故障电弧断路器(AFCI)简介

传统断路器——过流、短路保护*
两极(2P)小型断路器
1.把手
2.线螺管机械机构
3.接触装置
4.接点- 连接负载
5.双金属片
6.调整螺丝
7.电磁螺线管
8.消弧装置
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4.UL1699标准
UL1699标准是用于规范AFCI的，该标准发展于 上世纪90年代，用以识别由过电流产生的电弧而 造成的家庭火灾。
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宁波习羽电子发展有限公司
电弧故障断路器（AFCI） 移动式漏电保护装置-多功能电路保护器
（AFCI/GFCI）
该公司已形成以AFCI/GFCI系列产品、电弧 故障断路器（AFCI）为主导，公司是目前 国内唯一具有AFCI、AFCI/GFCI自主知识 产权，获得了发明、实用等多项专利。
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五、相关讨论问题
1.传统断路器消弧装置*与AFCI相互之间有 没有什么关系？
2.在我们现有的条件下，测试的故障电弧电 流波形*应该如何进行分析？
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根据电弧电流的强度，故障电弧可以分为两类： 1.高水平电弧 2.低水平电弧。
根据电弧产生的位置又可分为三类： 1.串型电弧 2.对地电弧 3.线线电弧
1.串型电弧 2.对地电弧 3.线线电弧
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有数据显示： 仅 2-l0 A的电弧电流就可以产生 2000-4000℃的局部高温 ， 0.5 A 的电弧电流就足以引起火灾。
故障电弧断路器 （AFCI）简介
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一、引言 二、相关理论介绍 三、故障电弧检测 四、已有研究成果 五、相关讨论问题
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一、引言
火灾是发生频繁且极具毁灭性的灾害。 引起电气火灾的原因主要有两个： 1、由电流因素引起的电气火灾。电流在导
线上产生大量的热，致使绝缘损坏，从而 引起火灾。如短路过载引起的电气火灾。
称“电流零区”。 5、电压波形接近矩形 ，在电流零区变化率
较其他时间大，在电流过零时最大。 6、故障电弧经常是零星的、间歇的。 7、电流波形具有很强的随机性。
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3.AFCI和传统断路器
AFCI：Arc-Fault Circuit-Interrupter 电弧故障断路器 /故障电弧断路器
常见的断路器为低压断路器，又称自动开关，它 是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、 欠压、过载和短路保护的电器。
小波变换
*采用小波包频带能量分析方法，提取出弧声的特征参数与 电极形式、放电距离、放电电压有密切关系。
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基于小波分析的故障电弧 伴生弧声特征提取 （广西工学院.华侨大学08.8）
在故障电弧伴生早期弧声频谱特性研究的 基础上,提出基于小波包分解的早期弧声频 带局部能量特征参数的快速提取方法。
实验研究表明,弧声出现两个前后能量变化 明显的频带,可以作为识别早期弧声的特征 参数。通过在线监测信号这两个特征子频 带能量的变化即可判断早期故障弧声是否 存在,从而实现故障电弧的早期预测预警。
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关联维数的应用（华侨大学 08）
故障电弧的弧声产生可分成两个阶段: 第1阶段有弧声产生,但没有燃弧现象; 第2阶段既有弧声产生,又有燃弧现象。
关联维数能有效量化表征湮没在背景噪声中微弱弧 声时间序列的变化情况,设定关联维数阈值,以第1 阶段的弧声为早期表征信息,建立故障电弧早期预 警系统;以第2阶段的弧声和弧光为综合判据建立故 障电弧报警系统。
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电弧
常见于电车与轨道间的电弧
利用电弧原理的电焊
利用电弧原理的电弧灯
两支钉之间的3000V电弧
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2.故障电弧定义及其特点
根据电弧产生的机理，电弧可以分为两类： 1.好弧（插拔电器时产生的电弧等） 2.坏弧（故障电弧）
故障电弧产生的主要原因是电线等电气绝缘老化、破损， 空气潮湿引起的空气击穿，或者电气连接松动等。
傅立叶分解：将采集到的电流值和电压值综合考虑，得
到能量的傅立叶分解，将结果作为判断电弧故障依据。 *因为负载性质、电源质量等因素，可能会产生误判断。
ANN (Artificial Neural Network:人工神经网络) ：
将傅立叶分解后的结果引入神经网络进行训练，得到较精 确的结果。 *传统的FFT变换要求系统线性以及稳定的信号，但是电弧 故障信号具有非线性以及随机性的特征。
传统的断路器只对过流、短路起保护作用，而这 里所说的AFCI，是在这基础上添加了对故障电弧 起保护作用的功能，以防范电弧引发的火灾。它 是一种电路保护装置，主要作用是为了防止由故 障电弧引起的火灾。它有检测并区别电器启停或 开关时产生的正常电弧和故障电弧的能力，在发 现故障电弧时及时切断电源。
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在电弧没有发生燃弧之前有比较微弱的弧声信号, 完全湮没在强背景噪声中,将含有噪声的弧声信号 作为周期策动力加入混沌检测系统中,如果混沌检 测系统处于间歇混沌状态,证明有电弧弧声产生,则 故障电弧监测系统发出预警信号。
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2.频域中的检测
有研究表明，发生电弧时，在一定的频率范围内，电流的 谐波含量明显增多。可以在频域中进行电弧故障检测。
现在该标准可用于规范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。
