論文關鍵字：AFCI　GFCI　斷路器　防火監(jiān)控　ZigBee網(wǎng)絡　故障電弧　漏電保護

論文摘要：隨著社會的不斷發(fā)展，電氣化程度越來越高，電路保護也越來越重要。電氣中的故障電弧能量大，溫度高，危害是極大的，非常容易引起火災，甚至爆炸。但是，傳統(tǒng)的斷路器是只可以保護漏電(GFCI)，過流和短路，而許多嚴重的火災事故卻是由低于額定電流的故障電弧引起的，傳統(tǒng)的斷路器是絕對不能檢知或防止這種故障。隨著電弧故障引起的事故越來越凸顯，對電弧故障進行檢測的要求越來越迫切，針對電弧故障的研究也越來越多。

為了避免此類火災災難的發(fā)生，我們開發(fā)出了電弧故障斷路器(AFCI)控制板，在很大程度上解決了這個問題，在傳統(tǒng)斷路器的基礎上，它可以在瞬間檢測到電弧，并區(qū)分電弧的性質(zhì)，及時做出相應的處理。本文將闡述AFCI產(chǎn)品在生活中的應用，以及AFCI產(chǎn)品可衍生出來的其他應用，希望AFCI產(chǎn)品可以造福人類。

AFCI產(chǎn)品的必要性

據(jù)統(tǒng)計，電路老化造成的火災在所有火災事故中占有最高的比例，在我國，電氣線路老化，線路分布不合理的情況比比皆是，春節(jié)剛過，于2009.02.05日，武漢的漢正街發(fā)生火災，整個漢正街的商鋪被大火吞噬，直接經(jīng)濟損失超過3000萬元，死亡1人。經(jīng)過調(diào)查，起火原因是電氣線路老化走火(故障電弧)引發(fā)的。根據(jù)CPSC(美國消費品安全委員會)1998年的統(tǒng)計，每年由于配電線路老化引起電弧造成的火災有超過40000起，(占電氣火災的83%)造成直接經(jīng)濟損失$16.8億美圓。所以CPSC要求所有的住宅的臥室必須安裝這種AFCI斷路器和墻插座，所有的空調(diào)要安裝AFCI插座。

這僅是所有火災事故中很小的一些實例，為了避免這類災難的重演，除了我們應該適當注意用電安全外，就是利用AFCI產(chǎn)品的優(yōu)勢，在火災隱患發(fā)生時得到最及時的處理，這就是AFCI產(chǎn)品存在的必要性。

AFCI產(chǎn)品的相關知識

l電弧的種類

線路上的電弧可分為兩種，一種是正常的操作弧，稱《好弧》，另一種是故障電弧，稱《壞弧》。

1.《好弧》是指當電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的弧，如電鉆，吸塵器等。另外當人們開關電器，插拔電器時產(chǎn)生的弧也是《好弧》。

2.《壞弧》是故障電弧，故障電弧的類型基本上可分兩類。A類和B類。A類稱串型電弧，B類稱并型電弧，圖示

A類： B類

l UL1699標準

UL1699是為了規(guī)范AFCI產(chǎn)品而定制的標準。AFCI產(chǎn)品發(fā)展于上世紀90年代，用以識別由過電流產(chǎn)生的電弧而造成的家庭火災。傳統(tǒng)的斷路器可以對過電流提供保護，然而研究發(fā)現(xiàn)在沒有過電流發(fā)生的情況下由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發(fā)打火從而引起火災?，F(xiàn)在UL1699可用于規(guī)范AFCI技術在普通斷路器、墻式安裝插座、以及便攜式AFCI(Cord AFCI)的應用。

l。AFCI如何工作

根據(jù)UL1699的標準，在AC線路上，當AFCI在0.5秒內(nèi)察覺到8個半周的故障電弧(壞弧)，AFCI斷路器執(zhí)行脫扣，切斷AC 線路，脫扣時間小于0.2秒。

lAFCI的原理

上圖中800(M37544)是Renesas 740系列的8 bit 單片機，它的最小指令時間為0.25us, ROM size 8-32K, RAM size 256-2048, 有可編程I/O口25個，3個定時器，6個8bit A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D的轉(zhuǎn)換速度非?？?，約8us, 12個中斷源，一個WDT，寬電源范圍2.2-5.5V。因為M37544是三菱的產(chǎn)品，所以有很好的EMC和EMI性能，是強電控制的首選。

在開發(fā)軟件方面，它支持C語言加匯編語言的組合編寫。編譯器為IAR Systems的M3T-ICC740。仿真工具方面，仿真器為三菱的PC4701U+M38000TL2-FPD，仿真MCU的型號是M37544RSS。

