本科毕业论文-多级AFCI(电弧故障断路器)协作网络研究

1、.多级AFCI（电弧故障断路器）协作网络研究摘要本文是在AFCI发展逐渐成熟，AFCI产品日益丰富的背景下，对于产生的多级AFCI而进行的研究。由于各种AFCI都以不同的形态存在，因此建立各种AFCI之间的层次结构就变得异常重要。针对多级AFCI连接时可能产生的干扰问题给出解决方案。本文首先从单级AFCI出发，将其作为一个黑盒进行建模，给出其基本属性，再将其引用至两级AFCI中，在两级的上级发生故障电弧时，下级的AFCI亦可以检测到电弧，这就会产生不应该有的关断，本文通过网络手段使各个AFCI联通，且使用软件使各AFCI产生协作关系，使之可以正确的关断电路，达到保护电路的目的。接着运用二级AF

2、CI的研究模式，将研究方向引入多级AFCI方向，利用两级的模型，可以得出在树形结构下的多级AFCI关断方法。本文最后将多级AFCI引入智能电网，使其成为智能电网中一个重要的组件。对其中关于网络结构，传输方式，不同电压下测量，对响应时间的要求等问题进行了分析。关键词： AFCI，多级，智能电网浙江大学硕士学位论文 Abstract. PAGE ii.AbstractThis paper is a research on multi-level AFCI under the background of that when the AFCI technology is developing fast

3、 and the AFCI product increase rich. Different kinds of AFCI can exist in different forms, its very important to construct the level of different AFCI and can resolve the interference of multi-level AFCI connection.This paper is modeling the signal-level AFCI as a black box firstly to research its r

4、elationship between current, voltage and impedance, and then use the concept in the two-level AFCI. When the upper level AFCI detect the fault arc, the lower level AFCI also can detect it. This situation can lead a mistake. We use network to connect different AFCI and use software to collaborative.

5、The solvation can turn off the circuit correctly to protect the circuit.Using the two-level AFCI model, we also can derivation the multi-level AFCI model. We bring the multi-level AFCI into smart grid as an important part and analysis the problems about network structure, transmission, measured at d

6、ifferent voltages, the response time.Key Words： AFCI, Multi-level，Smart Grid 浙江大学硕士学位论文 STYLEREF 章标题(不加入目录内) * MERGEFORMAT 目录. PAGE IV.目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293000115 摘要 PAGEREF _Toc293000115 h i HYPERLINK l _Toc293000116 Abstract PAGEREF _Toc293000116 h ii HYPERLINK l _Toc293000117 图目录

7、 PAGEREF _Toc293000117 h III HYPERLINK l _Toc293000118 表目录 PAGEREF _Toc293000118 h IV HYPERLINK l _Toc293000119 第1章 绪论 PAGEREF _Toc293000119 h 1 HYPERLINK l _Toc293000120 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc293000120 h 1 HYPERLINK l _Toc293000121 1.1.1 AFCI背景 PAGEREF _Toc293000121 h 1 HYPERLINK l _Toc293000122 1.1

8、.2 多级AFCI背景 PAGEREF _Toc293000122 h 2 HYPERLINK l _Toc293000123 1.1.3 智能电网 PAGEREF _Toc293000123 h 3 HYPERLINK l _Toc293000124 1.2 发展前景 PAGEREF _Toc293000124 h 7 HYPERLINK l _Toc293000125 1.2.1 AFCI应用前景 PAGEREF _Toc293000125 h 7 HYPERLINK l _Toc293000126 1.2.2 智能电网中多级AFCI的优势 PAGEREF _Toc293000126 h

9、8 HYPERLINK l _Toc293000127 1.3 主要研究内容 PAGEREF _Toc293000127 h 8 HYPERLINK l _Toc293000128 第2章 单级AFCI理论模型 PAGEREF _Toc293000128 h 10 HYPERLINK l _Toc293000129 2.1 UL1699协议 PAGEREF _Toc293000129 h 10 HYPERLINK l _Toc293000130 2.2 电弧检测算法 PAGEREF _Toc293000130 h 10 HYPERLINK l _Toc293000131 2.3 单级AFCI模

10、型 PAGEREF _Toc293000131 h 12 HYPERLINK l _Toc293000132 第3章 多级AFCI理论模型 PAGEREF _Toc293000132 h 15 HYPERLINK l _Toc293000133 3.1 二级AFCI模型 PAGEREF _Toc293000133 h 15 HYPERLINK l _Toc293000134 3.1.1 正常情况下的两级AFCI电路 PAGEREF _Toc293000134 h 15 HYPERLINK l _Toc293000135 3.1.2 两级AFCI中上级发生故障电弧 PAGEREF _Toc293

11、000135 h 16 HYPERLINK l _Toc293000136 3.1.3 两级AFCI中下级发生故障电弧 PAGEREF _Toc293000136 h 18 HYPERLINK l _Toc293000137 3.2 两级AFCI的实施方法 PAGEREF _Toc293000137 h 20 HYPERLINK l _Toc293000138 3.2.1 两级AFCI架构 PAGEREF _Toc293000138 h 20 HYPERLINK l _Toc293000139 3.2.2 两级AFCI时间分析 PAGEREF _Toc293000139 h 23 HYPERL

