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AFDD電弧故障探測器裝置的使命

發布日期:[2018-06-27]     瀏覽:5380

泰西電氣故障電弧探測器AFDD高居火災危害首位的電氣火災的防治愈發重要,防范火患于未“燃”更趨重視。實現在最初阻止電氣火災發生的電弧防護開關設備——電弧故障斷路器(AFCI/AFDD)應求而生。
使命之“WHY”
電氣火災主要源于:

  1. 電氣線路接觸不良或絕緣受損(多是線路老化形成碳化)導致的“串聯電弧”或“并聯電弧”短路;
  2. 電氣線路對地絕緣受損導致的接地(電弧)故障;
  3. 電氣線路接觸不良、電氣設備布置不當、過負荷導致的異常溫升。

其中,電弧性短路隱蔽不易發現成為電氣防火的首要。每次電弧的溫度超過5500℃,高強熱電弧發射出的熱粒子經時間累積易引燃線路周圍絕緣層材料,引起電氣火災。
串聯故障電弧的電流值小于回路額定電流,并聯故障電弧的電流值可能大于額定電流,而家用電器的啟動涌流大于額定電流。針對兩種電弧故障實施保護并需繞過設備啟動涌流,傳統的熱磁系統(如終端過電流保護或漏電保護裝置)無法檢測出故障電弧電流并識別出電弧故障,達不到防范電氣火災的要求。據統計:中國2005至2009年電弧故障導致的火災占總電氣火災的51%,直接經濟損失占總火災的36%。
配電智能化技術的發展及應用使得電弧檢測、故障信號識別得以實現的AFCI/AFDD依靠保護算法可以達到電弧故障保護要求,避免電氣火災發生。美國國家電氣規程(NEC)定義其為:一種當檢測到電弧,通過識別電弧特性,切斷電路,提供電弧故障保護的裝置。
使命之“HOW”
AFCI/AFDD包括操作機構、觸頭系統、脫扣機構、測試按鈕、接線端子、殼架等一般結構,其特征結構還包括電弧檢測電路、電弧故障電子識別電路(含微處理器),其基于PCB硬件及預設的保護算法,實現智能化的電弧檢測、故障電弧識別。
AFCI/AFDD實施保護的流程:(1)電弧檢測。通過先進的電子技術監測電路中的電弧。(2)電弧特性識別。針對檢測到的電弧,分析其特性,識別是否為故障電弧。在AFCI/AFDD制造中,需測試數以百計可能的運行狀態,并編程存入電弧特性篩選器,用以識別“正?!焙汀拔kU”電弧。(3)保護特性匹配分析。保護特性滿足UL1699標準規定:在交流供電線路上,當AFCI/AFDD在0.5s內檢測到8個半周波的故障電弧時,AFCI/AFDD執行脫扣切斷電路,且脫扣時間應小于0.2s。(4)切斷電路,實現故障保護。當滿足電弧故障保護特性時,發出脫扣信號,切斷電路。
AFCI/AFDD檢測到故障電弧,經保護算法分析,滿足保護特性時即觸發脫扣。典型方式:檢測負載電流,將電流信號放大并傳送至電弧特性篩選器,判定電流信號頻率是否大于供電頻率并小于電力線通信頻率。篩選器輸出的信號與設定的電弧電流門檻值比較,大于該電流門檻值時即加入累加器。AFCI/AFDD定期檢查累加器的輸出,超過閾值時即觸發脫扣。
AFCI/AFDD與GFCI(或RCCB)配合使用,可提供電弧和漏電兩種故障保護兼有的家居電氣故障保護,通常是AFCI/AFDD-GFCI插座方式。美國EATON公司已開發出在AFCI/AFDD殼體內集成接地故障(漏電)保護功能的終端產品。
使命之“WHAT”
技術現狀
AFCI/AFDD采用電子技術識別電弧狀態,故障電弧檢測是電弧故障保護的關鍵環節。關于電弧及故障電弧檢測的研究始于20世紀80年代末和90年代初的美國。利用電弧放電的光、熱、聲和電磁等特性,主要的電弧檢測及故障識別方法:
