AFD-AFDD介绍

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消除故障电弧危害的解决方案

一、电网和电器用电安全领域的里程碑式进步

自从1875年法国巴黎建成世界上第一座火电厂让电力普遍进入了人类社会之后,用电安全就一直是个被高度重视的专业课题时刻伴随着用电技术的发展和进步。同时，用电安全技术也随着层出不穷的无数电器进入了各行各业和千家万户——用电安全技术的每个进步都和人类的生活息息相关。

1879年，美国人爱迪生发明了实用型短路保护器。

1938年，德国人格罗斯发明了实用型过载保护器。

1961年，美国人戴兹尔发明了实用型漏电保护器。

经过近150年努力，人类已经完善解决了用电安全领域四个关键课题中的三个：短路保护、过载保护和漏电保护。目前，上述保护器最通用的产品型式是断路器，其中，面向家用的小型断路器如图1。

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(a)短路/过载断路器

(b)漏电断路器

图1 断路器

但是，还有一个困扰人类的用电安全课题一直没有完善解决，这就是“故障电弧保护技术”，

即我们通常所说的电路老化、电器老化导致的火灾。

1993年，美国人阿鲁纳卡拉姆发明了低压电网和电器的故障电弧保护技术的初级装置，主要是通过检测故障电弧发生时的声、光、电、热信号来感知和判断故障电弧的发生。虽然该技术并不实用，但是他开启了低压电网和电器故障电弧保护技术研究的先河，成为该研究领域的先行者。此后，经过众多机构、企业的科学家、工程师的研究、开发，美国UL实验室在1999年推出UL1699标准，正式推出故障电弧断路器(AFCI)标准，定义了这一解决上述课题的产品概念。美国国家电气安装规范(NEC)于2003年正式推广这一产品。在此后几年中，不断扩大应用范围，推广的建筑、家电等多种领域。美国已经有超过9000万家庭安装了此类产品。

2013年，IEC国际电工委员会和中国低压电气标委会推出对应的故障电弧探测装置(AFDD)国际和国家标准，国家消防总局推出故障电弧探测器(AFD)国家标准，推动我国对该技术在低压电器、电气消防监控领域的研发。

2016年，我们团队在国内率先研发成功了实用智能型故障电弧保护技术，具有完全国内知识产权，且特别适合中国的电网国情，当前处于国内领先水平。

可以预见，在不久的将来，国内外所有的低压电气线路、家用电器产品都会积极采用成熟可靠的故障电弧保护技术（装置）——就像采用短路保护器、过载保护器和漏电保护器一样，成为低压电网和电器用电安全领域的基本装备。

二、电气火灾危害

电气火灾是指由电气线路、电器起火导致的火灾，图2是一些电气火灾现场的照片。根据历年的全球范围和我国的消防统计，电气线路和电器火灾已经成为现在社会火灾的最主要构成成分；而且，随着电器使用范围的增大、数量的增多，越是发达地区电气火灾的危害越来越大，如图3，是我国2015消防年鉴统计的自2003年~2014年全国火灾原因统计数据，电气火灾无不成为了第一大起火原因，造成最大的财产损失，其中电器设备故障也占相当的比例。事实上，因为电气火灾发生的隐蔽性，还有很多不明原因的火灾其实也可归结到电气火灾。

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图2 电气火灾现场

(a)起火原因损失比例 (b)起火原因起数比例

图3 火灾原因分析

《2013年中国消防年鉴》第322页《起火原因情况》表

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电气火灾占火灾总次数的32.2%，死亡人数的36.7%，直接损失的45.3%，较大以上火灾的54.8%。

《2014年中国消防年鉴》第296页《起火原因情况表》

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电气火灾占火灾总次数的29.7%，死亡人数的35.3%，直接损失的40.0%，较大以上火灾的39.8%

《2015年中国消防年鉴》第358页《起火原因情况表》

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电气火灾占火灾总次数的27.4%，死亡人数的30.1%，直接损失的40.0%，较大以上火灾的34.7%。

从上述报表可以看出，在每年的10多万起电气火灾中，电气线路和电器设备普遍占了火灾起数的80%以上，而我们通常认为到电加热器具只占5%不到。电器设备火灾基本上也是由内部的导线线路导致的火灾，而不是负载本身。