12、INK l _Toc293000140 3.3 多级AFCI模型 PAGEREF _Toc293000140 h 24 HYPERLINK l _Toc293000141 3.3.1 正常工作的三级AFCI系统 PAGEREF _Toc293000141 h 24 HYPERLINK l _Toc293000142 3.3.2 三级发生故障电弧的三级AFCI系统 PAGEREF _Toc293000142 h 25 HYPERLINK l _Toc293000143 3.3.3 三级以下发生故障电弧的三级AFCI系统 PAGEREF _Toc293000143 h 25 HYPERLINK l

13、 _Toc293000144 第4章 多级AFCI智能化 PAGEREF _Toc293000144 h 30 HYPERLINK l _Toc293000145 4.1 网状结构可能性 PAGEREF _Toc293000145 h 30 HYPERLINK l _Toc293000146 4.2 不同电压下的多级AFCI PAGEREF _Toc293000146 h 31 HYPERLINK l _Toc293000147 4.3 单线与双线结构的可能性 PAGEREF _Toc293000147 h 32 HYPERLINK l _Toc293000148 4.4 对信号通讯的要求以及

14、选择 PAGEREF _Toc293000148 h 34 HYPERLINK l _Toc293000149 4.5 对于响应时间的要求 PAGEREF _Toc293000149 h 36 HYPERLINK l _Toc293000150 第5章 智能电网中多级AFCI应用模型 PAGEREF _Toc293000150 h 38 HYPERLINK l _Toc293000151 5.1 智能电网AFCI总架构概念图 PAGEREF _Toc293000151 h 38 HYPERLINK l _Toc293000152 5.2 在智能电网中采用多级AFCI结构的必要性 PAGEREF

15、 _Toc293000152 h 39 HYPERLINK l _Toc293000153 第6章 总结 PAGEREF _Toc293000153 h 41 HYPERLINK l _Toc293000154 参考文献 PAGEREF _Toc293000154 h 42 HYPERLINK l _Toc293000155 作者简历 PAGEREF _Toc293000155 h 44 HYPERLINK l _Toc293000156 致谢 PAGEREF _Toc293000156 h 45.图目录 TOC h z c 图 HYPERLINK l _Toc292998348 图1.1 插

16、座头式的AFCI，插座式AFCI，断路器式AFCI PAGEREF _Toc292998348 h 3 HYPERLINK l _Toc292998349 图1.2 智能电网结构图 PAGEREF _Toc292998349 h 5 HYPERLINK l _Toc292998350 图2.1 交流电弧特征 PAGEREF _Toc292998350 h 12 HYPERLINK l _Toc292998351 图2.2 单级AFCI电路模型 PAGEREF _Toc292998351 h 13 HYPERLINK l _Toc292998352 图2.3 电弧电流与正常电流比较图 PAGER

17、EF _Toc292998352 h 14 HYPERLINK l _Toc292998353 图3.1 正常情况下两级AFCI电路 PAGEREF _Toc292998353 h 15 HYPERLINK l _Toc292998354 图3.2 两级AFCI上级发生电弧故障 PAGEREF _Toc292998354 h 16 HYPERLINK l _Toc292998355 图3.3 两级AFCI上级发生电弧故障 PAGEREF _Toc292998355 h 18 HYPERLINK l _Toc292998356 图3.4 两级AFCI软件流程图 PAGEREF _Toc29299

18、8356 h 21 HYPERLINK l _Toc292998357 图3.5 三级AFCI电路模型 PAGEREF _Toc292998357 h 24 HYPERLINK l _Toc292998358 图3.6 三级AFCI算法流程图 PAGEREF _Toc292998358 h 29 HYPERLINK l _Toc292998359 图4.1 网状结构电弧发生示意图 PAGEREF _Toc292998359 h 31 HYPERLINK l _Toc292998360 图4.2 双线传输示意图 PAGEREF _Toc292998360 h 33 HYPERLINK l _To

19、c292998361 图4.3 通讯流程信令图 PAGEREF _Toc292998361 h 36 HYPERLINK l _Toc292998362 图5.1 智能电网中多级AFCI应用图 PAGEREF _Toc292998362 h 39表目录 TOC h z c 表 HYPERLINK l _Toc292998384 表1.1 智能电网与传统电网的区别 错误! 文档中没有指定样式的文字。. PAGE 2.绪论课题背景 AFCI背景随着时代的发展，越来越多的家用电器进入了我们的生活，家用电器给我们带来了便利的同时也带有着一定的安全隐患，由于人们对安全用电意识的增强，越来越多的保护电路的

