故障电弧断路器(AFCI)简介
电弧故障断路器及故障电弧的辨别_卢其威
研究，于 <==< 年美国的全国电气规程要 求所有在卧室内安装的支路，都要安装故 障电弧断路器，<==; 年 要 求 美 国 销 售 的 家用 空 调 必 须 带 具 有 $(-/ 功 能 的 电 源
［ 8］ 插头 。
但在我国低压配电领域故障电弧防护 技术的研究刚刚起步，且没有电弧故障断 路器的国家标准，即使国内的一些厂家生 产的 $(-/ 产品，主要是面向北美出口的 空调插头，并不具备真正开发该产品的能 力。国内 外 市 场 上 针 对 低 压 配 电 系 统 的 $(-/ 产品都是针对 5<= D，6= GH 的负荷 设 备 开 发 的。 针 对 我 国 的 $- <<= D， F= GH配电系统的 $(-/ 产品是一项崭新的 技术，但随着国内对电气安全和电弧故障 保护的重视程度逐渐提高，国家势必也出 台一 些 安 装 电 弧 保 护 设 备 的 强 制 法 规， $(-/ 必将成为我国低压电器的一个重要 发展方向。
串联电弧时的电流波形和正常工作时的电流波形， 从该波形可以看出，发生电弧时其波形具有的特 点为：有平肩部分、电流峰值减小和电流上升速 率增大。从波形上看有电弧时和无电弧时非常相 近，但根据上述的三个特点还是很容易能够区别 电弧是否存在的。
图 ,- 电弧时电压和电流波形
图 )- 吸尘器电流波形
当发生如图 % 所示的电弧特征时，根据电弧 特性分辨电弧故障相对容易，但是不同类型的负 载往往会导致一些电压或电流波形的变化，使得 区分故障电弧特性变得较为复杂。
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电弧故障特点
电弧电，常 常 伴 随 着 电 极 的 挥 发
电气线 路 中 存 在 两 种 电 弧，一 种 是 接 触 式，另一种是非接触式。对于非接触式， 一般产生于当两个导电部分之间产生的电 场足以电离它们之间的空气时就会发生电 弧。对于接触式，一般当两个电极从接触 到分开过程中往往会产生电弧。从电弧发 生在电路的位置上区分还可以分为火线对 零线电弧，又称并联电弧，即火线与零线 之间发生故障电弧；串联电弧，即电弧的 位置相当于与负载串联；火线对地电弧，
阐述AFCI技术在电气防火领域的应用
阐述AFCI技术在电气防火领域的应用在我国的经济快速发展的同时，城市化的进程速度也呈现快速发展的趋势，在现阶段，电能的使用消耗较上一个十年增长了73%，同时电能使用量增长的趋势还在扩大，电能已经逐渐成为我国使用最为广泛的科学能源。
与此同时，相关的电气安全问题就显现出来了，越来越多的电气原因造成了火灾现象。
灾电气造成的火灾中，很大一部分是在电气线路中，线路的电流和电压值远远超过了线路中的额定电压、电流值，极易导致线路的短路和因电流过大产生故障电弧。
故障电弧的发生可能是最初的设计中存在一些疏漏，或是整体线路在长时间的使用中出现了老化现象，电气绝缘出现了故障，导致线路漏电、电气装置出现不能检测的情况，在无法判明线路故障的情形下，电源装置及线路会在故障中一直处于工作状态，极易造成电气火灾的发生，在这种情况下，我们对故障电弧的检测方法进行探讨。
1 故障电弧产生的原理在绝缘体使用过程中，会被过大的电流和电压经过时出现击穿的情况，绝缘体就会在不导电的状况下转变为导电，同时自身还会出现发光发热的情况，即电弧的出现，这些电弧会给人们的生活带来很大安全隐患，我们称为故障电弧。
故障电弧会由于线路的老化、接触错误等原因发生电气方面的故障，同时产生大量的光和热，在很短的时间内会发展成明火，极易导致电气周围的可燃物出现着火现象，不及时扑灭就会造成严重的火灾。
所以，必须将故障电弧控制在规定的范围内。
在电气线路短路起火的现象中，接地故障电弧引发的火灾远多于带电导体间的电弧火灾，这首先是因为接地故障发生的几率远大于带电导体间短路的几率。
在电气线路施工中，穿钢管拉电线时带电导体绝缘外皮与钢管间的摩擦使绝缘磨薄或受损；另外，发生雷击时地面上出现的瞬变电磁场，对电气线路感应瞬态过电压。
所以，无论从机械的或电气的原因进行分析，线路对地的绝缘水平总是低于带电导体间的绝缘水平，发生接地故障的几率也就远远高于带电导体间短路的几率。
问题还不止于此，一旦发生接地故障，由它引发出的危险电弧的几率也远远大于带电导体间产生危险电弧的几率，这可用下图说明。
关于检测低压故障电弧的初步研究
关于检测低压故障电弧的初步研究摘要：低压故障电弧有引发火灾的危险，所以检测故障电弧是必要的。
随着电力电子技术在低压领域的广泛应用，一些电器正常工作时的电压电流特性与故障电弧的典型特性相似，给检测工作带来了难度。
研究调光灯及开关电源的工作原理可以发现，通过分析回路中电压电流在某些频率点的相位信息，可以有效判别是否发生了故障电弧。
关键词：电弧；电弧检测；故障引言电弧故障断路器（arcfaultcircuitinterrupters，ProjectSupportedbyChineseUniversitiesScientificFundProjects（2016XD002）.AFCI），又称电弧故障保护电器（arcfaultdetectiondevice，AFDD），是一项新型电路保护技术。
AFCI装置的电弧故障检测识别技术，弥补了过流、过载断路器和短路保护装置在低压电弧故障保护方面的不足，是低压交流配电网安全防护系统的重要环节，同时也是未来直流微电网、智能楼宇、航天电气系统和混合动力汽车及其电气负载中直流电弧故障防护的有效手段，保障系统安全，避免电气火灾，引起了广泛关注。
近年来，国际上制定了一系列关于AFCI技术行业标准。
美国在标准UL1699中规范了家电领域中AFCI技术的应用，在美国全国电气条例（NEC）中针对电弧故障防护装置的安装，明确了多项强制性措施。
国际电工委员会（IEC）于2013年7月形成一份国际标准IEC62606：2013《电弧故障检测电器（AFDD）的一般要求》。
2014年，国家正式发布了国家标准GB/T31143—2014《电弧故障保护电器（AFDD）的一般要求》。
