故障电弧断路器核心实验及电弧波形

故障电弧断路器核心实验及电弧波形
麦智炜1 马兴灶1 王碧滢2
（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）
摘要：故障电弧断路器的市场表现不尽理想，主要原因在于研发单位没有完全按照UL1699标准对产品进行测试，导致产品出现误脱扣问题和电弧检测性能差等情况。

本文根据UL 1699搭建实验设备，通过示波器抓取各实验中的负载电流，最后分析并终结出正常负载电流波形、正常操作电弧电流波形和故障电弧电流波形的具体特征。

实验结果显示，故障电弧电流波形夹杂高频成分，而且高频成分随机大量重复出现。

可以根据该特征设计故障电弧检测算法，生产出性能可靠的故障电弧断路器。

关键词：故障电弧；UL 1699；误脱扣；检测算法
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＦＣＩ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｇｏｏｄ，　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ　ｄｉｄ　ｎｏｔ　ｆｕｌｌｙ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＵＬ１６９９　ｓｔａｎｄａｒｄ，　ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｌｓｅ　ｔｒｉｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ａｒｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ＵＬ１６９９，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｃａｐｔｕｒｅｄ　ｂｙ　ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｏｒｍａｌ　ｌｏａｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ，　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｆａｕｌｔ　ａｒｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ａｒｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，　ｗｈｉｃｈ　ａｐｐｅａｒｓ　ｒａｎｄｏｍｌｙ　ａｎｄ　ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ．　Ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ａｒｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｉｓ　ｆｅａｔｕｒｅ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ａｒｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ　ｗｉｔｈ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ　ｆａｕｌｔ；　ＵＬ１６９９；　ｆａｌｓｅ　ｔｒｉｐｐｉｎｇ；　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
Ｋｅｙ　Ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ＡＦＣＩ
前言
故障电弧断路器又叫ＡＦＣＩ，论文库和网络上存在大量的关于故障电弧检测和设计类论文，这类论文都是基于自行研制的串行电弧工装，通过简易的电路进行故障电弧波形采集与分析，而学者们根据这类测试结果和分析结果设计了简易的故障电弧断路器样品，事实上，这样的设计是粗糙而且不完整的，这样不可能真正设计出故障电弧断路器产品。

真正的故障电弧断路器产品是安全保护类产品，必需通过相关认证才能生产和销售。

故障电弧断路器产品遵循ＵＬ　１６９９标准，该标准上详细描述的线缆式故障电弧断路器的关键测试方法。

所以，最合理的设计方式是安装ＵＬ　１６９９标准搭建实验电路，通过示波器抓去每一个试验的波形，综合所有测试波形，对故障电弧负载电流波形特征进行分析，总结和提炼出故障电弧负载电流波形的核心判断特征，指导线缆式故障电弧断路器产品的设计。

ＵＬ　１６９９标准中，故障电弧的关键测试包含两大类：负载误脱扣测试和故障电弧测试。

１负载误脱扣测试
ＵＬ　１６９９设计了一系列的测试，模拟家用电器各种
资助项目：广东省教育厅项目（2017KQNCX123）；湛江市财政科技专项竞争性分配项目（2017A03013）；岭南师范学院校级人才专项（ZL1806）。

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负载运行，考验ＡＦＣＩ在正常使用过程中是否会误脱扣，通过测试的产品才可保障消费者能正常使用。

１．１负载条件Ｉ——起动电流
１）通过一个控制开关给１　０００　Ｗ的钨丝灯通电，随机通电６０次。

每次通电之间，灯泡冷却１　ｍｉｎ［１］。

２）最大起动电流峰值为１３０　Ａ±１０　％的电容器起动空压机，空压机空压下起动，运行１　ｍｉｎ，重复５次。

１．２负载条件Ⅱ—正常操作电弧
１）起动额定电流为１０．８￣１２　Ａ的真空吸尘器，运行１　ｍｉｎ后用开关来关闭，重复５次　［２］。

２）应用一个通用的瞬动开关控制１　０００　Ｗ钨丝灯负载通断１０次，每分钟操作６到１０次。

１．３负载条件Ⅲ—非正弦波
１）用一个电子调光器控制１　０００　Ｗ钨灯负载。

调光器分别调整最亮状态，运行１　ｍｉｎ［３］。

２）　额定电流为５￣７　Ａ的手电转。

手电转在空载状态
下，以１０　ｓ为周期，其转速均匀地从最小变到最大然后
再到最小，此循环持续１　ｍｉｎ。

３）　开关电源在１２０　Ｖ下总负载电流至少为５　Ａ，电
源接通１　ｍｉｎ，然后关闭。

４）２个４０　Ｗ日光灯外加一个５　Ａ的阻性负载，灯
从冷态起动且运行至少１０ ｓ。

２　故障电弧测试
２．１碳化路径试验
试验装置可参照ＵＬ　１６９９设计。

实验过程中，如果
在０．５　ｓ内出现了８个半波的电弧，ＡＦＣＩ应断开电弧故障。

２．２点接触电弧试验
试验装置可参照ＵＬ　１６９９设计，试验应在ＡＦＣＩ的额
定电压下且７５　Ａ、１００　Ａ、１５０　Ａ、２００　Ａ、３００　Ａ和５００　Ａ图1 钨丝灯启动电流
图3 钨丝灯+调光器最亮状态
图2 钨丝灯开关通断图4 手电钻速度变化
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图7 碳化路径波形
图5 开关电源图8 点接触电弧试验200 A
图6 日光灯+阻性负载的电流下分别进行。

