电气火灾事故呈逐年上升态势, 根据相关统计资料显示, 其中有接近50%的电气火灾事故是由于线路老化、绝缘层脱落形成电弧故障引起的, 造成的人员伤亡、财产损失不计其数。 串联电弧由于故障阻抗而降低负载电流, 目前主要用于保护电气线路的剩余电流保护器、断路器以及熔断器无法对串联故障电弧起到有效的保护作用。电弧故障保护电器(Arc Fault Detection Device, AFDD)的出现很好地填补了这一空缺。故障电弧的识别方法主要基于电网中产生电弧后, 其故障电压和故障电流波形的特征来识别。由于我国低压配电领域的故障电弧保护研究才刚刚起步, 市场上成熟的产品数量不多, 而在生产研发过程中, 常常会因为检测环境不同、负载类型、品牌等变化, 造成测试结果产生较大的差异。为此, 本文基于GB/T 31143— 2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》, 对AFDD的串联、并联电弧故障试验, 抑制性负载屏蔽试验方法, 以及测试用负载进行探讨。

标准GB/T 31143— 2014验证工作特性试验项目共分为4大类:① 串联电弧故障试验; ② 并联电弧故障试验; ③ 屏蔽试验; ④ 误脱扣试验。共需准备6台样品:① 、②项试验共用3台样品进行测试, ③、④项试验共用3台样品进行测试。根据标准附录A中表A.4, 仅当3台试品测试结果全部合格时, 此项试验通过; 3台中若出现1台出现不合格项, 其余2台全部通过测试时, 则需再次提供3台新样品进行重复试验。在重复试验时, 所有的试验结果应合格; 若超过1台试品出现不合格项, 则此项试验判定不合格。

试验时, AFDD应按制造厂的说明书单独安装在温度为20~25 ℃环境中, 避免外界过度的加热或冷却。对于标准第9.9.2.5条极限温度下的试验, AFDD应安装在环境箱内, 放置在-5 ℃及+40 ℃的环境下进行试验。本文仅对串联电弧故障试验、并联电弧故障试验、屏蔽试验中的抑制性负载屏蔽试验进行探讨。

1.1 串联电弧故障试验

串联电弧故障是指电弧电流流过负载并与负载串联的电弧故障, 通常由电气连接不良、导线单根断裂引起。串联电弧故障如图1所示。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 串联电弧故障

故障电弧与负载是串联的。由于串联故障电弧电流受到负载限制, 因而产生的电流可能小于负载电流, 传统的剩余电流保护断路器或过电流保护开关无法识别。串联电弧故障试验电路图如图2所示。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 串联电弧故障试验电路

额定电压为230 V的AFDD分断时间极限值如表1所示。

表1

表1

表1 额定电压为230 V的AFDD分断时间极限值 试验电弧电流/A 最大分断时间/s 3 1.00 5 0.50 10 0.25 16 0.15 32 0.12 63 0.12

表1 额定电压为230 V的AFDD分断时间极限值

需注意的是, 表1中试验电弧电流是试验电路中发生燃弧前的预期电流, 而非线路中实际产生的故障电弧电流。

串联电弧故障试验的方式分以下4项试验内容, 每项试验分别在规定的试验电弧电流下重复进行3次, 每次AFDD均应在规定时间内分断。 试验电流通过调整线路中的阻抗Z来实现。故障电弧由电缆试品产生。

1.1.1 验证电路中突然出现串联电弧故障时的正确动作

AFDD需在额定电压下, 通以表1中所列出的每一档试验电弧电流进行试验。从3 A开始, 直至AFDD的额定电流为止。

试验开关S1、S2、S3、S4和试品处于闭合位置, 调整电流, 使试验电流达到稳定, 然后打开试验开关S2。试验开关S4突然打开, 采集试验波形, 测量AFDD动作时间。试验波形如图3所示。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 验证电路中突然出现串联电弧故障时的正确动作

1.1.2 验证接入带串联电弧故障负载的正确动作

试品需在额定电压下, 通以3 A试验电弧电流及AFDD额定电流的试验电弧电流进行试验。

试验开关S3和S4处于打开位置, 试验开关S1、S2和AFDD处于闭合位置, 调整电流, 然后打开试验开关S2。试验开关S3突然闭合, 采集试验波形, 测量AFDD动作时间。试验波形如图4所示。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 验证接入带串联电弧故障负载的正确动作

1.1.3 验证闭合串联电弧故障时的正确动作

AFDD需在额定电压下, 通以3 A试验电弧电流及AFDD额定电流的试验电弧电流进行试验。

试验开关S1、S2、S3和AFDD处于闭合位置, 调整电流; 然后打开试验开关S1、打开试验开关S2; 此时S1和S4处于打开位置, 试验开关S1突然闭合由此采集试验波形, 测量AFDD动作时间。试验波形如图5所示。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 验证闭合串联电弧故障时的正确动作