根据国外研究文献，因为各用电场所已经普遍安装了技术成熟、工作稳定可靠的短路/过载/漏电断路器，目前全球的电气火灾中因短路/过载/漏电造成的火灾近乎绝迹，扣除人为用电违反操作规程的失误，因故障电弧导致的火灾占用电火灾的近80%左右，已经到了令人严重不安的地步。

长期以来，大众和政府部门的观念了，为减少电气火灾，总是以为通过加强教育、整治，主观努力来降低电气火灾危害。事实上，人为因素只占极小的一部分，只有通过技术手段，才能减少或消除故障电弧导致的火灾，能将用电火灾的数量和损失减少一个数量级。

三、故障电弧概述

1、故障电弧的本质

电弧（ARC），是两个电极在一定电压条件下，在电极之间的绝缘介质（例如空气）中所产生的由游离态带电粒子（如电子或离子）产生的瞬时、间断或持续维持的高密度能量束，是一股高亮辉光、高温的导通电流。短暂的电弧我们俗称打火，持续性的电弧会引发火灾。

（1）电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。

（2）电弧温度很高。电弧放电时,能量高度集中,弧柱中心区温度可将近8000～1OOO0K,电弧表面温度也会达到30OO～400OK，这个高温可以将很多种材料瞬间点燃乃至气化，甚至很多“阻燃材料”在电弧面前也只是个无用的摆设。

（3）电弧是一束游离态的气体能量束。它的质量很轻,在电动力、热力和其他环境外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形而成为“高温高热游离体”。

故障电弧（Arc-Fault），则是无预兆情况下发生的失控了的“高温高热游离体”。为了维持电弧，在电极间只需较低的电压，普通220V或者110V低压环境下的故障电弧足以瞬间导致火灾。

2、故障电弧的分类和起因

故障电弧的详细分类和起因相当复杂。按照产生的位置和原因大致分类，故障电弧有串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧三大类，如图4。这三类故障电弧都是因为在生产和生活中发生以下一个或几个原因而导致：

-选用的导线不符合环境要求，绝缘受高温、潮湿或腐蚀等环境条件作用逐步失去绝缘能力；

-线路的布局或固定方式不当，使用中因各种震动、扰动造成导线相对位置改变满足了发生故障电弧的条件；

-线路年久失修，绝缘陈旧老化或受损伤，使线芯裸露；

-意外的冲击电压峰值超过线路的额定耐压限度，使绝缘材料被击穿；

-绝缘材料本身不符合产品标准要求，绝缘耐压击穿隐患

电气火灾之火源与生成物分析

(a)导线内部断裂 (b)不规范接头，绝缘皮发热烤焦

图4 故障电弧分类

上述状况发生时，局部导线绝缘外皮的高分子材料因为温升被逐步降解，形成所谓的“炭化通道”。因为碳单质是导电物质，最终使得绝缘失效，形成剧烈的高温电弧而发生火灾，如图5。另外，在一些大电流场合，局部接触不良、接触电阻过大，也会产生故障电弧。

当前普遍采用的用电安全所需的保护器、断路器，它们主要是通过监测电路的负载电流或者剩余电流而触发安全防护动作（断路控制）的。但是，故障电弧的基本属性恰恰不会对电路的负载电流和剩余电流造成明显改变，普通断路器和漏电保护断路器从原理上就不能对故障电弧的发生起到有效的防护作用,现有的电器安全技术对故障电弧的警示和防护无效。

四、故障电弧保护技术研发的难点

故障电弧保护器（AFCI，Arc-Fault Circuit-Interrupter），则是针对故障电弧危害的安全技术装置，该术语最早是在美国命名的。IEC国际电工委员会和我国低压电气行业把该设备命名为AFDD，我国消防行业又命名为AFD，即“故障电弧断路器（AFDD，Arc Fault Detection Devices）”。和“故障电弧探测器（AFD, Arc Fault Detection）”

AFDD/AFD长期以来技术研发困难的主要原因可以概括为四个字“错、杂、混、匿”。

（1）故障电弧发生的位置、时间的不确定，导致这种灾害发生的不可预见性。

用电线路一般安装、布设在比较隐蔽的区域，线路老化、绝缘破损是一个漫长渐变的过程，难以通过简单的定期检查发现故障电弧发生的隐患；此外，故障电弧发生后也几乎没有明显的特殊传感特征，导致感测灾害发生困难。