20、产品出现了，断路器就是其中的一种，它可以在电路发生过载或者短路时，迅速的切断故障电流，防止事故的扩大，从而保证系统的运行安全。传统的断路器和熔断器可以在配电中提供过电流和短路保护。尽管有这种保护，每年在美国还是有约7.0万住宅发生的火灾被认为是由于电器引发，其死亡人数超过500人，财产损失10亿美元1。调查发现，在某些情况下，火灾的发生是因为断路器没有跳闸。所以在90年代初断路器需要得到加强保护的必要性得到承认。美国几个相关协会包括EIA等在内和几个主要的工业电器制造商成为加强安全的倡导者，同时他们也从事研究和开发，试图了解相关的现象，并找到切实可行的解决办法。研究结果发现，如果电线被破坏，间

21、歇性和溅射的电弧虽然会产生波形上的变化，但不会使传统的断路器关断，这是因为这些设备监测到的数值远远小于过载电流的曲线。当有适当的可燃物时，这可能会继续下去，直到电弧引发火灾。这就是研发电弧故障电路断流器（AFCI）的初衷。AFCI可以识别出现故障的电弧的独特信号，并可以将故障电弧孤立或者关断。AFCI的第一篇描述出现在1999年IAEI文章“Arc- Fault Circuit Interrupters (电弧故障电路断路器)，作者是Dr. Clive Kimblin, Dr. Joe Engel 和 Bob Clarey.该文定义了电弧可能导致火灾危险的条件。包括电弧接地、布线故障模式、漏电

22、情况（如发光的接触高阻故障）和网上的低电流电弧（有时被称为串联电弧）。其标准和规范由美国国家消费协会和美国消费品安全委员会等全国性协会与厂商共同制定，并进行推广应用。在之后的六年中，数百万的设备被安装到了实地，记录现实AFCI一直保持着优良的性能。 美国国家消费协会一直在鼓励采用这种技术进行进一步应用。2002年美国的全国电气规程要求所有在卧室内安装的支路，都要安装故障电弧断路器，2004年要求美国销售的家用空调必须带具有AFCI功能的电源插头。在AFCI的研制方面，国外的一些公司如美国GE公司、德州仪器公司和德国西门子公司已经相对成熟。国内由于缺少电弧故障断路器的国家标准，现在还处于各自为政

23、的状态，国内的一些厂家也主要面向北美的空调插头市场，忽视了国内产品标准的研究。但是随着国家对电力安全的重视逐年提高，相信在不久的将来国家势必会出台有关的国家标准，以及安装电弧保护设备的强制法规。 多级AFCI背景正是由于AFCI的应用，在很大程度上解决了在用电终端会发生火灾危险的问题。但是又有全新的问题摆在我们面前，就是AFCI在目前作为一个用电终端设备是否可以广泛的应用在电网中，是否可以进行多级的连接，连接后相互的协调机制是怎样的。目前在我国输电线路输电电压的等级大概分为220V， 380V,10KV,35KV,110KV,220KV,500KV，而在每一个输电电压上也会存在着多级的断路器，

24、比如在220V的家用电压上，就可以简单的分为家庭总断路器，房间级断路器，接线板级断路器，插座级断路器，现在有的AFCI一般后两者居多。所以在整个输电过程中，从发电厂一直到一般的家庭用电，中间会隔着许多级断路器，如果它们都包含了AFCI，那么它们之间如何协作的问题就会摆在我们面前。现在国内外关于AFCI的论文资料基本都拘泥于如何提高算法的质量用来增加检测出电弧的可靠性和寻找如何去防止误检测带来的不必要关断的方法，或是尽量加快关断的时间一提高安全性。但是随着AFCI种类的愈来愈多，随时可能发生各种AFCI产品产生多级连接的可能，多级AFCI应该如何工作，它们的协作机制又是如何，这些问题到目前为止都

25、鲜有人提及。随着AFCI技术的不断进步，AFCI多级连接一定会成为未来AFCI发展的主要研究方向。在目前AFCI多级化还存在诸多问题，其中最大的问题就在于AFCI是否可以串行连接，因为从AFCI的工作原理中可以得知，AFCI并不像普通的断路器是一个纯物理关断的过程，普通断路器是检测超载的电路，电流过大时关断，不同级会设置有不同的而AFCI需要采集电路的电弧信号经过处理后关断2，所以若是在同一条线路路上有多个AFCI，理论上来说只要有一个关断了其他都会关断，而若多级的AFCI同时关断，势必会影响到其他正常的电路，使其无法正常运转，多级AFCI协作主要就是要解决最小关断域的问题。很多种AFCI已经

26、在实际中被广泛适应。例如，一种馈线式的AFCI被安装在机柜中，以保护配电线路和电力线路。另一种AFCI作为一个插件，被嵌入设备的电源插座；另一种AFCI则被安装于接线板内。在现代的住宅房屋和其他设施里，也会有一个或者一个以上AFCI产品出现。由于各种AFCI都以不同的方式使用的，建立各种AFCI之间的层次结构变得异常重要。例如，当一个便携式AFCI连接到电源插座，而此电源插座也带有AFCI设备。这种情况下，这个AFCI结构就包括了两级AFCI。对于一个无层次结构AFCI来说，拥有多级AFCI可以给设施提供好的智能保护。如图1.1所示： 图 STYLEREF 1 s 1. SEQ 图 * ARA

