故障电弧的研究进展和发展趋势.docx

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1、故障电弧的研究进展和发展趋势1-2-1电弧故障保护的研究进展随着电弧故障所引发问题的日益严峻，以及人们对电弧故障的逐步重视，很多学者和科研人员对此也倍加关注。随之，在国内外学术界便衍生出了电弧故障诊断与保护方法这一研究领域，在国内外一些致力于智能保护电器开发设计的知名公司的工程师们也在着手电弧故障检测装置的研发，即“电弧故障断路器”。电弧故障断路器是一个最新的电路保护装置，它能够提供对整条配电线路的电弧故障保护，其主要作用是当被保护回路出现电弧故障时,能够及时并准确无误的将电弧故障的特征从众多电气负载的复杂干扰特征中提取出来，对电弧故障的发生作出决定性的诊断，同时，脱扣机构需要迅速的将电路切断

2、，以避免故障点的持续燃弧，将更严重的事故抑制在萌芽阶段。在一些发达国家，对电弧故障防护的认识较早，早在上世纪的二十年代便有人开展了关于电弧故障检测与识别技术方面的研究。美国于九十年代初期就已经开始开展电弧故障断路器方面的研究与设计，并制定了相关标准。参考国际电工委员会、美国关于AFDD标准，根据国家AFDD标准，进行以下三个涉及电弧检测相关的测试项目：（1）电弧故障的测试该项测试的目的是测试电弧故障检测设备能否在若干个电流等级下在规定的时间内检测到多种模式电弧。（2）误动作测试该项测试的目的是测试电弧故障检测装置在不确定负载的干扰情况下，能否正常工作而不发生误动作的问题，具体的干扰种类包括非正

3、弦波、正常电弧，以及交叉干扰等。（3）操作抑制测试该项测试的目的是测试电弧故障检测装置能否满足与抑制性负载共同工作时,还能够有效的识别电弧故障。所谓抑制性负载是指具有对电弧波形进行削弱、畸变、隐藏及屏蔽作用的这一类电气负载。目前，在一些发达国家已经对家用电器产品强制安装具备电弧故障识别与保护功能的保护电器，这便要求电弧故障识别与检测技术不仅要符合国家标准中所列写的安全规范，还要满足一般家用电器产品的使用条件。然而目前已经颁布的国家标准并没有对产品的适用性做出任何的强加条例及要求，但是这一点在电弧保护产品的实际应用中却又至关重要。由于目前所适用的国家标准越来越严格，这导致从前的电气安全技术及电气

4、保护产品不能够满足现今的国家标准的规范，也就是说传统的低压保护电器产品已经不适合现今的行业规范与标准。除此以外，随着现代电力电子技术的快速发展，以及对老一代产品的更新换代，新一代的智能型家用电器逐渐的涌进了千家万户，这便导致了新出现的电气负载类型及工作条件还尚未纳入国家标准当中，例如现代家用电器中的变频空调、变频冰箱等，这些现代家用电器对电弧故障识别与检测技术在适用性方面提出了更高、更严格的要求。根据使用场合不同,国家定义了五种类型的电弧故障断路器：(1)馈线式电弧故障断路器该种电弧故障断路器安装在支路线路或馈电线路的源头上,其作用是对该条支路或该条配电线路进行保护，避免该条线路出现电弧故障。

5、(2)组合式电弧故障断路器该种电弧故障断路器是一种既能够符合支路、馈线线路的保护要求，又能够符合对电源插座的保护要求的电弧故障断路器，其作用是对电源出线端的支路线路、电线组件及供电电线进行保护。(3)线缆式电弧故障断路器该种电弧故障断路器是一种插入式电弧故障断路器，需要与电源插座端口相连接，并且可以自带线缆，不需要提供附加的插口。其作用是对为电器设备供电的线路进行保护，以免电弧故障的发生。(4)插座式电弧故障断路器该种电弧故障断路器是一种安装在支路输出口上的保护电器，其作用是除了能够对与之相连的电线组件和供电电线进行保护之外，还能够对连接到其下端插座的电缆组件和供电电线提供引接线保护。(5)移

6、动式电弧故障断路器该种电弧故障断路器也是一种插入式电弧故障断路器，但是其连接形式是直接与电源插座输出端口相连，并且自带一个或多个输出端口，其作用是对连接到该插座上的电线组件及供电线路进行保护，以免电弧故障的发生。1-2-2故障电弧断路器的发展趋势国内对电弧检测和保护的研究相对起步较晚，无论是理论还是实际转换成的产品，都落后于国外，对因电弧故障引发的事故人们尚未给予足够的重视，但随着用电负荷的增加，其带来的问题愈发突出，关于电弧故障的相关研究也越来越多。家用和类似用途的电弧故障检测电器标准(AFDD)是我国于2010年开始正式修订并于2011年完成的类似美国AFQ的相关标准。这一标准体现出我国对