当前，国家新一轮农网改造升级工程已启动，对低压配电网的电气安全提出了更高的要求，低压电弧故障防护技术得到不断重视与发展。
同时，随着能源互联网及其框架下微电网、智能电网的迅速发展，直流及交/直流故障电弧检测技术成为了研究重点。
arc开关机原理
arc开关机原理The arc switch, also known as the arc fault circuit interrupter (AFCI), is a critical component in electrical safety. 它是一种专门用于检测和防止电路中可能出现的电弧故障的装置。
Arc faults can occur when there is a loose connection in an electrical system, which can lead to a dangerous electrical arc that can cause fires. 在过去的几十年里，电弧故障是引发电气火灾的重要原因之一，因此开发出了arc开关机防止这种情况的发生。
Arc faults can occur in both residential and commercial buildings, and the implementation of arc switch technology has helped to reduce the risk of electrical fires in these settings.The principle of operation of an arc switch involves the use of advanced sensors and detection mechanisms to identify abnormal electrical arcs. 通过对电流和电压进行实时监测和分析，这些传感器能够识别电路中异常的弧光现象，并立即切断电路以防止火灾的发生。
一旦发现电弧故障，arc开关机会迅速切断电路，从而防止故障进一步扩大。
这个过程需要高速的响应和准确的检测技术，来确保arc开关机能够及时有效地检测和切断电路。
AFCI炭化通道试验
碳化通道电弧故障试验初探施强杭州鸿世电器有限公司杭州富阳 3114001. 前言：由于电网中存在着各种各样的电弧脉冲,电弧脉冲种类千差万别，电弧有危害人类生命财产的一面，电弧也有被人类利用的一面，例如利用电弧产生的弧光可以制作弧光灯，利用电弧产生的高温可以制造电弧加热炉、电弧焊机等等。
我们现在研究电弧的目的也是为了利用电弧为我们服务。
AFCI （Arc Fault Circuit Interrupter电弧故障断路器）的目的就是要把容易发生电气火灾的电弧脉冲检测出来，并切断电源，防止电气火灾发生。
1992年美国UL实验室接受美国政府所属消费品安全委员会（CPSC）委托，研究“减少住宅电气火灾的技术和产品”，UL工程师经过研究住宅电气火灾成因时发现，电弧是产生火灾主要原因，从而发明了电气防火产品AFCI,从研究电气火灾发生的机理可知，大多数电气火灾的产生都有这样一个过程：电气故障——产生电弧（打火）——形成碳化通道——着火。
所以AFCI产品进行碳化通道故障电弧试验就是遵循这一过程来的，因此显得十分有必要。
2. 电弧分类电弧是两电极之间通过某些绝缘介质(例如空气)的辉光放电现象，并伴有局部挥发，温度可以达到几千度以上。
按电流种类可分为交流电弧、直流电弧、脉冲电弧，还可以按电弧状态分，按电极材料分等等。
我们目前接触到的大多数电气火灾是由交流电源引发的，用仪器、如示波器等在电网中检测到的多是以电弧脉冲形式存在。
我们感兴趣的是哪些电弧脉冲会产生电气火灾，哪些电弧脉冲不会产生电气火灾，以便加以区别，为我们电气防火所利用。
那些容易产生电气火灾的电弧我们暂称之为坏电弧，如线路绝缘变坏，开关插座接触不良、电器设备故障等引起的电弧。
那些不易产生电气火灾的电弧，我们暂称之为好电弧，如我们经常见到的节能灯、电吹风、吸尘器、手电钻、电焊机、调速马达等产生的电弧，还包括各种电磁干扰脉冲等等，虽然有些电弧脉冲（如大功率开关接通断开时）电流脉冲幅度很大，但是它的脉冲宽度很窄，持续时间短，因此能量很小，不足于产生电气火灾。
光伏逆变器afci原理
光伏逆变器afci原理
光伏逆变器是将太阳能电池板所收集的太阳能转换为可用电能的装置。
其中，afci是一种安全保护技术，能够保护光伏逆变器不受电弧故障影响。
电弧故障是指电线或电缆出现开路、短路等问题，使得电流无法正常流通，从而导致电弧放电。
这种电弧放电可以引起火灾，对人身安全和财产造成威胁。
为了解决这个问题，afci技术应运而生。
afci可以在电弧故障发生时立即检测到，并迅速切断电源，防止电弧放电造成的危害。
此外，afci还能检测到其他的电气故障，如过载、短路等，同时确保光伏逆变器的正常运行。
总之，afci是一项非常重要的技术，可以保护光伏逆变器和使用者的安全，增强光伏逆变器的可靠性和稳定性。
随着光伏产业的发展和应用范围的扩大，afci技术的需求也会越来越大。
- 1 -。
afci白皮书
afci白皮书AFCI（自动过滤修复器）是一种旨在提高电子器件和电路板的可靠性和性能的技术。
本白皮书将探讨AFCI的原理、应用和未来发展趋势。
以下是相关参考内容：1. 引言AFCI的应用在电子设备的设计和制造中起到至关重要的作用。
本节将介绍AFCI的定义和意义，以及对电子设备可靠性和性能的影响。
2. AFCI的工作原理本节将详细讨论AFCI的工作原理。
AFCI通过监测电子设备中的电流和电压波形，检测和识别可能导致故障的异常情况。
一旦异常情况被侦测到，AFCI会快速采取措施来修复电子设备，从而避免进一步的故障。
3. AFCI的应用AFCI在各种电子设备中都有广泛的应用。
本节将列举一些常见的应用领域，并解释AFCI对这些领域的价值。
例如，在航空航天和军事应用中，AFCI可以提供对系统的及时修复和可靠性提升的保障。