27、BIC s 1 1 插座头式的AFCI，插座式AFCI，断路器式AFCI在本文中我们将对多级AFCI的必要性和可行性展开讨论：1）必要性：主要讨论是否有必要在多级使用AFCI，在多少级使用AFCI是合适等问题。2）可行性：主要分析多级AFCI对算法上的要求，是否需要对硬件进行修改，以及多级AFCI对于级数上的上限。各AFCI的通讯原理是怎么样的。且会分析其与智能电网融合的可能。下节我们将对智能电网做单独论述。智能电网智能电网是人类对现有电网系统的反思，本文在此提及智能电网是为了将AFCI融入其中，使之更好的发挥其功效，为人类服务。在20世纪，电力系统就成为了人类所获得的最辉煌的工程技术成就之一

28、。但是，进入21世纪以来，随着生产力的发展，电力系统呈现出线路扩容困难，不断老化，系统效率低，节能减排等环保压力增大的问题。人类对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高，大容量的风力发电，光伏发电等可再生能源发电接入电力系统的要求日益增强，特别是大面积停电的灾变事故频发，使传统电力系统已经不能满足现在信息社会发展的需求。与此同时，通信技术、计算机技术，电力电子技术和传感技术的不断发展和日益成熟，为电网的现代化提供了技术手段，以美国为首的发达国家提出了“电网现代化”的号召，从而在全世界范围内掀起了一股研究“智能电网”的热潮3。纵观21世纪科技和经济的发展，智能电网的提出和发展不是偶然的，它发展的内

29、在动力来源于以下几个方面：提高设备利用效率，减少输出电拥堵的需要提高供电可靠性和电能质量的需要提供多种多样的电力赠值服务，增加电力用户互动性的需要 。节能和环保的大势所趋，减少温室气体的排放的需要大量可再生能源接入电网的需要国家能源安全和综合资源优化配置的需要：可见，智能电网的发展是21世纪科学技术和经济社会发展的必然要求。智能电网与传统电网的主要区别主要体现在用户互动、发电和储能、市场化和自愈性等方面，详见表1.1表 STYLEREF 1 s 1. SEQ 表 * ARABIC s 1 1 智能电网与传统电网的区别特征传统电网智能电网用户互动性电价不透明，缺少实时电价，用户选择少充分的电价信

30、息，实时定价，有许多方案个电价可供选择发电/储能集中发电占优，少量的分布式发电，储能或可再生能源大量即插即用的分布式发电，微电网，补助集中发电，高效节能/环保/电力市场有限的趸售市场，未很好集成成熟、健壮、很好集成的趸售市场电能质量关注停运，不关心电能质量电能质量有保证，有各种质量/价格方案可选择资产优化很少记及资产管理电网的智能化与资产优化管理程度集成自愈性扰动发生是保护资产（继电保护）防止断电，减少对用户的影响抵御攻击对抵御自然灾害和恐怖袭击的能力脆弱具有快速恢复能力通信能力没有或单向双向检测仪表机电式数字式网络结构辐射状网状智能电网主要由4部分组成，如图1.2所示：图 STYLEREF

31、1 s 1. SEQ 图 * ARABIC s 1 2 智能电网结构图高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）高级配电运行（Advanced Distribution Operation, ADO）高级输电运行（Advanced Transmission Operation, ATO）高级资产管理（Advanced Asset Management, AAM）AMI 主要功能是授权给用户，使系统同负荷建立起来练习，使用户能够支持电网的运行。ADO的技术组成和功能主要包括：高级配电自动化；高级保护与控制；配电快速仿真与模拟；新型电力电子装置；DER

32、 运行；AC/DC微网运行；运行管理系统（带有高级传感器）。ADO主要的功能是使系统可治愈。为了实现治愈，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。后者既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上去，是做出快速预测和响应的关键。快速仿真与模拟（fast simulation and modeling, FSM）是ADO的核心软件，其中包括风险评估、自愈控制与优化等高级软件系统，为智能电网提供数学支持和预测能力，以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。配电快速

33、仿真与模拟（DFSM）需要4个主要的治愈功能：网络重构；电压与无功控制；故障定位、隔离和恢复供电；当系统拓扑结构发生变化时继保再整定。多级AFCI在智能上的作用主要就在此，AFCI的作用就是要保护电路，防止电气火灾，而多级AFCI更是在单级AFCI的基础上进行的多AFCI协同工作，使之可以适用于智能电网高级配电运行的要求。智能电网要求电网可以有自我治愈的能力，当AFCI检测到故障时，AFCI可以不仅仅能为一个报告者，在有了网络作为其支持后，更可以能为一个决策者，起到保护电网的作用。ATO强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，ATO同AMI，ADO和AAM的密切配合，可以实现输电系统的（运行和资产