(1)依據電弧波形特性:通過判斷電流波形導數以及累積電弧周期是否均超過設定閥值來識別電弧故障。
(2)依據電弧高頻能量突變:通過檢測電流信號高頻部分的能量突變識別電弧,并通過檢測電弧次數來識別電弧故障。
(3)采用高頻小波變換:對負載電流高頻取樣,計算非過零離散小波系數,連同低頻電流過零信號確定是否滿足閾值。
(4)采用傅式變換:采用短時傅利葉變換分析采樣信號的基波分量、奇次和偶次諧波分量的變化,提取和判斷串聯電弧故障特征。
(5)采用時頻分析:基于反映電流突變的高低脈沖經延時衰減時間的差異,以高于和低于閾值的時域作為判斷依據。
(6)采用高頻信號對比:通過判斷周期性產生的高頻電流是否區別于正常的開關電弧,并檢測頻譜范圍是否區別于由于電力電子器件等應用產生的普通高頻諧波。
(7)采用弧光波長切換:將所接收到的電弧光中的紫外光變換為可見光,由光電轉換器轉換成觸發信號。
行業競態
AFCI/AFDD作為有效防止電弧故障引起電氣火災的終端保護電器,已在北美迅速得到普及和推廣,而國內對AFCI/AFDD的研究及應用尚在初始階段,重要的創新主體有:泰西電氣、和瑞電子、伊頓、西門子、通用電氣、施耐德等。由上海電器科學研究院負責起草的2011年機械行業標準《電弧故障檢測器裝置(AFDD)》,以及由沈陽消防所負責起草的GB 14287.4《故障電弧探測裝置》標準均進入報批階段。在建筑電氣防火領域,電弧故障保護技術將具有廣闊市場前景和發展潛力。
使命之“WHERE”
基于電弧放電產生的各種理化特性,以及電弧波形特征,各種新的檢測技術應用于電弧的檢測和電弧故障的識別,將進一步提升電弧防護水平。完善電弧動態模型,模擬電弧特性,采用新算法提高故障信息處理速度,是電弧故障保護領域一個重要的研究課題。
(1)電弧檢測及故障識別方面
將成熟的智能控制理論及模式識別技術,應用于電弧檢測和故障識別判定,將大大提高電弧故障識別速度和準確性。
(2)多保護集成配合方面
解決AFCI/AFDD所在配電系統中各節點開關的協調配合,為電路提供全面故障保護。集成過載、短路、接地故障、電弧故障等多保護為一個復合型斷路器,并優化完善各保護功能的協調配合。
(3)光伏系統電弧故障保護方面
充分發揮光伏清潔能源的作用,針對性研發用于光伏直流系統的特種AFCI/AFDD,涉及光伏逆變器、匯流箱、光伏電池模塊的串聯直流電弧故障保護。
(4)滿足智能電網對開關電器的新要求
實現AFCI/AFDD的可通信、網絡化,智能化及其涉及的總線技術、可通信網絡化等技術將發揮更大效用。
(5)AFCI/AFDD產品系列化標準化方面
AFCI/AFDD的系列化、標準化,以及附件模塊化,將大大提高其在終端配電中的應用范圍。
結語
作為低壓配電系統尤其是建筑供配電的重要終端防火設備,我國與國外的AFCI/AFDD技術發展及產品應用相比還有很大差距。外資企業已開始了在國內的AFCI/AFDD戰略布局,在中國專利申請量逐年遞增。中國高校應注重推動AFCI/AFDD專利技術轉移,尋求專有技術獲利;本土企業需加強AFCI/AFDD的技術研發及專利化,儲備好長遠發展所需的戰略資產,并借鑒外資企業的市場戰略,努力培育核心競爭力。隨著人們對家居防火安全保護產品的需求增長及國內AFCI/AFDD技術標準實施,AFCI/AFDD技術的研究及應用普及將會深入并產生巨大社會和經濟效益。

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