線纜式故障電弧斷路器行業(yè)進展

麥智煒 馬興灶 王碧瀅

（1.嶺南師范學院 湛江 524048； 2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

前言

電弧現(xiàn)象極其常見，俗稱打火，是一種電場擊穿空氣產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，放電的時候會產(chǎn)生高溫高熱[1]。

生活當中存在很多電弧現(xiàn)象。有的電弧現(xiàn)象對人類有幫助，如電焊、活塞點火、節(jié)能燈啟輝器等；有的電弧現(xiàn)象雖然對人類無幫助，但也不影響人類的生活，如開關(guān)通斷、靜電等；可是，有一類電弧現(xiàn)象卻嚴重影響人類的安全，這類電弧現(xiàn)象被稱作故障電弧[2]。

故障電弧就是用電線路由于非理想現(xiàn)象導致的電弧、打火。根本原因有以下兩個：一是因為我們用電線路絕緣材料都是利用PVC等塑料材料，這種材料時間長了就會出現(xiàn)所謂的線路老化，有些接觸不良、局部發(fā)熱之后會加速降解、炭化；二是因為受外力的影響的破損，這些原因?qū)е陆^緣失效進而產(chǎn)生故障電弧[3]。

故障電弧分為以下兩類[4]：

1）串聯(lián)電弧

串聯(lián)電弧如圖1所示，串聯(lián)電弧時由于電路的接觸不良產(chǎn)生的，這就相當于把“電弧電路”串接到了電路中，而流經(jīng)電弧的電流值會因電路負載而限流，因此，串聯(lián)電弧不會超過導線的負荷[5]。

2）并聯(lián)電弧

圖1 串聯(lián)電弧

圖2 并聯(lián)電弧

圖2所示的并聯(lián)電弧是一種類似短路的情況，考慮到并聯(lián)電弧發(fā)生的位置，并聯(lián)電弧為電路提供了新的導電通路，往往負載被短路，電弧能量和電流更大[6]。

1 故障電弧的危害

近幾年來，多個知名家電品牌廠商的除濕機在美國出現(xiàn)起火召回現(xiàn)象，最終導致巨額賠款，品牌形象受損[7]。

1）格力電器：

據(jù)公開資料顯示，在2005～2013年期間，格力電器生產(chǎn)的除濕機在北美的實體商店以及網(wǎng)站上銷售，售價為110～400美元。這些產(chǎn)品共涉格力、Danby、De'Longhi、Fedders、Fellini、Frigidaire、GE、Kenmore、Norpole、Premiere、Seabreeze、SoleusAir 和SuperClima13個品牌。

美國消費品安全委員會稱，截止2013年已經(jīng)接到了450起上述除濕機發(fā)熱起火事故報告，共造成約為1900萬美元的財產(chǎn)損失。為此，自2013年以來，美國消費品安全委員會共啟動了兩次正式召回，數(shù)量共約為260萬臺。

2）LG電子：

據(jù)已公布的信息顯示，截止2013年，LG電子(天津)公司已接到11起因使用這批除濕器而導致財產(chǎn)損失的事故報告，其中4起曾引發(fā)火災，所幸目前尚無人員傷亡報告。

這批問題除濕器共使用兩個品牌，一是“Goldstar”，產(chǎn)品型號為GHD30Y7和DH305Y7；二是“Comfort-Aire”，產(chǎn)品型號為BHD-301-C。這些產(chǎn)品曾于2007年1月至2008年6月期間，在美國家得寶(Home Depot)、沃爾瑪?shù)攘闶鄣赇N售，售價在140～150美元之間。

CPSC和加拿大衛(wèi)生署表示，消費者在得到正確使用指導意見之前，應立即停用上述存在安全隱患的除濕器。LG電子(天津)配合CPSC、加拿大衛(wèi)生署(Health Canada)完成9.8萬臺便攜式除濕器召回活動[8]。

經(jīng)歷了上述幾次召回事件后，美國政府意識到除濕機的起火風險較其它家電大，這是由于北美地區(qū)用戶使用除濕機的習慣有關(guān)，北美用戶一般會把除濕機放在地庫，一年365天，每天24 h不停運作，除濕機工作時間長，而且無人監(jiān)控，一旦出現(xiàn)老化故障，用戶不能及時發(fā)現(xiàn)，因此容易導致起火現(xiàn)象。

為此，2014年，美國UL 474要求2017年以后銷往北美的除濕機必須裝配帶故障電弧防護功能的保護器。

2 故障電弧斷路器的分類

針對故障電弧斷路器產(chǎn)品，美國消費品安全委員會CPSC，美國州消防署署長全國協(xié)會NASFM，美國國家消防協(xié)會NFPA，以及UL機構(gòu)牽頭制定了全球第一份故障電弧斷路器檢測標準UL 1699[9]。