34、管理）优化。输电网是电网的骨干，它在智能电网中的重要性毋容置疑，其技术组成和功能如下：变电站自动化；输电的地理信息系统；广域量测系统；高速信息处理技术；高级保护与控制；模拟、仿真和可视化工具；高级的输电网络元件，如电力电子（灵活交流输电，固态开关等）、先进的导体和超导装置；先进的区域电网运行，如提高系统安全性，适应市场化和改善电力规划和设计的规范与标准（特别注意电网模型的改进，如集中式的发电模型以及受配电网络和有源电力用户影响的负荷模型）。AMI、ADO和ATO同AAM的集成将大大改进电网的运行效率4。实现智能电网的要求，需要在系统中装设大量可以提供系统参数和设备“健康”状况的高级传感器，而A

35、FCI就可以成为其中的一个重要组件，能在智能电网的保护、监控等方面发挥重要的作用。本文的一大目标就是要为多级AFCI融入智能电网找寻一个合适的方法。发展前景在这里我们对AFCI未来的发展做了一些展望，很多地方的思想不是很成熟，请大家谅解。AFCI应用前景在未来一段时期中，由于智能电网概念的提出，AFCI将会向着多级架构，协同工作和智能联网的方向发展，智能电网要求我们建立的一个可靠，安全，高效的电力传输网络，也要求这个网络是可以自愈的，允许不同方式接入的。这就使未来的AFCI开发面临着多种的选择，AFCI产品的种类也必然会越来越多。接入方式的改变，允许用户自我发电，还可以将自家发电输送到电网系统

36、。这就使AFCI不仅要保证下行输电的安全，更有可能需要保证上行电路。网络的自愈性要求网络自身可以排除故障，在作者理解就是将输电线路网状化，而不是单独的树形结构，当一条线路发生电弧故障时，可以使用其他电路对其保证供电，不影响人们的正常使用，AFCI将网络化，可以根据算法准确的计算出故障电弧的位置，并直接连接到电网的控制中心，再于控制中心指派人员进行相应的维修。基于这些考虑，我认为未来的AFCI系统应具有以下一些主要特征：1）多级化：首先要做到的是AFCI的多级连接，包括其硬件连接方法与算法的实现。2）网络化：在多级化的基础上，将AFCI连接成网络，使之使用共同的处理单元协同工作。3）双向化：实现

37、双向的AFCI检测，而不是现在的单向检测。4）智能化：实现与智能电网的融合，最终成为其一部分。 智能电网中多级AFCI的优势若能实现多级AFCI在智能电网中的应用，其优势显而易见，1）安全性：各AFCI分工合作可以使AFCI的安全保障性大幅度提高，以往AFCI只能依靠单个的AFCI实施检测，现在可以依靠多级的AFCI协同响应以提高其安全性2）准确性：现在可以更准确的描述故障电弧发生的位置，包括故障电弧的相对位置，如可以知道电弧发生在第几级网络的第几个AFCI上；以及通过算法得知电弧的绝对物理位置，可以帮助维修人员准确的找到故障位置。3）可拓展性：多级的AFCI具有可拓展性，也就是说，AFCI网

38、络是可以无限扩大的，当然随着网络的扩大，相应的算法与处理能力也要做相应的改变，其约束条件我们也将在下文中提及。4）智能化：大型的AFCI网络应具有智能化理念，故障电弧信息应集中到中央处理单元集中处理，这里指大型网络应是形成网状结构的电力输送网络，而不是单纯的树形结构，因为电弧发生后无法自主的排除故障，必须依靠人工排除，所以当一条输送线路被切断以后，应智能分配另一条线路保证供电稳定。5）可融合性：多级AFCI网络应可以和以后的智能电网系统进行融合，最终成为智能电网的一部分。 主要研究内容研究内容主要分为单级AFCI研究与多级AFCI研究单级AFCI研究的重点：1）对电弧的检测：电弧检测算法，检测

39、过程，简单的试验流程，对误检测的判定等。2）对单级电弧的简单建模在单级AFCI的理论上我们就可以继续对多级AFCI进行研究：1）多层次AFCI问题进行了详细分析。2）提出一个解决方案来解决电弧故障多检测的多层次之间使用常规AFCI系统的协作沟通AFCI问题。3）了解多级AFCI其规格和协议：时间响应，流程图，通讯传输协议，多级协同测定的方法等。最后在多级AFCI的基础上给出其在智能电网上的应用模型。第2章 STYLEREF 标题 1,章标题(有序号) * MERGEFORMAT 绪论. PAGE 2.单级AFCI理论模型 UL1699协议AFCI技术在家电领域的应用是由UL 1699标准来规范

40、的。UL 1699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错误电弧也有足够的能量引发花火从而引起火灾。UL1699最初是用于规范AFCI技术在家用断路器、墙式安装插座、以及便携式AFCI插座的应用。关于断路器的规范可分为两部分：针对支路分配的基本要求和针对组合器件的严格要求。今天许多最早符合UL1699标准的家用断路器已不能满足现今的标准，这是因为早先的技术已不能满足越来越严格UL1699的要求，尤其对各种不同的负载所产生的非错误电弧不能有误动作这一点有更严格的要求。ULl699的规范

