麥智煒 馬興灶 王碧瀅

（1.嶺南師范學(xué)院 湛江 524048； 2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

前言

故障電弧斷路器又叫AFCI，論文庫和網(wǎng)絡(luò)上存在大量的關(guān)于故障電弧檢測和設(shè)計類論文，這類論文都是基于自行研制的串行電弧工裝，通過簡易的電路進(jìn)行故障電弧波形采集與分析，而學(xué)者們根據(jù)這類測試結(jié)果和分析結(jié)果設(shè)計了簡易的故障電弧斷路器樣品，事實(shí)上，這樣的設(shè)計是粗糙而且不完整的，這樣不可能真正設(shè)計出故障電弧斷路器產(chǎn)品。

真正的故障電弧斷路器產(chǎn)品是安全保護(hù)類產(chǎn)品，必需通過相關(guān)認(rèn)證才能生產(chǎn)和銷售。故障電弧斷路器產(chǎn)品遵循UL 1699標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)上詳細(xì)描述的線纜式故障電弧斷路器的關(guān)鍵測試方法。所以，最合理的設(shè)計方式是安裝UL 1699標(biāo)準(zhǔn)搭建實(shí)驗電路，通過示波器抓去每一個試驗的波形，綜合所有測試波形，對故障電弧負(fù)載電流波形特征進(jìn)行分析，總結(jié)和提煉出故障電弧負(fù)載電流波形的核心判斷特征，指導(dǎo)線纜式故障電弧斷路器產(chǎn)品的設(shè)計。

UL 1699標(biāo)準(zhǔn)中，故障電弧的關(guān)鍵測試包含兩大類：負(fù)載誤脫扣測試和故障電弧測試。

1 負(fù)載誤脫扣測試

UL 1699設(shè)計了一系列的測試，模擬家用電器各種負(fù)載運(yùn)行，考驗AFCI在正常使用過程中是否會誤脫扣，通過測試的產(chǎn)品才可保障消費(fèi)者能正常使用。

1.1 負(fù)載條件Ⅰ——起動電流

1）通過一個控制開關(guān)給1 000 W的鎢絲燈通電，隨機(jī)通電60次。每次通電之間，燈泡冷卻1 min[1]。

2）最大起動電流峰值為130 A±10 %的電容器起動空壓機(jī)，空壓機(jī)空壓下起動，運(yùn)行1 min，重復(fù)5次。

1.2 負(fù)載條件Ⅱ—正常操作電弧

1）起動額定電流為10.8～12 A的真空吸塵器，運(yùn)行1 min后用開關(guān)來關(guān)閉，重復(fù)5次[2]。

2）應(yīng)用一個通用的瞬動開關(guān)控制1 000 W鎢絲燈負(fù)載通斷10次，每分鐘操作6到10次。

1.3 負(fù)載條件Ⅲ—非正弦波

1）用一個電子調(diào)光器控制1 000 W鎢燈負(fù)載。調(diào)光器分別調(diào)整最亮狀態(tài)，運(yùn)行1 min[3]。

2） 額定電流為5～7 A的手電轉(zhuǎn)。手電轉(zhuǎn)在空載狀態(tài)下，以10 s為周期，其轉(zhuǎn)速均勻地從最小變到最大然后再到最小，此循環(huán)持續(xù)1 min。

3） 開關(guān)電源在120 V下總負(fù)載電流至少為5 A，電源接通1 min，然后關(guān)閉。

4）2個40 W日光燈外加一個5 A的阻性負(fù)載，燈從冷態(tài)起動且運(yùn)行至少10 s。

2 故障電弧測試

2.1 碳化路徑試驗

試驗裝置可參照UL 1699設(shè)計。實(shí)驗過程中，如果在0.5 s內(nèi)出現(xiàn)了8個半波的電弧，AFCI應(yīng)斷開電弧故障。

2.2 點(diǎn)接觸電弧試驗

圖1 鎢絲燈啟動電流

圖2 鎢絲燈開關(guān)通斷

圖3 鎢絲燈+調(diào)光器最亮狀態(tài)

圖4 手電鉆速度變化

試驗裝置可參照UL 1699設(shè)計，試驗應(yīng)在AFCI的額定電壓下且75 A、100 A、150 A、200 A、300 A和500 A的電流下分別進(jìn)行。AFCI應(yīng)在每個電流電平下進(jìn)行試驗。如果在0.5 s內(nèi)出現(xiàn)8個半波的電弧，AFCI應(yīng)斷開電弧故障。如果電弧少于8個半波且AFCI沒有脫扣，則重新進(jìn)行試驗[5]。