4. AFCI的优点和挑战本节将讨论AFCI的优点和挑战。
AFCI的优点包括提高电子设备的可靠性、延长设备的寿命和提升设备性能。
然而，AFCI的实施也面临一些挑战，如成本和复杂性等方面的考虑。
5. AFCI的未来发展趋势本节将展望AFCI的未来发展趋势。
随着电子设备的不断进步和用户对可靠性和性能的不断需求，AFCI将会变得更加智能化、自适应和高效。
此外，本节还将探讨AFCI在新兴技术领域的应用前景，如机器学习和人工智能等。
6. 结论AFCI作为一种关键技术，为提高电子设备的可靠性和性能做出了巨大贡献。
通过监测和修复电子设备中的异常情况，AFCI可以避免故障的发生，并延长电子设备的使用寿命。
然而，AFCI的实施也面临一些挑战，需要进一步的研究和开发。
以上就是关于AFCI的白皮书的相关参考内容。
本白皮书将系统地介绍AFCI的工作原理、应用和未来发展趋势，为读者提供了对AFCI技术的深入理解和认识。
新型家用电弧故障断路器(AFCI)的开发
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1
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
2
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。
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bWindows/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.
5
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
6
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。
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。
10
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。
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。
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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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。
22
西门子
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美国Eaton电气品牌Cutler Hammer
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。
3
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
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。
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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？
30
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
12
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。
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。
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。
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
8
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
9
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ห้องสมุดไป่ตู้ 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
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。
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。
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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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。
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。
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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
bWindows/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。
4
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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