浅谈AFCI技术在电气防火领域的应用

论文关键字：AFCI　GFCI　断路器　防火监控　ZigBee网络　故障电弧　漏电保护

论文摘要：随着社会的不断发展，电气化程度越来越高，电路保护也越来越重要。电气中的故障电弧能量大，温度高，危害是极大的，非常容易引起火灾，甚至爆炸。但是，传统的断路器是只可以保护漏电(GFCI)，过流和短路，而许多严重的火灾事故却是由低于额定电流的故障电弧引起的，传统的断路器是绝对不能检知或防止这种故障。随着电弧故障引起的事故越来越凸显，对电弧故障进行检测的要求越来越迫切，针对电弧故障的研究也越来越多。

为了避免此类火灾灾难的发生，我们开发出了电弧故障断路器(AFCI)控制板，在很大程度上解决了这个问题，在传统断路器的基础上，它可以在瞬间检测到电弧，并区分电弧的性质，及时做出相应的处理。本文将阐述AFCI产品在生活中的应用，以及AFCI产品可衍生出来的其他应用，希望AFCI产品可以造福人类。

AFCI产品的必要性

据统计，电路老化造成的火灾在所有火灾事故中占有最高的比例，在我国，电气线路老化，线路分布不合理的情况比比皆是，春节刚过，于2009.02.05日，武汉的汉正街发生火灾，整个汉正街的商铺被大火吞噬，直接经济损失超过3000万元，死亡1人。经过调查，起火原因是电气线路老化走火(故障电弧)引发的。根据CPSC(美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，(占电气火灾的83%)造成直接经济损失$16.8亿美圆。所以CPSC要求所有的住宅的卧室必须安装这种AFCI断路器和墙插座，所有的空调要安装AFCI插座。

这仅是所有火灾事故中很小的一些实例，为了避免这类灾难的重演，除了我们应该适当注意用电安全外，就是利用AFCI产品的优势，在火灾隐患发生时得到最及时的处理，这就是AFCI产品存在的必要性。

AFCI产品的相关知识

l电弧的种类

线路上的电弧可分为两种，一种是正常的操作弧，称《好弧》，另一种是故障电弧，称《坏弧》。

1.《好弧》是指当电机旋转产生的弧，如电钻，吸尘器等。另外当人们开关电器，插拔电器时产生的弧也是《好弧》。

2.《坏弧》是故障电弧，故障电弧的类型基本上可分两类。A类和B类。A类称串型电弧，B类称并型电弧，图示

A类： B类

l UL1699标准

UL1699是为了规范AFCI产品而定制的标准。AFCI产品发展于上世纪90年代，用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护，然而研究发现在没有过电流发生的情况下由小电流引起的故障电弧也有足够的能量引发打火从而引起火灾。现在UL1699可用于规范AFCI技术在普通断路器、墙式安装插座、以及便携式AFCI(Cord AFCI)的应用。

l。AFCI如何工作

根据UL1699的标准，在AC线路上，当AFCI在0.5秒内察觉到8个半周的故障电弧(坏弧)，AFCI断路器执行脱扣，切断AC 线路，脱扣时间小于0.2秒。

lAFCI的原理

上图中800(M37544)是Renesas 740系列的8 bit 单片机，它的最小指令时间为0.25us, ROM size 8-32K, RAM size 256-2048, 有可编程I/O口25个，3个定时器，6个8bit A/D 转换器，A/D的转换速度非常快，约8us, 12个中断源，一个WDT，宽电源范围2.2-5.5V。因为M37544是三菱的产品，所以有很好的EMC和EMI性能，是强电控制的首选。

在开发软件方面，它支持C语言加汇编语言的组合编写。编译器为IAR Systems的M3T-ICC740。仿真工具方面，仿真器为三菱的PC4701U+M38000TL2-FPD，仿真MCU的型号是M37544RSS。

AFCI主要产品简介

1. 利用ZigBee 无线网络的AFCI火灾隐患监控系统

上图是一个报警系统的示意图，

因为此系统中的AFCI断路器包含1个高性能的微处理器(MCU),所以AFCI可以将火灾隐患的数据通过低成本的ZigBee无线网络直接传送到监控中心进行分析和处理。

每个AFCI断路器可以将电流，电压，漏电，电流相位，电弧信号等数据及时传送到终端计算机。如发现了火灾隐患，可以及时派人去现场检查和消除火灾隐患。

ZigBee是一个低成本、低耗能、双向无线通信网络系统，由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里;另外整个ZigBee网络不仅可以“无限”扩展开来，而且还可以与现有的其它的各种网络连接。

上示意图分别是7个AFCI断路器(带ZigBee功能)，当某个AFCI的下游负载线路出现了故障电弧或漏电，这个火灾隐患的信息将通过ZigBee网络在第一时间发送到终端计算机。由于ZigBee网络是一个双向的网络，所以终端计算机也可以随时查询每个AFCI断路器的监控数据。这样就实现了一套高效而安全的火灾报警系统。

2.支路AFCI产品(Branch/Feeder AFCI)

这类产品大多安装在支电/配电线路，如在配电箱附近安装的断路器，用来防止在支电线路或配电线路上发生的电弧故障。支路AFCI管理集中，且便于扩展其他功能，如上文提到的火灾报警系统等等。

下图为绵阳和瑞电子AFCI研发中心开发的AFCI产品实例：

右图中的AFCI板有3个LED,可以显示电弧故障，漏电故障和正常工作的三种状态。(带有故障记忆功能)

左图中的AFCI断路器有过流保护，短路保护，欠压保护，过压保护，电弧保护，故障记忆等功能。

3. 组合AFCI 产品(Combination AFCI)

一整套支路AFCI产品和墙插座AFCI产品就构成了组合AFCI产品。

4. 墙插座式AFCI 产品(Outlet Circuit AFCI)

这类产品被设计在插座上，用来保护用电线路上的负载和供电线路。它可检测5A的电弧，一般情况为串型电弧，如松动的电缆产生的电弧。

5. 绳索类AFCI产品(Cord AFCI)

此类产品被连接到插座容器内，或者直接连接电器设备，相对简单，一般只对故障电弧保护，额定电流一般是5A，用来保护特定负载。

6. 便携AFCI产品(Portable AFCI)

一种插入式AFCI产品，如插线板，用来保护连接到扩展线路上的设备以及供电线路。

7. 航空器的AFCI开关

用于飞机的电气系统，单相开关，额定电压115V, 额定电流 5A,10A,15A,20A,25A 频率 400Hz。

◇ 用于保护电路，电气系统。防止危险电弧产生。

◇ 温度补偿，弥补周遭环境温度造成的影响

◇ 单项三项规格

◇ 符合世界上任一军用或商用、SAE标准

◇ 微型尺寸

◇ 高短路遮断能力

◇ 高抗震动

◇ 双保险

结束语

上述AFCI的应用是电气防火领域的一部分，在汽车及船舶领域也有应用。AFCI是一个新的产业，它是防火技术的创新。

参考文献

1.　家用电弧断路器(AFCI)的开发 (建筑电气期刊2006.2)

2.　防范电气火灾新技术 (Taiwan 台电月刊 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.