7、电弧故障检测技术研究的重视程度。目前.,国内只有开关柜等领域的电弧保护取得了一些成果，在家庭用电、航空航天领域的电弧保护还有待进一步地研究和提高。针对电弧故障的检测方法主要分为两类口叫一类是基于声、光、热等间接参数对其进行故障检测，在这个方面有人通过模拟实验研究，将早期电弧的声信号进行小波分解建立弧“声能量-信号”的映射关系，实现对电弧故障的早期预警。但由于测量传感器只能对特定位置进行检测而实际线路或设备中电弧故障发生点不确定，在实际检测应用中存在困难；另一类是对故障电流信号进行分析，判定线路中是否发生串联电弧故障，此类方法解决了对传感器安装位置的限制。有的采用自回归参数(Aut。Regres

8、sive, AR)模型提取出AR模型参数，结合欧式距离平方2d的方法，完成对低压串联电弧故障的诊断并给出了参考矢量。国外对AFDD的研究虽然较早，但成熟产品也只是局限在一定电流下(20A及以下)，为适应现在出现的各种故障电弧状况，也再不停的研究AFDD产品，像美国伊顿公司2017年推出了最大额定电流40A的AFDD。国内对电弧故障检测的研究虽起步较晚，但近些年越来越多的电气火灾事故，例如电瓶车充电起火、手机锂电池爆炸等，让越来越多的学者开始重视对故障电弧的研究。诸多知名高校尤其是浙江大学、西安交通大学、上海交通大学等“985”重点高校和国内以宁波习羽电子有限公司、杭州鸿世电器有限公司为代表的民

9、营企业对故障电弧的研究都投入大量的人力和资金，并取得了很多阶段性成果。西安交通大学的一份专利，用了自积分式罗氏线圈测回路的高频分量，根据高频电流的频域特征和高频信号的相角位置及规律，判断是否产生故障电弧。浙江大学的专利中公开的方法，是对采集的信号高频部分的能量突变做脉冲计数，通过检测脉冲的计数来判断电弧。宁波习羽电子有限公司已经有了通过了美标的XY-120和XY-240两种系列的电弧故障断路器，并且已有了成型的针对国内低压系统的电弧故障检测模块。从习羽公司的专利中可以看出，该电弧故障检测模块的硬件上采取了在信号采集和信号判断之间增加信号的滤波及整流的特殊处理。通过引入国外先进技术，国内相关企业

10、已经开始对AFCI装置进行独立研发。图1-2所示为宁波习羽电子自主开发的Arc-XY-32-lll型电弧故障检测装置。图1-2习羽电子研发的AFCIFigure 1-2 Xi Yu Electronic Research and development AFCI该产品可对被监测线路中存在的电弧故障进行有效检测。当检测到线路中存在电弧故障时，检测模块将发出光报警信号，并将报警信息传输给上位机，以实现预警电气火灾发生的目的。检测模块具有本地自检和复位功能，便于现场人员操作；内部配有后备电池，断电后可维持检测模块工作1小时以上。现在，还有HS-E系列故障电弧探测装置是从电气火灾的起因入手，将电流波形

11、特征值检测技术应用到故障电弧探测领域，结合国内电力行业的特点，具有高可靠性高、稳定性强、方便用户使用和维护的特点。该探测装置的广泛应用将弥补前市场上电气火灾监控系统产品的技术缺陷，产品通过对电气线路的实时检测，能够区分每一相线上的正常操作电弧和故障电弧，消除电气火灾隐患探测的盲区，该产品广泛适用于家庭、民用建筑、工厂、网吧、仓储、学校等建筑的火灾预警系统故障电弧切除时间取决于电弧检测时间和断路器的动作时间，就目前技术发展水平而言,故障电流检测时间已降得很短，而相对较长的断路器动作时间已成为制约切除时间的技术瓶颈，导致大多数电弧保护系统不能满足快速切除的要求。故障电弧预警机制改变了传统的被动保护

12、模式，实现了故障电弧的早期预防，有利于将故障电弧消除在事故发生之前。对危害大难检测的故障电弧检测，基于其电流波形的特征检测研究是本课题的研究方向。故障电弧断路器的设计不同于一般的断路器，由于故障电弧的复杂性和随机性，加之各个负载的电弧波形各不相同，给理论研究和产品开发带来了很大的难度。分析故障电弧断路器的发展过程，结合本课题研制故障电弧断路器碰到的难题，可以看到未来故障电弧断路器产品的一种发展趋势：单一针对性的故障电弧断路器将会有很大的发展空间，该类装置不需考虑所有负载情况，电路设计简单，功能实现也相对容易，该类产品前景将会非常广阔。(2)电弧理论体系的完善，由于电弧是热、光、电、磁效应的结合体，建立一个完全能体现电弧各个细节参数的体系存在很大的难度，但是随着不断的探索，科技的发展，这个问题将会得到解决。(3)由于各类负载内部阻抗不同，对故障电弧的检测有很大的影响，未来也将会有更多的负载出现，总结各个不同负载下的故障电弧特征，提出各种检测电弧的理论将会是未来研究故障电弧断路器的一个主要方向。(4)随着集成电路的发展，未来故障电弧断路器将会往集成化、微型化发展，更多的设备将安装故障电弧断路器甚至内置故障电弧断路器，发展潜力巨大。