（2）一些微小或短暂的电弧并不会对电网和电器造成损坏，比如插头插座的插拔、普通电灯的开与关等等，这些种类繁多、来源不定、随机产生的电弧与造成危害的故障电弧混杂共生，且区分“故障”和“非故障”的界限模糊，这些貌似故障其实无害的电弧都不应该触发AFDD/ AFD报警或者断路。

（3）故障电弧和有益电弧混杂

通常，许多正常负载，如荧光灯等气体发光类灯具，通过击穿灯管内特殊气体放电，本身就是电弧；电钻等器具中的有刷电极、碳刷摩擦转子产生的就是电弧；另外，如电机的启停、调光灯等可控硅控制的电路，卤素灯、节能灯、开关电源、电磁炉、微波炉等带高频电子开关的负载，工作时的电流特征非常类似故障电弧。为了保证上述负载正常工作时不误报警或切断电源具有巨大的困难；同时，我国的电网噪声较大，旁路的噪声信号都能干扰和影响AFDD/ AFD准确识别故障电弧。如图5，就是一些负载不同的电流波形，与电弧很难区分。

卤素灯电流.PNG

(a)卤素灯

吸尘器电流.PNG

(b)吸尘器启动

电弧电流.PNG

(c)故障电弧

图6 正常负载电流与故障电弧电流

（4）故障电弧支路隐藏在正常电流线路中，无法从总线电流中分辨出来

电气线路通常由众多的分支连接到总线线路上，因为成本的原因，不可能在每段支线线路安装AFDD/AFD，比如，一台空调只能安装一个AFDD/AFD，但是空调内有多个电机、压缩机等负载，故障电弧很可能只发生在某个支路线路上，其它支路工作是正常的。探测出这样的故障是困难的。

（5）AFDD/ AFD必须准确而灵敏

AFDD/AFD不仅要求能准确识别出故障电弧，还必须能及时报警或断路。故障电弧发生往往十分短促而凶险，一旦判断错漏、延误瞬时触发断路保护，故障电弧很快就会诱发火灾或对电器造成损毁。

五、AFDD/AFD的技术原理

我们团队通过采用定制的传感器来采集得到各种电弧特征信号，经由信号调理电路变换获得可供软件处理的信号；通过A/D转换，在嵌入式处理器采集得到上述信号后，采用多种数字信号处理算法，如快速傅立叶变换（FFT）分解、小波变换等，分离出信号中表征电弧的特征，再经由神经网络算法进行处理，得到可靠的故障电弧判断信号。最终，该信号驱动脱扣器/报警电路工作，实现了故障电弧保护器的断路和报警保护功能。

通过设计专用传感器、高效稳定的集成电路和采用神经网络等软件算法，我们团队实现了故障电弧的准确判别并能瞬时触发安全保护。同时，自主设计的专用集成电路，在可靠性、成本、体积、功耗等多方面具有参与国际竞争的实力。

六、故障电弧技术的相关标准和应用现状

AFDD/AFD技术最早在美国被发现和研究，全球许多著名的电器公司、科研机构、高等院校都竭尽全力进行研发，尤其是近年来，依赖电子技术、计算机技术等等的长足进步进行了深入的研发，并制订了一系列的技术标准和规范。

北美的主要标准有：

·UL1699：交流型故障电弧产品标准,1999年最初制订,2005年,2008年更新(应用于插头、插座)

·UL1699B：直流型故障电弧产品标准，2011年制订, (应用于光伏发电)

·AFCB：SAE 航空器故障电弧断路器标准,2012年制订

NEC(美国全国电气规程)有：

·NEC2002：新建住宅卧室内支路必须安装AFCI（Arc-Fault Circuit-Interrupter）即故障电弧断路器）。

·NEC2004：所有美国销售的空调必须安装AFCI。

·NEC2008：所有住宅内供电场所及公共场所(幼儿园、学校、养老院，…)，包括老旧住宅，必需安装AFCI。

国际标准：IEC62606，命名为AFDD(故障电弧检测装置)，2013年制订。