AFCI如何工作：根据UL1699标准，在交流线路 上，当AFCI在0.5秒内察觉到8个半周的故障电弧， 断路器执行脱口，切断交流线路。
在实际的应用中，AFCI不仅仅要符合UL1699这 个安全标准，更加要满足于“产品适用性”要求。
局限性： 检测电弧用的传感器有其特定的安装位置， 不适用于线路稍长的设备中。此外，该设 备需要增加的设备较多。因此此类检测装 置一般适用于开关电源柜等场合。
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Lyapunov指数法（华侨大学 08.4）
弧前早期声音信号可以作为故障电弧的早 期特征信号,利用混沌系统对初值的敏感性, 以Lyapunov指数为混沌振子运动状态的判 据能准确地检测出故障电弧的早期特征信 号,在未形成故障电弧的早期阶段加入声音 预警机制,从而可以避免燃弧发生和误判。 给出了未形成故障电弧之前早期定量探测 分析的标准,该判断方法能很容易实现在 ARM、DSP中编程。
下图是故障电弧引起的电气损坏：
故障电弧引起的绝缘损坏
接触不良的接线柱碳化
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故障电弧电流的波形大致为正弦波形。 故障电弧电压波形则较为复杂。*
故障电弧电流波形
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低压故障电弧的典型特征
1、电流波形中含有丰富的高频噪声。 2、故障电弧上有电压降。 3、电流上升速度通常比正常状态要大 4、每半个周期都存在电流接近零的区域，
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硬件框图
电流互感圈 信号强化
50-60Hz
200KHZ 1ms
250KHz
双路非反向运放
1A双向可控硅
电弧发生时， 交流电源电压 不稳定，需要 对电压绝对值 进行采样。
过流采样电路
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软件介绍
作为一个全功能智能断路器，其软件具备 以下几项基本功能： 1.准确的电弧检测 2.快速的电弧特性分析 3.丰富的负载电弧特征曲线储备
ຫໍສະໝຸດ Baidu21
四、已有研究成果
美国GE公司的AFCI
•美国科研人员开发了AFCI。2001 年美国有关部门规定，新建的住 宅中都要安装这种装置。目前美 国GE公司、德州仪器公司和德国 西门子公司生产这种装置。 •图为美国GE公司生产的AFCI。
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西门子
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美国Eaton电气品牌Cutler Hammer
1.AFCI 2.移动式漏电保护装置
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瑞萨科技（北京）有限公司的AFCI
通过电流互感器感应交流电流的大小 和di/dt,然后用运放进行处理后,将信号 再输入微控制器单元进行模数转换处 理,微控制器将采样数值进行分析。 如果符合故障电弧的特性,控制器将发 出断路器脱扣信号,断路器断开。 当然传统的过流、短路和漏电保护功 能可方便地被集成,只要再增加一个电 流互感器。
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1.电弧定义及其特点
电弧：一种气体放电现象，电流通过某些 绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。
电弧中的电流从微观上看是电子及正离子 在电场作用下移动的结果，其中电子的移 动构成电流的主要部分。
电弧的特点：温度很高，电流很小，持续 时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。 电弧放电时，会产生大量的热，能引燃周 围的易燃易爆品，造成火灾甚至爆炸。
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3.LabWindows/CVI故障电弧 在线检测系统 (河南理工大学 08.02)
该系统以AT89S51单片机为下位机,用以检测6路 电流信号,并将检测的电流信号通过串行口传送到 上位机.上位机以LabWindows/CVI为开发平台开 发了上位机程序.上位机程序运用多线程技术对供 电线路的电流信号进行在线检测和分析,并通过故 障电弧检测算法确定是否有故障电弧发生.故障电 弧检测算法是通过检测电流信号中是否有周期性 奇异点来判断供电线路中是否有故障电弧.实验表 明,该系统能有效地对供电线路故障电弧进行实时 检测.
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三、故障电弧检测
1.利用物理特性检测
Lyapunov指数法 关联维数的应用 Duffing振子信号探测
2.频域中的检测
基于小波分析的故障电弧伴生弧声特征提取
3.LabWindows/CVI在线检测系统
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1.利用物理特性检测
利用电弧放电时光、热、声音、电磁辐射 等特性作为检测依据。
2、由故障电弧引起的电气火灾。电气故障 产生温度较高的故障电弧或电火花引燃周 围的可燃物或导线绝缘，从而引起电气火 灾。如电气部件接触不良接地故障产生电 弧或电火花引起的电气火灾。
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二、相关理论介绍
1.电弧定义及其特点 2.故障电弧定义及其特点 3.AFCI和传统断路器 4.UL1699标准
弧声处在非常杂的背景噪声中,这给有效提取弧声 并加以利用带来了一定的困难。利用信号的关联维 数可有效判断是否有故障电弧产生,通过大量的试 验可设定弧声合适的关联维数阈值。
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Duffing振子信号探测（华侨大学06.12）
Duffing振子信号检测技术利用混沌系统的分岔特 性来检测外界信号,将待测信号作为Duffing方程周 期策动力的摄动,利用初值敏感性可以获得很高的 测量灵敏度和良好的抗噪性能。