1.1.4 极限温度下的试验

试验按标准第9.9.2.2条的方式进行:① 置于-5 ℃温度箱内, 施加0.85倍额定电压、3 A试验电弧电流进行; ② 置于+40℃温度箱内, 通以额定电流直至达到热稳定状态, 在此期间通电电压可以是任意适合的电压值, 然后在1.1倍额定电压、AFDD额定电流的试验电弧电流下进行试验。

1.2 并联电弧故障试验

并联电弧故障是指电弧电流流过带电导体之间并与负载并联的电弧故障。并联电弧故障如图6所示。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 并联电弧故障

并联电弧是一种特殊的短路, 其波形不受回路中负载的影响, 此时线路阻抗决定着电弧电流的大小。并联电弧电流往往是间隙性的故障。一般的过电流保护装置有可能不能检测出并联电弧故障。并联电弧故障试验电路如图7所示。

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 并联电弧故障试验电路

额定电压为230 V的AFDD在0.5 s内允许的最大半波数如表2所示。

表2

表2

表2 额定电压为230 V的AFDD在0.5 s内允许的最大半波数 试验电弧电流/A 额定频率下的半波数/个 75 12 100 10 150 8 200 8 300 8 500 8

表2 额定电压为230 V的AFDD在0.5 s内允许的最大半波数

表2中试验电弧电流是试验电路中发生燃弧前的预期电流, 而非线路中实际产生的故障电弧电流。

1个电弧半波是指10 ms(额定频率50 Hz)和8.3 ms(额定频率60 Hz)期间产生的所有电流波形。在此期间可能某段时间但不是所有时间均有电流流过。一个完整正弦半波电流不可视为一个电弧半波, 幅值不超过预期电流5%的电流或电流持续不超过半波时间5%的电流, 可认为是很小的电流, 不计入半波数内。

本试验要求AFDD在0.5 s内对电弧半波数进行有效识别和计数并断开故障电弧。0.5 s时间是从第一个电弧半波开始计时。若试验过程中, 燃弧少于表2的半波数且AFDD未脱扣, 则需调整试验装置重新进行试验, 直至产生的半波数满足表2要求或AFDD脱扣。

并联电弧故障检测试验的方式分以下3项, 每项试验的每档试验电弧电流重复进行3次, 每次AFDD均应在规定的半波数内分断。试验电流通过调整线路中的阻抗Z来实现。

1.2.1 试验按标准第9.9.3.1条进行验证限流并联电弧时的正确动作

AFDD需在额定电压下, 试验电弧电流75 A和100 A下进行试验, 试验电路如图7。试验开关S1、S2、S3及S4处在闭合位置, 调整试验电流; 然后打开试验开关S2、S3和S4, AFDD和试验开关S1闭合, 突然闭合S3。并联电弧由碳化电缆试品产生, 试验波形如图8所示。

图8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 验证限流并联电弧时的正确动作波形

1.2.2 试验按标准第9.9.3.2条进行验证切割电缆并联电弧试验时的正确动作

试品需在额定电压下, 通以表2的每一档试验电弧电流进行试验, 并联电弧由切割电缆试验装置产生。切割电缆试验装置如图9所示。

图9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 切割电缆试验装置

对于230 V的AFDD, 钢制刀片厚度应为3 mm, 外形尺寸约为32 mm× 140 mm。刀片应固定在杠杆臂上以保持一定的切割角, 使得与第一根导线产生可靠接触, 同时与第二跟导线产生电弧接触。并联电弧电缆切割试验的试验电路图如图10所示。

图10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 并联电弧电缆切割试验的试验电路

AFDD和试验开关S1、S2、S3、S4处在闭合位置, 调整电流; 然后打开试验开关S2、S4, 使S1、S3处在闭合位置, 对杠杆臂缓慢稳定施加一个垂直作用力, 以使刀片切割被试导线的绝缘层。刀片应与第一根导线产生实际接触, 同时与第二根导线产生点接触。并联电弧电缆切割试验波形如图11所示。

图11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 并联电弧电缆切割试验波形

由图11可知, 在并联电弧电缆切割试验中, 产生的电弧并非连续的。在此期间会有某段时间没有电流流过, 这也是被允许的。

1.2.3 试验按标准第9.9.3.3条进行验证接地电弧故障时的正确动作

接地电弧故障是电弧电流从带电导体流入大地的电弧故障, 如图12所示。

图12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 接地电弧

同标准第9.9.3.1条验证限流并联电弧时的正确动作的试验方法, 试品在额定电压下, 产生5 A和75 A的接地电弧, 判定依据如表1中的3 A以及表2中的75 A所示。验证接地电弧故障波形如图13所示。