2.3 操作抑制試驗

試驗裝置可參照UL 1699設(shè)計。AFCI應(yīng)該在下述每一個屏蔽負(fù)載下進(jìn)行電弧試驗。

1）負(fù)載誤脫扣測試中所規(guī)定的真空吸塵器；

2） 負(fù)載誤脫扣測試中所規(guī)定的電子式開關(guān)電源；

3）負(fù)載誤脫扣測試中所規(guī)定的電容器起動電動機(jī)（空壓機(jī)型）；

4）負(fù)載誤脫扣測試中所規(guī)定的一個1 000 W和600 W的電子調(diào)光器；

5）兩個40 W的日光燈燈加一個5 A的電阻性負(fù)載。

AFCI、電弧發(fā)生器和負(fù)載有4種連接方式。在AFCI脫扣之前的總的燃弧時間不應(yīng)超過8個半周波[6]。

圖5 開關(guān)電源

圖6 日光燈+阻性負(fù)載

3 故障電弧信號特征

3.1 無故障電弧下的信號特征

1章節(jié)中所述的實(shí)驗負(fù)載條件I、負(fù)載條件II、負(fù)載條件III為正常操作信號，有些信號中存在正常操作電弧，并無故障電弧現(xiàn)象。根據(jù)上述波形可知，正常操作信號具備以下特征：

1）負(fù)載條件I中，電流波形剛開始的峰值很高，接著電流波形峰值逐步下降并逐漸趨于穩(wěn)定，電流波形不含有高頻成分。以鎢絲燈為負(fù)載時，電流波形為正弦波形。以空壓機(jī)為負(fù)載時，電流波形存在一定的變形；

2）負(fù)載條件II中，由于采用了開關(guān)類器件，而開關(guān)類器件在接通和斷開時會存在正常操作電弧，所以測試所得的電流波形中明顯含有高頻電弧成分。但無論是吸塵器、電熨斗、鎢絲燈，其電流波形中的電弧成分只出現(xiàn)在人為操作開關(guān)的瞬間，并不會自行重復(fù)出現(xiàn)，電弧出現(xiàn)的間隔時間非常長；

圖7 碳化路徑波形

圖8 點(diǎn)接觸電弧試驗200 A

3）負(fù)載條件III中，4個實(shí)驗的波形都發(fā)生了非常大的畸變。調(diào)光器和調(diào)速器的工作原理是通過可控硅斬波，靠改變斬波相位來調(diào)節(jié)輸入電壓，所以波形中每個半波周期都會存在斬波特征，而且是規(guī)律性出現(xiàn)，但不會包含高頻成分。開關(guān)電源的電流波形會存在明顯的平肩部，從外觀上很接近故障電弧波形，唯一的區(qū)別是平肩部附近并不存在高頻成分[7]。

3.2 有故障電弧下的信號特征

2章節(jié)中所述的實(shí)驗碳化路徑試驗、點(diǎn)接觸電弧試驗、操作抑制試驗，都是通過認(rèn)證規(guī)定的故障電弧發(fā)生工裝產(chǎn)生故障電弧，故障電弧斷路器檢測到故障電弧信號后，必須在規(guī)定的時間內(nèi)斷開電源。

圖9 日光燈電路A

圖10 日光燈電路B

其中，碳化路徑試驗和點(diǎn)接觸電弧試驗的故障電弧信號非常相近，由于電弧能量大，所以電弧特征非常明顯，電流波形中夾雜高頻成分，而且隨機(jī)大量出現(xiàn)，幾乎每個半波都存在大量電弧高頻特征，但并不一定會存在平肩部。

操作抑制試驗一共包含4個測試電路，主要檢查混合負(fù)載和復(fù)雜系統(tǒng)中的故障電弧識別能力。第一個電路，也就是原始電路并不存在屏蔽負(fù)載，采用的是電阻負(fù)載，故障電弧特征明顯，跟碳化路徑試驗和點(diǎn)接觸電弧試驗的結(jié)果類似，但故障電弧特征較碳化路徑試驗和點(diǎn)接觸電弧試驗弱些。

試驗電路A和試驗電路D跟原始電路的故障電弧特征非常類似，只是由于負(fù)載原因，4種屏蔽負(fù)載均會導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變。

試驗電路B和試驗電路C是最難判斷的，由于故障電弧發(fā)生位置前端存在負(fù)載，所以故障電弧信號會被一定程度衰弱，也就是說高頻特征依然存在，只是高頻特征的幅值會減少，需要對故障電弧高頻特征準(zhǔn)確抓取并放大，這兩個電路非常考驗識別算法[8]。

圖11 日光燈電路C

圖12 日光燈電路D

4 總結(jié)

通過對兩大類故障電弧試驗波形進(jìn)行采集和分析，不但獲得了詳盡的數(shù)據(jù)，而且總結(jié)了故障電弧在電流波形中的具體特征，基于該特征，可以高效的制定線纜式故障電弧斷路器的設(shè)計方向，從而進(jìn)行硬件設(shè)計和軟件算法的開發(fā)，最終可以指導(dǎo)并研發(fā)出能通過UL 1699認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的線纜式故障電弧斷路器產(chǎn)品。