41、可分成三种电弧测试方式：电弧检验测试，误动作测试，和负载起动测试5。最初ULl699起草时，重点是防止普通负载(如电机、灯、电子控制系统等)在非错误电弧发生时的误动作。如今随着AFCI技术强制在家用空调电源插头上的应用，使得AFCI技术既要能符合ULl699的安全规范，同时又要能满足空调运行条件的要求(我们称之为产品适用性)，然而目前ULl699对于产品适用性这一点并无要求，但在产品实际使用中这点却非常重要。此外，目前一些已出现的新型负载和操作条件发现并未列入UL1699标准内，如电源线连接装置、风扇速度控制器和其他一些应用。这也对AFCI技术在适用性方面提出更高的要求。UL1699要求，在A

42、C线路上，当AFCI在0.5s内察觉到8个半周的故障电弧，断路器执行脱扣，切断AC线路。脱扣时间因在0.2s内，且UL1699规定应防止正常工作电弧而断开电路的误动作。 电弧检测算法本节中需要对AFCI中故障电弧检测的方法进行讨论，以便对下文中多级的AFCI检测算法提供支持，可以肯定的是单级AFCI检测方法的差异必然会影响到多级AFCI的检测。AFCI在制造中需要定义其电弧检测的方法，基于对现有AFCI的认识，国内外对于电弧检测的方法主要有3种：1）建立故障电弧的模型，通过检测电弧响应的参数来检测出故障电弧2）根据电弧的一些声、光、电等物理现象来判断电弧3）根据电弧发生时产生的电流电压等电信号

43、判定第一种方法基于电弧数学模型,这里可以罗列出诸多模型，例如：Cassie模型和 Mayr模型6，二维MHD电弧数学模型、三维MHD 电弧数学模型、器壁侵蚀型电弧数学模型等。这些模型主要应用于检测和设计本质安全型电路研究，建立各种伏安特性曲线模型以及电流线性衰减模型7。但是由于电弧数学模型使用的限制、检测参数相对较多,目前利用电弧数学模型进行故障电弧检测进展得十分缓慢 ,仅停留在仿真阶段8。所以在本文中不予采用。第二种方法基于电弧物理现象，此种方案需要采集电弧发生时的声光电信号，表现为高温、高压、噪声和强烈的电弧光。这种也已有诸多的方案：如利用压力分区话筒、红外线接收器 及回路天线检测电弧放电

44、时的噪声 、热量及电磁辐射等,亦可使用分光照相机等光学仪器进行分析9。在国际上已有相关产品如德国Moeller公司用于低压开 关柜的故障电弧保护系统、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等。都是基于检测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据,提供快速而安全的保护但是可以发现此类产品有很大的局限性，首先传感器的灵敏度较高，造成误检测的概率较高，其次检测点必须靠近电弧发生点，然而电弧的发生位置有极大的随机性，第三，此类产品对于好弧的辨别能力不强，容易产生误判。第三种方法基于电流电压波形来进行判断，居于对电弧的电流电压的研究，可以得出以下一些交流电弧的性质：根据相关研究，交流电弧有以下一些主要特征，如图2.

45、1所示： 图 STYLEREF 1 s 2. SEQ 图 * ARABIC s 1 1 交流电弧特征电压和电流波形具有高频噪声。发生电弧时电压幅值会跌落。由于电压跌落，发生电弧时电流会比不发生电弧时要小。电流上升速率通常要比不发生电弧大。在每半个周期内电弧会在电流降为零之前熄灭，同时又会在过零点后重新点燃，这样就会出现零电流附近一段接近平坦的波形，称之为肩平部分。电压波形看起来更像矩形。电弧发生一般是随机不规则发生的，一般会在正常电流中间突然出现几个电弧波形10。利用这些性质，就可以对电弧发生时的电流与电压进行采样，采样频率是基于各种算法的要求，如傅立叶分解、小波分析、神经网络等算法，在这些算

46、法的基础上还可以进一步细分出快速傅立叶，短时傅立叶，各种小波算法等，从算法上分析，傅里叶是一种频域算法，而小波属于时域-频域算法。对于算法的原理，本文不做具体说明，我们将单个AFCI作为一个黑盒进行研究。利用电弧的电流电压检测故障电弧易于实现,且检测位置受限制较小,已成为目前的研究热点。在本文中AFCI均定义使用此种方法，使用前两种方法作为检测方法的AFCI不在本文讨论范围。 单级AFCI模型在讨论二级AFCI前，先应该对单级的AFCI做一个定性分析，这里我们提出了一个理论性的背景用来描述当电弧发生是单级的AFCI是如何工作的：正常情况下单级AFCI电路图 STYLEREF 1 s 2. SE