UL 1699標準內(nèi)規(guī)定了故障電弧斷路器的幾種形式：

1）支路/饋線式故障電弧斷路器。這種斷路器安裝在支路的上端或者饋線上，比如安裝在配電箱上為支路或者饋線線路提供保護。

2）出口線路式故障電弧斷路器。安裝在供電之路下端，比如出線盒，為電源引線和下游插座提供保護。

3）組合式故障電弧斷路器。同時滿足上述兩種功能的斷路器。

4）便攜式故障電弧斷路器。提供故障電弧保護的排插或插線板，能提供一路或多路輸出。

5）線纜式故障電弧斷路器。把故障電弧保護功能做在插頭上，插頭后端接有電源線，給特定家電或者設(shè)備提供保護。

UL 474中對除濕機提出強制使用的故障電弧斷路器為線纜式故障電弧斷路器，即2017年后，北美地區(qū)的除濕機必需把傳統(tǒng)電源線替換為線纜式故障電弧斷路器，否則不得銷售[10]。

美的生產(chǎn)的除濕機在北美地區(qū)占主導份額，為了維持北美地區(qū)除濕機的銷售，必須盡快研發(fā)出性能可靠及具備成本優(yōu)勢的線纜式故障電弧斷路器。所以，下文主要針對線纜式故障電弧斷路器的研究和開發(fā)進行敘述。

3 線纜式故障電弧斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球只有8個廠家具備UL 1699認證，分別是GE、TI、西門子、Eaton、瑞薩科技、寧波習羽、蘇州益而益、ABB[11]。而上述8個廠家的線纜式故障電弧斷路器給美的報價在20美金～50美金/條。其中，第1章節(jié)也透露了北美除濕機的售價大概在110美金～400美金之間，占80 %銷量的除濕機售價約為150美金，而除濕機原來采用的普通電源線僅1美金。也就是說，現(xiàn)有廠家提供的線纜式故障電弧斷路器價格比原有普通電源線上漲至少2 000 %，迫使除濕機整機成本上漲13 %，這將會嚴重影響用戶消費欲望。

導致線纜式故障電弧斷路器價格高居不下的主要原因是故障電弧探測是一項較難的技術(shù)。最基本的難點是缺乏探測電弧信號的渠道。因為故障線路常常埋設(shè)在墻體中或者是家電內(nèi)部，只能通過間接手段，如電流、電壓這些信號來分析和判斷。電流信號的辨識，首先它跟正常的負載容易混淆，圖3是電弧發(fā)生時的電流曲線，突發(fā)電弧時是不光滑的，會有一個曲折。但是利用這個特征，會有很多誤動作。如圖4是鹵素燈的工作電流，因為采用電子變壓器降壓，也具備相似的電流特征[12]。

為此，現(xiàn)有線纜式故障電弧斷路器廠家采用了非常復雜的電路，如圖5所示為西門子線纜式故障電弧斷路器的硬件電路原理框圖。電路中包含大量精密元器件，使得電控硬件BOM成本過高。

其次，廠家為了分辨正常工作電弧和故障電弧，同時對故障電弧實現(xiàn)快速響應，編寫了非常復雜的算法。每個廠家的算法雖然不一樣，但都是基于前期大量學者對電弧特點的研究和總結(jié)。目前，學術(shù)界認為，電弧信號具備如下特征：

1）電流波形中含有豐富的高頻噪聲；

2）電弧點存在電壓下降；

圖3 故障電弧電流波形

圖4 鹵素燈電流波形

圖5 西門子線纜式故障電弧斷路器的硬件電路原理框圖

3）電流上升速度比正常狀態(tài)大；

4）每半個周期都存在電流接近零的區(qū)域，即平肩部；

5）電弧的電壓波形接近矩形；

6）故障電弧具備隨機特性；

7）電弧的電流波形在一定頻率范圍內(nèi)諧波含量明顯增多[13]。

基于上述電弧特征，可以在頻域中進行故障電弧檢測，所以現(xiàn)有廠家采用的主流算法是快速傅立葉分解，將采集到的電流波形和電壓波形綜合考慮，得到能量的傅立葉分解，再根據(jù)其它判據(jù)來辨別故障電弧。但這類型算法需要處理器具備非常快速的計算能力，處理器一般要選擇高速DSP或者ARM M4以上的芯片，成本非常高。

4 總結(jié)

目前，全球只有8個廠家通過了故障電弧斷路器認證（UL 1699），因為具備生產(chǎn)資質(zhì)的廠家很少，所以現(xiàn)有市場上的線纜式故障電弧斷路器價格非常昂貴。設(shè)計一種價格有優(yōu)勢的線纜式故障電弧斷路器具有非常重要的意義。