图13

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图13 验证接地电弧故障波形

1.3 抑制性负载屏蔽试验

屏蔽试验是检查AFDD在不同的抑制配置下的正确动作。AFDD通以额定电压, 电弧故障可由电弧发生器或碳化电缆试品产生。

试验共分成两组进行, 第1组是在额定电压下, 不带抑制性负载的情况下, 回路中产生3 A的试验电弧电流, 每个AFDD测试3次分断时间。抑制性和干扰性负载屏蔽试验电路如图14所示。

图14

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图14 屏蔽试验电路(抑制性和干扰性负载)

闭合试验开关S1及S2, 调节阻性负载至3 A; 然后突然打开试验开关S1, 测试AFDD断开时间。试验波形如图15所示。

图15

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图15 AFDD在阻性负载配置下的正确动作波形

试验电路图第2组试验是在施加抑制性负载情况下进行的, 采用相同的阻性负载来调节。阻性负载和电弧故障试验装置应分别接入以下4种电路配置, 如图16所示。

图16

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图16 电路配置

AFDD应在额定电压下, 每种屏蔽负载下, 分别接入以上4种试验电路配置, 进行3次试验。当采用试验电路配置A和配置C时, 电路中电弧发生之前, 如测出屏蔽负载电流低于3 A时, 则不要求进行本项试验。

试验时, 推荐先将屏蔽负载运行5 s使其达到稳定, 然后插入阻性负载, 最后插入电弧故障试验装置, 以达到较理想的试验效果。通过试验采集的波形来测量AFDD分断时间。

以荧光灯负载为例, 分别接入4个试验电路配置。4种配置试验波形如图17所示。

图17

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图17 4 种配置试验波形

试验电路配置A中无电阻性负载, 电弧故障发生在屏蔽负载前端。试验电路配置B中, 电弧故障发生在屏蔽负载后端、电阻性负载前端。试验电路配置C中, 电弧故障发生在电阻性负载后端, 屏蔽负载前端。试验电路配置D中, 电弧故障发生在屏蔽负载及电阻性负载前端。

电器负载大部分属于非线性负荷, 在运行使用过程中可能会使电路波形畸变产生高次谐波。考虑到AFDD为家用和类似场所使用的, 不同品牌的电器产品产生的高次谐波也有差异。以荧光灯负载为例, 其是通过电弧发光照明的, 其工作电压和电流是呈非线性关系的, 荧光灯中使用的整流器直接关系到其实际工作电流中所含高次谐波分量的多少, 因此建议生产企业在研发过程中, 使用市场上高端、中端及低端品牌的电器负载进行试验, 确保AFDD产品功能的稳定性。

GB/T 31143— 2014明确规定了7种试验负载类型, 用于标准等9.9.4.2条抑制性负载屏蔽试验以及标准第9.9.5.4条带各种干扰负载的试验。

(1)真空吸尘器满载额定电压230 V下额定电流为5~7 A; 示例试验波形如图18所示。

图18

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图18 真空吸尘器试验波形

由图18可见, 吸尘器在启动运行初期, 会有一个较大的峰值电流, 之后慢慢变小趋向稳定, 而其启动瞬间电流较大, 而稳定后的波形从形态上来讲, 与故障电弧电流波形比较接近, 试验时容易造成AFDD误判。

(2)电子式开关电源在额定电压230 V下总负载电流至少为3 A, 总谐波畸变R_(THD)≥ 100%, 单独3次谐波畸变率≥ 75%, 5次谐波畸变率≥ 50%, 7次谐波畸变率≥ 25%, 电源(或多个电源)应接通; 示例试验, 电子式开关电源试验波形如图19所示。

图19

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图19 电子式开关电源试验波形

试验中, 电子式开关电源的谐波畸变易造成AFDD的误判。

(3)对于额定电压为230 V的AFDD, 最大起动电流峰值为额定电压230 V下65(1± 10%)A的电容起动电动机(空压机型)带载(压缩机在气缸无气压条件下操作)起动和运行。电动机功率为2.2 kW。示例试验, 电容器起动电动机(空压机型)试验波形如图20所示。

图20

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图20 电容器起动电动机(空压机型)试验波形

由图20可见, 电容器起动电动机在过零点波形虽与故障电弧电流平肩部有差别, 但是在真正试验过程中, 由于各种AFDD算法的差异, 存在一定概率的误判。

(4) 含滤波线圈的600 W电子灯光调节器(晶闸管型)控制600 W钨丝灯负载。灯光调节器分别调整到充分接通及能使灯亮的最小接通状态, 并分别在导通角为60° 、90° 、120° 时点亮; 试例试验, 调光灯各种导通角试验波形如图21所示。

