路输出。

5）线缆式故障电弧断路器。把故障电弧保护功能做在插头上，插头后端接有电源线，给特定家电或者设备提供保护。

UL 474中对除湿机提出强制使用的故障电弧断路器为线缆式故障电弧断路器，即2017年后，北美地区的除湿机必需把传统电源线替换为线缆式故障电弧断路器，否则不得销售[10]。

美的生产的除湿机在北美地区占主导份额，为了维持北美地区除湿机的销售，必须尽快研发出性能可靠及具备成本优势的线缆式故障电弧断路器。所以，下文主要针对线缆式故障电弧断路器的研究和开发进行叙述。

3 线缆式故障电弧断路器的发展现状

目前，全球只有8个厂家具备UL 1699认证，分别是GE、TI、西门子、Eaton、瑞萨科技、宁波习羽、苏州益而益、ABB[11]。而上述8个厂家的线缆式故障电弧断路器给美的报价在20美金～50美金/条。其中，第1章节也透露了北美除湿机的售价大概在110美金～400美金之间，占80 %销量的除湿机售价约为150美金，而除湿机原来采用的普通电源线仅1美金。也就是说，现有厂家提供的线缆式故障电弧断路器价格比原有普通电源线上涨至少2 000 %，迫使除湿机整机成本上涨13 %，这将会严重影响用户消费欲望。

导致线缆式故障电弧断路器价格高居不下的主要原因是故障电弧探测是一项较难的技术。最基本的难点是缺乏探测电弧信号的渠道。因为故障线路常常埋设在墙体中或者是家电内部，只能通过间接手段，如电流、电压这些信号来分析和判断。电流信号的辨识，首先它跟正常的负载容易混淆，图3是电弧发生时的电流曲线，突发电弧时是不光滑的，会有一个曲折。但是利用这个特征，会有很多误动作。如图4是卤素灯的工作电流，因为采用电子变压器降压，也具备相似的电流特征[12]。

为此，现有线缆式故障电弧断路器厂家采用了非常复杂的电路，如图5所示为西门子线缆式故障电弧断路器的硬件电路原理框图。电路中包含大量精密元器件，使得电控硬件BOM成本过高。

其次，厂家为了分辨正常工作电弧和故障电弧，同时对故障电弧实现快速响应，编写了非常复杂的算法。每个厂家的算法虽然不一样，但都是基于前期大量学者对电弧特点的研究和总结。目前，学术界认为，电弧信号具备如下特征：

1）电流波形中含有丰富的高频噪声；

2）电弧点存在电压下降；

图3 故障电弧电流波形

图4 卤素灯电流波形

图5 西门子线缆式故障电弧断路器的硬件电路原理框图

3）电流上升速度比正常状态大；

4）每半个周期都存在电流接近零的区域，即平肩部；

5）电弧的电压波形接近矩形；

6）故障电弧具备随机特性；

7）电弧的电流波形在一定频率范围内谐波含量明显增多[13]。

基于上述电弧特征，可以在频域中进行故障电弧检测，所以现有厂家采用的主流算法是快速傅立叶分解，将采集到的电流波形和电压波形综合考虑，得到能量的傅立叶分解，再根据其它判据来辨别故障电弧。但这类型算法需要处理器具备非常快速的计算能力，处理器一般要选择高速DSP或者ARM M4以上的芯片，成本非常高。

4 总结

目前，全球只有8个厂家通过了故障电弧断路器认证（UL 1699），因为具备生产资质的厂家很少，所以现有市场上的线缆式故障电弧断路器价格非常昂贵。设计一种价格有优势的线缆式故障电弧断路器具有非常重要的意义。