AFD/AFDD方案

AFD/AFDD方案

一、简介

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。伴随着用电技术的拓展和深入以及层出不穷的无数电器进入了各行各业和千家万户——用电安全的每个技术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上述三个：短路保护、漏电保护和过载保护。

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”——该技术要求当用电环境和负载发生故障电弧时，需及时检测和分析出故障电弧，并瞬时触发电路分断或者发出声光等报警信号，实现对用电环境和用电设备的保护，使它们免遭损毁。

1993年，美国人阿鲁纳卡拉姆发明了应用于低压电器和负载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产生的声、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器和负载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，虽有众多机构的科学家、工程师投身这一领域，提出了很多新观念、新技术，但是迄今为止最大的成果也只是特定限制条件下可以局部采用的不可靠技术，并不是一种对低压电器和负载具有普遍意义的科技成就。

1999年，美国UL实验室制订了全球第一个故障电弧断路器(AFCI)产品标准UL1699，应用于北美110V电网终端环境。2013年，IEC制订了IEC62606,开启了应用于全球大多数国家的230V电网环境的故障电弧技术的应用。但是，由于230V故障电弧产品技术难度大，产品档级多，灵敏度要求高，各国电网环境错综复杂、电磁兼容环境差，使得全球除了西门子、施耐德少数厂商有满足实验室环境的样品推出外，全球还没有一款真正实用的、适应复杂电网环境的产品推出，全球的应用还未展开。

2018年，通过长期的跟踪，以及经过长达10年的攻关，我团队应用新一代人工智能识别技术，和配套的芯片设计技术，独立开发成功了具有高灵敏度、高可靠性、适应复杂电网环境的实用智能型故障电弧保护技术，且特别适合中国的电网国情，当前处于国内领先水平。

图一采用我团队故障电弧保护技术的试制产品

可以预见，在不久的将来，国内外所有的低压用电环境和负载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，成为各行各业和居民生活的低压电器和负载用电安全领域的基本装备。

二、故障电弧的本质以及故障电弧保护技术

1、电弧

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）中激发游离态带电粒子（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。

（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”。

2、故障电弧及其分类和起因

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。

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。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：

图二故障电弧分类

-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；

-电线机械强度不够，使电线断落接触大地，或断落在另一根电线上；

-高压架空线路的绝缘子耐压程度过低，会引起线路的对地击穿；

-绝缘材料本身不符合产品标准要求，绝缘耐压击穿隐患

上述状况发生时，局部导线绝缘外皮的高分子材料被逐步降解，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。另外，在一些大电流场合，局部的接触不良、接触电阻过大，也会产生故障电弧。

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图三故障电弧的危害

3、故障电弧保护技术AFDD/AFD

故障电弧保护技术是应用于低压电网和电器的故障电弧辨识、监测和控制的智能装置。该装置通过报警和断路等方式防止了故障电弧引发火灾、损毁电器等危害发生。

故障电弧保护技术（装置）在北美被称为AFCI，（Arc-Fault Circuit-Interrupter，即电弧故障断路器器）。

在中国，因为管理体制的不同，故障电弧保护技术（装置）承袭了IEC国际电工委员会的命名标准，并从管理角度被分为两大类型，即AFDD (Arc-Fault Detection Devices，电弧故障检测装置)，以及，AFD (Arc- Fault Detection，电弧故障检测)。

AFCI/AFDD/AFD的技术核心基本一致，即准确探测和识别出故障电弧，差别是在故障电弧发生后，他们所起的后续功能不同，主要是声光报警和分断电路两种。

AFDD所对应的国家标准是GB/T31143-2014《电弧故障保护电器（AFDD）的一般要求》2014.9.首次发布,2015.5.1.实施。

AFD所对应的国家标准是GB 14287.4-2014《电气火灾监控系统第4部分：故障电弧探测器（AFD）》2014.6.首次发布,2015.6.1.实施。该标准由国家公安部消防总局提出并归口管理。

同时，为了配合AFDD/AFD的推广，建设部也颁布了国家标准GB50116-2013《建设部火灾自动报警系统设计规范》，自2014年5月1日起实施。

值得指出的是，国家颁布三大标准的时候，国内外还没有一个稳定可靠的故障电弧保护技术产品可以应用；但我国相关的产品测试实验室的建设、测试服务的提供，也都还在逐步完善中。只是因为社会意义的重大，才提早颁布了此类标准，市场急需成熟稳定的产品。

随着中国经济发展带来的用电产品繁荣，故障电弧对中国的危害已经到了忍无可忍的地步，提前发布国家标准能客观上激发AFDD/AFD的技术进步，以最快的进度解决燃眉之急。

4、故障电弧保护技术对电器行业的影响

由前所述，故障电弧保护技术是用电安全领域必须的升级和补充，是30多年来最重要的用电安全技术进步，这项具有里程碑意义的安全技术融合到低压电器和家电等行业中去是提升和拓展整个行业规模的、提高品牌效应的强大促进力量。

5、AFDD/AFD的技术原理

系统图

图四系统原理图

故障电弧探测技术AFDD/AFD的原理是利用电弧产生时，电路中会产生电磁噪声，通过检测该噪声判断和识别是否发生了故障电弧。故障电弧技术探测的关键难点在于电网本身就天然存在大量噪声干扰，同时电器负载本身也会产生各种电磁噪声，它们的信号特征与故障电弧极其难以区分。

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。

6、项目技术路线描述

1.根据标准，构建故障电弧检测实验室。

电弧实验室产生电弧主要包括两种类型：串联电弧和并联电弧。其中，串联电弧又有炭化通道和故障电弧发生器两种方式。并联电弧是通过炭化通道和金属点接触并联电弧是试验。需要设计专用的设备以配合上述实验，炭化通道由高压变压器产生电弧烧灼电线炭化制成，电弧发生器能够直接产生电弧。并联点接触电弧实验通过闸刀切割带电电缆而成。

实验室需要配置大量现场环境中的电器，如各种灯具，吸尘器、电磁炉、空调等负载，以采集测试不同负载环境下电弧识别的准确率、快捷性，以配合不同接线方式下电弧故障模拟和信号的检测。

采用有关仪器，采集现场信号，建立故障电弧与负载工作信号数据库。

2.建立仿真软件环境。

仿真系统输入前述建立的信号数据库，试验信号处理算法和故障电弧辨识算法。在仿真平台上不断改进算法，获得算法验证结果。

仿真系统包含与算法设计软件Matlab接口，以及与数字信号采集环境LabView接口，方便数据的采集和算法设计。

经过验证的算法可以通过重写C代码实现，也可通过自动转换实现。

3.设计传感器与信号调理电路，设计电子系统的印刷电路板。

根据电弧现象的物理机理，设计感知电弧信号的专用传感器。通过实验测试，试验不同材料和设计条件下，传感器感受电弧信号特征，分析比较，选取优化的设计。

根据传感器特点，以及信号处理过程，设计信号调理电路，强化电弧信号特征，弱化非电弧信号。

4.设计嵌入式产品软件。

将算法移植到嵌入式系统中，设计有关硬件驱动程序，数据输入与控制软件，进行产品电子系统验证、测试。

将电子系统接入电弧试验系统，验证标准测试条件下所有电弧检出和抗干扰功能。对不符合功能要求的项目，不断调试改进。