图21

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图21 调光灯各种导通角试验波形

由图21可见, 调光灯根据导通角度的不同, 电流波形均存在类似于故障电弧电流的平肩形态, 易造成AFDD的误判。

在抑制性负载屏蔽试验中, 由于调光灯负载在试验电路配置A和配置C时, 电路中电弧发生之前, 屏蔽负载电流低于3 A, 所以不要求进行配置A和配置C试验。

(5) 2个40 W荧光灯外加一个5 A的阻性负载, 试例试验。荧光灯外加1个5 A阻性负载试验波形如图22所示。

图22

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图22 荧光灯外加1个5 A阻性负载试验波形

虽然光从荧光灯的低频信号波形来看, 为一个完整的正弦波, 但荧光灯内含有电子镇流器, 会对高频信号产生影响, 易造成AFDD的误判。

(6)由电子变压器供电的12 V的卤素灯, 总功率300 W, 外加5 A的阻性负载。试例试验, 由电子变压器供电的12 V卤素灯试验波形如图23所示。

图23

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图23 由电子变压器供电的12 V卤素灯试验波形

(7)电动手持工具, 如600 W以上的电钻, 试例试验, 750 W手持电钻试验波形如图24所示。

图24

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图24 750 W手持电钻试验波形

由图24可见, 手持电钻起动初期电流较大, 之后慢慢变小直至稳定, 其波形为三角波, 在起动初期容易使AFDD误判造成脱扣。

在抑制性负载屏蔽试验中, 由于电动手持工具负载在试验电路配置A和配置C时, 电路中电弧发生之前, 屏蔽负载电流低于3 A, 所以不要求进行配置A和配置C试验。

电弧故障动作特性试验项目繁多, 测试设备主要由阻性负载柜、电弧发生器、电缆碳化装置、切割电缆装置、屏蔽/干扰负载柜、恒温箱、控制台等组成。试验设备应有防护装置, 以保证试验人员的安全。

AFDD在测试过程中, 往往会因为检测系统的不同、碳化电缆的制作手法不同、电弧发生器产生电弧方式不同、切割电缆装置的切割角度及下降速度不同、高低箱温度的变化等原因造成结果偏差。

(1)检测系统:AFDD试验用设备宜为固定式自动测试设备, 能有效避免人为操作的影响。需配备高精度互感器、波形采集系统, 采样频率不应低于5 kS/s, 电压电流精度不应低于1.5%, 以保证测试的一致性。

(2)碳化电缆的制作:碳化电缆为试验回路中的一部分。碳化电缆制作的优劣, 直接关系到试验结果可靠性。因此, 在电缆制作时, 应当使用适当的工具切割电缆绝缘层, 切勿切断导线线丝。用专门的设备对电缆试品进行预处理, 标准中规定30 mA短路电流下至少7 kV开路电压, 通电约10 s或停止冒烟, 300 mA短路电流下至少2 kV开路电压, 通电约1 min或停止冒烟。在实际预处理过程中, 应仔细观察电缆冒烟情况, 变压器短路电流不易过大, 一旦电缆停止冒烟即切断回路, 并用白炽灯的发光情况来检查是否碳化成功。由于肉眼很难准确识别白炽灯的发光情况, 所以需配合采集到的电流波形, 来判定是否形成碳化路径。

碳化电缆试品从制作到试验, 不能拆装或移动, 任何拆装或移动都会影响碳化路径, 而影响试验结果。

(3)电弧发生器:电弧发生器是由两个电极由相互接触再慢慢分开至一个适当的距离, 在两电极间产生一个稳定的电弧。建议采用步进电机或伺服电机控制, 使设备能均速稳定地控制电极的前进与后退, 调节速度不宜过快, 调节细度应在0.1 mm以下。

(4)切割电缆装置:切割电缆试验电流较大, 试验过程中可能会产生强光、飞弧等现象, 应避免人眼直视, 试验装置有足够的安全防护措施。切割刀片移动建议采用步进电机或伺服电机控制, 下降速度不宜过快, 调节细度应在0.1 mm以下。每次试验后因高温大电流的影响, 一般刀口上会产生一个缺口, 在进行下一次试验前, 应检查刀口情况, 使用完好的刀口进行试验。

(5)高低温箱:在进行AFDD极限温度下的试验前, 建议将试品置于-5 ℃及+40 ℃温度下一段时间后再进行试验, 一般为1~2 h, 以保证试品整体温度一致。高低温箱空间不易过小, 一般取1 m³, 风速不宜超过0.2 m/s, 以减少外部因素对试品的影响, 保证试验一致性。

电弧故障断路器能很好地保护电气线路安全, 预防电气火灾的发生。但试验场所、电弧波形的不确定性, 可能直接影响试验结果。在试验过程中, 应保证电源质量, 减少电压电流误差。用专门的电弧故障检测设备进行试验, 应保证试验用装置、耗材、切割工具、夹具的一致性, 监视试验中电流波形, 并对试验人员进行培训, 严格按照要求进行试验, 避免人为因素的影响。