AFCI主要產(chǎn)品簡介

1. 利用ZigBee 無線網(wǎng)絡的AFCI火災隱患監(jiān)控系統(tǒng)

上圖是一個報警系統(tǒng)的示意圖，

因為此系統(tǒng)中的AFCI斷路器包含1個高性能的微處理器(MCU),所以AFCI可以將火災隱患的數(shù)據(jù)通過低成本的ZigBee無線網(wǎng)絡直接傳送到監(jiān)控中心進行分析和處理。

每個AFCI斷路器可以將電流，電壓，漏電，電流相位，電弧信號等數(shù)據(jù)及時傳送到終端計算機。如發(fā)現(xiàn)了火災隱患，可以及時派人去現(xiàn)場檢查和消除火災隱患。

ZigBee是一個低成本、低耗能、雙向無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信;每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個ZigBee網(wǎng)絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡連接。

上示意圖分別是7個AFCI斷路器(帶ZigBee功能)，當某個AFCI的下游負載線路出現(xiàn)了故障電弧或漏電，這個火災隱患的信息將通過ZigBee網(wǎng)絡在第一時間發(fā)送到終端計算機。由于ZigBee網(wǎng)絡是一個雙向的網(wǎng)絡，所以終端計算機也可以隨時查詢每個AFCI斷路器的監(jiān)控數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了一套高效而安全的火災報警系統(tǒng)。

2.支路AFCI產(chǎn)品(Branch/Feeder AFCI)

這類產(chǎn)品大多安裝在支電/配電線路，如在配電箱附近安裝的斷路器，用來防止在支電線路或配電線路上發(fā)生的電弧故障。支路AFCI管理集中，且便于擴展其他功能，如上文提到的火災報警系統(tǒng)等等。

下圖為綿陽和瑞電子AFCI研發(fā)中心開發(fā)的AFCI產(chǎn)品實例：

右圖中的AFCI板有3個LED,可以顯示電弧故障，漏電故障和正常工作的三種狀態(tài)。(帶有故障記憶功能)

左圖中的AFCI斷路器有過流保護，短路保護，欠壓保護，過壓保護，電弧保護，故障記憶等功能。

3. 組合AFCI 產(chǎn)品(Combination AFCI)

一整套支路AFCI產(chǎn)品和墻插座AFCI產(chǎn)品就構成了組合AFCI產(chǎn)品。

4. 墻插座式AFCI 產(chǎn)品(Outlet Circuit AFCI)

這類產(chǎn)品被設計在插座上，用來保護用電線路上的負載和供電線路。它可檢測5A的電弧，一般情況為串型電弧，如松動的電纜產(chǎn)生的電弧。

5. 繩索類AFCI產(chǎn)品(Cord AFCI)

此類產(chǎn)品被連接到插座容器內(nèi)，或者直接連接電器設備，相對簡單，一般只對故障電弧保護，額定電流一般是5A，用來保護特定負載。

6. 便攜AFCI產(chǎn)品(Portable AFCI)

一種插入式AFCI產(chǎn)品，如插線板，用來保護連接到擴展線路上的設備以及供電線路。

7. 航空器的AFCI開關

用于飛機的電氣系統(tǒng)，單相開關，額定電壓115V, 額定電流 5A,10A,15A,20A,25A 頻率 400Hz。

◇ 用于保護電路，電氣系統(tǒng)。防止危險電弧產(chǎn)生。

◇ 溫度補償，彌補周遭環(huán)境溫度造成的影響

◇ 單項三項規(guī)格

◇ 符合世界上任一軍用或商用、SAE標準

◇ 微型尺寸

◇ 高短路遮斷能力

◇ 高抗震動

◇ 雙保險

結束語

上述AFCI的應用是電氣防火領域的一部分，在汽車及船舶領域也有應用。AFCI是一個新的產(chǎn)業(yè)，它是防火技術的創(chuàng)新。

參考文獻

1.　家用電弧斷路器(AFCI)的開發(fā) (建筑電氣期刊2006.2)

2.　防范電氣火災新技術 (Taiwan 臺電月刊 2008.9)

3.　Arc fault testing arc fault scenarios (2002 Underwriters Laboratories inc)

4.　 Microcomputer Based Feeder Protection and Monitoring System-Utility Experience", Martin Narendorf, B. Don Russell, Mike Aucoin, IEEE

Detecting Arcing Downed-Wires Using Fault Current Flicker and Half-Cycle Asymmetry", A. F. Sultan, G. W. Swift, D. J. Fedirchuk, IEEE Transactions on Power Delivery; vol. 9, No. 1; Jan. 1994; pp. 461-469.