故障电弧断路器(AFCI)的“使命”

高居火灾危害首位的电气火灾的防治愈发重要，防范火患于未“燃”更趋重视。实现在最初阻止电气火灾发生的电弧防护开关设备——故障电弧断路器(AFCI)，应求而生。　　

使命之“WHY”
电气火灾主要源于：(1)电气线路接触不良或绝缘受损(多是线路老化形成碳化)导致的“串联电弧”或“并联电弧”短路;

(2)电气线路对地绝缘受损导致的接地(电弧)故障;(3)电气线路接触不良、电气设备布置不当、过负荷导致的异常温升。其中，电弧性短路隐蔽不易发现成为电气防火的首要。每次电弧的温度超过5500℃，高强热电弧发射出的热粒子经时间累积易引燃线路周围绝缘层材料，引起电气火灾。
串联故障电弧的电流值小于回路额定电流，并联故障电弧的电流值可能大于额定电流，而家用电器的启动涌流大于额定电流。针对两种电弧故障实施保护并需绕过设备启动涌流，传统的热磁系统(如终端过电流保护或漏电保护装置)无法检测出故障电弧电流并识别出电弧故障，达不到防范电气火灾的要求。据统计：中国2005至2009年电弧故障导致的火灾占总电气火灾的51%，直接经济损失占总火灾的36%。
配电智能化技术的发展及应用使得电弧检测、故障信号识别得以实现的AFCI依靠保护算法可以达到电弧故障保护要求，避免电气火灾发生。美国国家电气规程(NEC)定义其为：一种当检测到电弧，通过识别电弧特性，切断电路，提供电弧故障保护的装置。故障电弧断路器(AFCI)的“使命”

使命之“HOW”
故障电弧断路器包括操作机构、触头系统、脱扣机构、测试按钮、接线端子、壳架等一般结构，其特征结构还包括电弧检测电路、电弧故障电子识别电路(含微处理器)，其基于PCB硬件及预设的保护算法，实现智能化的电弧检测、故障电弧识别。
AFCI实施保护的流程：(1)电弧检测。通过先进的电子技术监测电路中的电弧。(2)电弧特性识别。针对检测到的电弧，分析其特性，识别是否为故障电弧。在AFCI制造中，需测试数以百计可能的运行状态，并编程存入电弧特性筛选器，用以识别“正常”和“危险”电弧。(3)保护特性匹配分析。保护特性满足UL1699标准规定：在交流供电线路上，当AFCI在0.5s内检测到8个半周波的故障电弧时，AFCI执行脱扣切断电路，且脱扣时间应小于0.2s。(4)切断电路，实现故障保护。当满足电弧故障保护特性时，发出脱扣信号，切断电路。
故障电弧断路器检测到故障电弧，经保护算法分析，满足保护特性时即触发脱扣。典型方式：检测负载电流，将电流信号放大并传送至电弧特性筛选器，判定电流信号频率是否大于供电频率并小于电力线通信频率。筛选器输出的信号与设定的电弧电流门槛值比较，大于该电流门槛值时即加入累加器。AFCI定期检查累加器的输出，超过阈值时即触发脱扣。
AFCI与GFCI(或RCCB)配合使用，可提供电弧和漏电两种故障保护兼有的家居电气故障保护，通常是AFCI-GFCI插座方式。美国EATON公司已开发出在AFCI壳体内集成接地故障(漏电)保护功能的终端产品。　　使命之“WHAT”

技术现状
AFCI采用电子技术识别电弧状态，故障电弧检测是电弧故障保护的关键环节。关于电弧及故障电弧检测的研究始于20世纪80年代末和90年代初的美国。利用电弧放电的光、热、声和电磁等特性，主要的电弧检测及故障识别方法：
(1)依据电弧波形特性：通过判断电流波形导数以及累积电弧周期是否均超过设定阀值来识别电弧故障。
(2)依据电弧高频能量突变：通过检测电流信号高频部分的能量突变识别电弧，并通过检测电弧次数来识别电弧故障。
(3)采用高频小波变换：对负载电流高频取样，计算非过零离散小波系数，连同低频电流过零信号确定是否满足阈值。
(4)采用傅式变换：采用短时傅利叶变换分析采样信号的基波分量、奇次和偶次谐波分量的变化，提取和判断串联电弧故障特征。
(5)采用时频分析：基于反映电流突变的高低脉冲经延时衰减时间的差异，以高于和低于阈值的时域作为判断依据。
(6)采用高频信号对比：通过判断周期性产生的高频电流是否区别于正常的开关电弧，并检测频谱范围是否区别于由于电力电子器件等应用产生的普通高频谐波。
(7)采用弧光波长切换：将所接收到的电弧光中的紫外光变换为可见光，由光电转换器转换成触发信号。
行业竞态
故障电弧断路器作为有效防止电弧故障引起电气火灾的终端保护电器，已在北美迅速得到普及和推广，而国内对AFCI的研究及应用尚在初始阶段，重要的创新主体有：伊顿、西门子、通用电气、施耐德、ABB、得州仪器、莱维顿制造、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学、福州大学、华侨大学、福建俊豪电子、宁波习羽电子、天津鸿远电气、黄华道等。由上海电器科学研究院负责起草的2011年机械行业标准《电弧故障检测装置(AFDD)》，以及由沈阳消防所负责起草的GB 14287.4《故障电弧探测装置》标准均进入报批阶段。在建筑电气防火领域，电弧故障保护技术将具有广阔市场前景和发展潜力。

使命之“WHERE”
基于电弧放电产生的各种理化特性，以及电弧波形特征，各种新的检测技术应用于电弧的检测和电弧故障的识别，将进一步提升电弧防护水平。完善电弧动态模型，模拟电弧特性，采用新算法提高故障信息处理速度，是电弧故障保护领域一个重要的研究课题。
(1)电弧检测及故障识别方面
将成熟的智能控制理论及模式识别技术，应用于电弧检测和故障识别判定，将大大提高电弧故障识别速度和准确性。
(2)多保护集成配合方面
解决AFCI所在配电系统中各节点开关的协调配合，为电路提供全面故障保护。集成过载、短路、接地故障、电弧故障等多保护为一个复合型断路器，并优化完善各保护功能的协调配合。
(3)光伏系统电弧故障保护方面
充分发挥光伏清洁能源的作用，针对性研发用于光伏直流系统的特种AFCI，涉及光伏逆变器、汇流箱、光伏电池模块的串联直流电弧故障保护。
(4)满足智能电网对开关电器的新要求
实现故障电弧断路器的可通信、网络化，智能化及其涉及的总线技术、可通信网络化等技术将发挥更大效用。
(5)AFCI产品系列化标准化方面
AFCI的系列化、标准化，以及附件模块化，将大大提高其在终端配电中的应用范围。

结语
作为低压配电系统尤其是建筑供配电的重要终端防火设备，我国与国外的AFCI技术发展及产品应用相比还有很大差距。外资企业已开始了在国内的AFCI战略布局，在中国专利申请量逐年递增。中国高校应注重推动AFCI专利技术转移，寻求专有技术获利;本土企业需加强AFCI的技术研发及专利化，储备好长远发展所需的战略资产，并借鉴外资企业的市场战略，努力培育核心竞争力。随着人们对家居防火安全保护产品的需求增长及国内AFCI技术标准实施，AFCI技术的研究及应用普及将会深入并产生巨大社会和经济效益。