47、Q 图 * ARABIC s 1 2 单级AFCI电路模型图2.2（a）中显示了一个220V交流的无电弧发生时的电路，电流、电压和呈现出以下的关系： V0=i0Z0 (1)其中i0和V0是AFCI0的电压和电流。阻抗Z0是一个根据用户的负载或使用特点而变化的时变函数，但是在这里，我们认为Z0为一个简单时不变系统。2.电弧发生时单级AFCI电路图2.2（b）显示出一个发生电弧的电路。有关于电压的等式表示为： VAC220v=V0=V0 （2）从图2.2（b）中可以看出，V0，i0，Z0和电弧产生的负载Zarc的关系可以表示成以下等式： V0=i0Z0+Zarc 尽管Zarc也是一个时变的系统，但

48、是我们可以用Zarc来代替Zarct 以求简化，所以根据1式和2式，我们就可以得到 i0Z0=i0Z0+Zarc进而推导出i0的表达式为 i0=Z0Z0+Zarci0=1-ZarcZ0+Zarci0使用Karc代替Z0Z0+Zarc，我们就可以得到i0新的表达式 i0=1-Karci0 (3)图 STYLEREF 1 s 2. SEQ 图 * ARABIC s 1 3 电弧电流与正常电流比较图显然，当电弧产生的时候，在AFCI检测到电弧产生的异常电流，如图2.3所示，这种电流拥有“平肩部”的特征且带有高频噪声，AFCI可以辨别出这些异常电流11。浙江大学博士学位论文: STYLEREF 论文中

49、文标题 * MERGEFORMAT 错误! 文档中没有指定样式的文字。. PAGE 4.多级AFCI理论模型二级AFCI模型当我们定性了单级AFCI的工作过程后，就可以引入多级的概念，来解释为什么多级的AFCI不能很好的工作，在这里需要使用一个两级的AFCI系统，上级一个AFCI并联下级四个AFCI。正常情况下的两级AFCI电路图3.1给出这个在220V正常工作的两级AFCI电路，可以用以下等式描述：图 STYLEREF 1 s 3. SEQ 图 * ARABIC s 1 1 正常情况下两级AFCI电路 V0=V1=V2=V3=V4=Varc220v (4) i0=i1+i2+i3+i4 (5

50、) 1Z0=1Z1+1Z2+1Z3+1Z4 (6)在6式中Z0是一个复合阻抗，通过观察AFCI 1-4的关系可以发现它们的电压、电流和电阻关系如下： VI=i1Z1,V4=i4Z4 (7)根据1，4，7式，可以得出等式： i0Z0=i1Z1=i2Z2=i3Z3=i4Z4 (8) 两级AFCI中上级发生故障电弧图 STYLEREF 1 s 3. SEQ 图 * ARABIC s 1 2 两级AFCI上级发生电弧故障如图3.2所示，给出了当两级AFCI上级电路发生电弧，从4至6式可以分析出AFCI0的各个数据关系是不变的，而分析AFCI1-4可以得出以下等式 V1=i1Z1,V4=i4Z4 (9)

51、由于AFCI1-4的结构是相同的，所以我们就可以来分析AFCI0，因为在电弧发生时，会在上级和下级之间产生一个负载Zarc，同时发生压降，这个现象可以被阐述为：V1=V2=V3=V4=V0-i0Zarc利用2和4式， V0=V0=V1得出V1=V0-i0Zarc=V1-i0Zarc我们可以说VI=i1Z1, V1=i1Z1,根据7和9式可知i1Z1=i1Z1-i0Zarc根据3式中i0=1-Karci0，我们又可知i1Z1=i1Z1-1-Karci0将左右式除以Z1,就得到了i1的表达式i1=i1-1-KarcZ1Zarci0=i1-1-KarcZ1Z1Z0Zarci1=1-ZarcZ0+Za

52、rci1 =Z0Z0+Zarci1=1-Karci1 (10)等式10显示出当上级发生电弧时，下级的电弧检测器可以检测到电弧的发生。表3.1给出了当上级故障电弧产生时两级AFCI的故障电弧的检测可能性和应该被正确关断的AFCI。表 STYLEREF 1 s 3. SEQ 表 * ARABIC s 1 1 两级上级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCI0V01-Karci0YYAFCI1V11-Karci1YNAFCI2V21-Karci2YNAFCI3V31-Karci3YNAFCI4V41-Karci4YN 两级AFCI中下级发生故障电弧图 STYLEREF 1 s 3.

53、 SEQ 图 * ARABIC s 1 3 两级AFCI上级发生电弧故障图3.3所示，给出了当两级AFCI下级电路发生电弧，我们假定AFCI1发生了故障电弧，可以首先得到各个数据如下： V0=V1=V2=V3=V4=VAC220V (11) i0=i1+i2+i3+i4 (12)1Z0=1Z1+Zarc+1Z2+1Z3+1Z4根据以上，可以得出AFCI1的表达式V1=i1Z1+Zarc i1=1-Karci1 (13)在这里Karc被定义为：Karc=ZarcZ1+Zarc通过观察AFCI2-4，可以它们的电压、电流与负载的关系V2=i2Z2,V3=i3Z3，V4=i4Z4根据4和11式，电压