ＡＦＣＩ应在每个电流电平下进行试验。

如果在０．５　ｓ内出现８个半波的电弧，ＡＦＣＩ应断开电弧故障。

如果电弧少于８个半波且ＡＦＣＩ没有脱扣，则重新进行试验［５］。

２．３操作抑制试验
试验装置可参照ＵＬ　１６９９设计。

ＡＦＣＩ应该在下述每一个屏蔽负载下进行电弧试验。

１）负载误脱扣测试中所规定的真空吸尘器；２）　负载误脱扣测试中所规定的电子式开关电源；３）负载误脱扣测试中所规定的电容器起动电动机（空压机型）；
４）负载误脱扣测试中所规定的一个１　０００　Ｗ和６００　Ｗ的电子调光器；
５）两个４０　Ｗ的日光灯灯加一个５　Ａ的电阻性负载。

ＡＦＣＩ、电弧发生器和负载有４种连接方式。

在ＡＦＣＩ
脱扣之前的总的燃弧时间不应超过８个半周波［６］。

３故障电弧信号特征
３．１　无故障电弧下的信号特征
１章节中所述的实验负载条件Ｉ、负载条件ＩＩ、负载条件ＩＩＩ为正常操作信号，有些信号中存在正常操作电弧，并无故障电弧现象。

根据上述波形可知，正常操作信号具备以下特征：
１）负载条件Ｉ中，电流波形刚开始的峰值很高，接着电流波形峰值逐步下降并逐渐趋于稳定，电流波形不含有高频成分。

以钨丝灯为负载时，电流波形为正弦波形。

以空压机为负载时，电流波形存在一定的变形；
２）负载条件ＩＩ中，由于采用了开关类器件，而开关类器件在接通和断开时会存在正常操作电弧，所以测试
所得的电流波形中明显含有高频电弧成分。

但无论是吸
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尘器、电熨斗、钨丝灯，其电流波形中的电弧成分只出现在人为操作开关的瞬间，并不会自行重复出现，电弧出现的间隔时间非常长；
３）负载条件ＩＩＩ中，４个实验的波形都发生了非常大的畸变。

调光器和调速器的工作原理是通过可控硅斩波，靠改变斩波相位来调节输入电压，所以波形中每个半波周期都会存在斩波特征，而且是规律性出现，但不会包含高频成分。

开关电源的电流波形会存在明显的平肩部，从外观上很接近故障电弧波形，唯一的区别是平肩部附近并不存在高频成分［７］。

３．２　有故障电弧下的信号特征
２章节中所述的实验碳化路径试验、点接触电弧试验、操作抑制试验，都是通过认证规定的故障电弧发生工装产生故障电弧，故障电弧断路器检测到故障电弧信号后，必须在规定的时间内断开电源。

其中，碳化路径试验和点接触电弧试验的故障电弧信
图9 日光灯电路A 图11 日光灯电路C
图10 日光灯电路B 图12 日光灯电路
D
号非常相近，由于电弧能量大，所以电弧特征非常明显，电流波形中夹杂高频成分，而且随机大量出现，几乎每个半波都存在大量电弧高频特征，但并不一定会存在平肩部。

操作抑制试验一共包含４个测试电路，主要检查混合负载和复杂系统中的故障电弧识别能力。

第一个电路，也就是原始电路并不存在屏蔽负载，采用的是电阻负载，故障电弧特征明显，跟碳化路径试验和点接触电弧试验的结果类似，但故障电弧特征较碳化路径试验和点接触电弧试验弱些。

试验电路Ａ和试验电路Ｄ跟原始电路的故障电弧特征非常类似，只是由于负载原因，４种屏蔽负载均会导致电流波形发生畸变。

试验电路Ｂ和试验电路Ｃ是最难判断的，由于故障电弧发生位置前端存在负载，所以故障电弧信号会被一定程度衰弱，也就是说高频特征依然存在，只是高频特征的幅值会减少，需要对故障电弧高频特征准确抓取并
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放大，这两个电路非常考验识别算法［８］。

４　总结
通过对两大类故障电弧试验波形进行采集和分析，不但获得了详尽的数据，而且总结了故障电弧在电流波形中的具体特征，基于该特征，可以高效的制定线缆式故障电弧断路器的设计方向，从而进行硬件设计和软件算法的开发，最终可以指导并研发出能通过ＵＬ　１６９９认证标准的线缆式故障电弧断路器产品。

　
参考文献：
参考文献：
作者简介：
作者简介：
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麦智炜，博士，毕业于华南农业大学，主要从事故障电弧断路器的研发工作，申请发明专利57项。

通信作者：马兴灶，博士，毕业于华南农业大学，就职于岭南师范大学。

王玫，女，学士，高级工程师，主要从事轻工与儿童产品标准、检测研究工作。

３结论
本文通过优化仪器参数缩短了仪器检测时间，同时通过对前处理萃取温度及萃取时间的研究找出了一种适合于油性油墨的前处理方法，该方法操作简便、检出限低、重现性好，能快速准确测定油墨中甲醛含量，适用于油性油墨的日常检测及质量监控工作。

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