54、和电流的关系为：V2=V2，V3=V3,V4=V4 i2=i2，i3=i3,i4=i4 (14)这就意味，只要AFCI2-4的电源供应充足，在AFCI1上产生的故障电弧是不会影响到其他的下级AFCI的。现在让我们来看它会不会对AFCI0产生影响，使用12式减去5式，再通过14式去掉i2,i3,i4，可以得出i0-i0=i1-i1如果我们带入计算就可以得到i0i0=i0+1-Karci1-i1=i0-Karci1 =1-Z0Z1Karci0 (15)15式表示AFCI0可以检测到在发生AFCI1和Z1之间的故障电弧。但是如果AFCI0关断，就会使AFCI0覆盖整个区域断电，包括AFCI2，AFC

55、I3和AFCI4。在这种情况下，只要关断AFCI1电路就足够了。因此，当一故障电弧产生的时候，我们希望以最小的范围来实现关断。表3.2给出了当下级故障电弧产生时两级AFCI的故障电弧的检测可能性和应该被正确开启的AFCI。表 STYLEREF 1 s 3. SEQ 表 * ARABIC s 1 2 两级下级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCI0V01-Z0Z1Karci0YNAFCI1V11-Karci1YYAFCI2V2i2NNAFCI3V3i3NNAFCI4V4i4NN从实施的角度，当低级的AFCI检测到故障电弧时，高级的AFCI亦会检测到，低级AFCI应传送信号告知

56、高级AFCI是否应关断电路。因此，通信功能和处理能力是必要的，用来处理及传送这些信号。两级AFCI的实施方法两级AFCI架构实现一个多级的AFCI，我们建立了一个单级AFCI嵌入式微控制器和其通信功能。也就是说我们将所有的AFCI建立在同一个平台上。我们使用一个MCU（微处理单元）作为处理核心，在此基础上与各个AFCI连接。如图3.4所示，显示了一种实现两级AFCI的软件流程图。YesNo关断电路开始初始化故障电弧检测类型等待时间计算与测算报告判断关断AFCI串联并联图 STYLEREF 1 s 3. SEQ 图 * ARABIC s 1 4 两级AFCI软件流程图设计中各种假设和时间参数的定

57、义如下：1）电弧故障必须是负载电流生产的。如果负载电流不存在，AFCI不检测电弧故障。2）几个电弧故障在同一时间发生的概率相当低。近乎于零。3）当故障电弧发生在AFCI负载时，AFCI可以100检测到它。4）AFCI之间发生故障电弧时不会产生串扰。如图中流程，首先开始时，先应进行初始化，之后再开始进行电弧的检测，一旦检测到了故障电弧，首先判断故障电弧的类型，若是并行故障电弧，则可直接的切断电路，若是串联故障电弧则需要进行进一步的计算，及判断在何处发生了电弧，之后给需要关断的AFCI发送信息，指示其关断电路，需要动作的AFCI则进行初始化等待下次电弧发生。根据对表 的分析，我们可以找到以下规律：

58、1）在下级发生电弧时，只有当前AFCI和它上级AFCI可以检测到故障电弧信号2）在上级发生电弧时，当前上级AFCI和它所辖的所有AFCI都可以检测到故障电弧信号这就给两级AFCI的提供了算法的可能性，即当上级发生故障电弧时，其下级所辖的所有AFCI都会发现电弧，而在某一个下级发生故障电弧，只有它的直接上级才会发现电弧，与它并联的其他下级AFCI并不会检测出。基于这种考虑，可以给出算法的概念SwitchCase (AFCI0=y | AFCI1=y | AFCI2=y | AFCI3=y | AFCI4=y ): open AFCI0;Case (AFCI0=y | AFCI1=y | AFCI

59、2=n | AFCI3=n | AFCI4=n): open AFCI1;Case (AFCI0=y | AFCI1=n | AFCI2=y | AFCI3=n | AFCI4=n): open AFCI2;Case (AFCI0=y | AFCI1=n | AFCI2=n | AFCI3=y | AFCI4=n): open AFCI3;Case (AFCI0=y | AFCI1=n | AFCI2=n | AFCI3=n | AFCI4=y): open AFCI4;Default: initialization;当然这种算法仅适用于两级AFCI，也仅适用于树形结构的AFCI网络。算法基本

60、各个AFCI于总处理单元相连接，且每个AFCI具有单独检测故障电弧的能力，只要各个AFCI将各自是否检测到故障电弧的信息报告给总处理单元，总处理单元就可以通过算法得出在何处发生了故障，从而进行正确的关断。 两级AFCI时间分析在以上假设的基础上，我们定义以下时间参数：1）关断时间：使用UL1699，AFCI必须在一个指定的时间内检测出电路故障并关断电路。2）关断延迟时间：。在检测出电弧到断电实际所需的时间。3）信号等待时间：这些剩余的时间，代表着AFCI检测到电弧故障后信号传输和处理的时间，它可以由关断延时时间减去关断时间计算得到。它的长短取决于各AFCI之间的协助，在信号等待时间之后，AFC