電纜絕緣表皮老化、破損、接線端子接觸不良、相間短路等故障都可能引發(fā)電弧,若無(wú)法及時(shí)切斷故障線路將可能引發(fā)電氣火災(zāi)。國(guó)內(nèi)外在故障電弧檢測(cè)方面展開(kāi)豐富的研究工作,基于電弧電流的時(shí)域、頻域、時(shí)頻特性的分析,提取故障電弧的特征參數(shù),并結(jié)合支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類等算法對(duì)配電網(wǎng)電弧故障進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。
電弧故障保護(hù)電器(arc fault detection device, AFDD)一般是以線路電流為檢測(cè)依據(jù),通過(guò)提取電流中蘊(yùn)含的電弧特征信息作為判據(jù),檢測(cè)是否發(fā)生故障電弧,一旦發(fā)生故障就立即切斷故障線路的新型保護(hù)電器。為了驗(yàn)證電弧故障檢測(cè)方法的可行性和檢驗(yàn)電弧故障保護(hù)電器的電弧故障檢測(cè)能力,需要對(duì)電弧故障保護(hù)電器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)。
1999年美國(guó)制定了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)UL 1699電弧故障斷路器(arc fault circuit interpreter, AFCI),多年來(lái)經(jīng)過(guò)了多次的修訂和補(bǔ)充,其最新修訂版于2017年頒布實(shí)施。在國(guó)內(nèi),故障電弧檢測(cè)與保護(hù)措施的研究起步較晚,2015年4月關(guān)于電弧故障保護(hù)電器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31143—2014才正式實(shí)施。
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)電弧故障保護(hù)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)、安裝測(cè)試、安全實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、電弧故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等提出明確要求。
本文在全面研讀電弧故障保護(hù)電器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,對(duì)比解析標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電弧故障檢測(cè)試驗(yàn),分析各類測(cè)試項(xiàng)目的異同點(diǎn),為研究電弧故障保護(hù)電器和研究電弧故障檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備提供理論支撐。
UL 1699—2017標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(US- ANSI)發(fā)布實(shí)施,美國(guó)保商實(shí)驗(yàn)室UL歸口,適用于AC 120V,60Hz的單極型AFCI,包括住宅的支路/饋電式AFCI、插座AFCI、便攜式AFCI、線纜式AFCI,同時(shí)適用于AC 240V,60Hz的雙極型AFCI。在額定電流方面,除了線纜式AFCI可能高達(dá)30A,其他類型AFCI都在20A及以下。
GB/T 31143—2014標(biāo)準(zhǔn)使用重新起草法修改國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62606—2013《電弧故障保護(hù)電器的一般要求》,由中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)提出,由全國(guó)低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TCl89)歸口,適用于AC 240V及以下、50Hz/60Hz、額定電流63A及以下的AFDD,包括家用或類似用途AFDD,同時(shí)對(duì)于裝入插頭、插座的AFDD或?qū)S糜诓遄虿孱^的AFDD,需要配合GB2099.1一起使用。必須注意的是該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電池供電或保護(hù)電路以外供電的AFDD并不適用。
在產(chǎn)品的功能要求上,兩套標(biāo)準(zhǔn)所述的產(chǎn)品都是用于檢測(cè)故障電弧并能夠在規(guī)定的條件下斷開(kāi)被保護(hù)的電路。但是,UL 1699—2017中所述的AFCI還包含了漏電流保護(hù)功能。同時(shí),AFCI在執(zhí)行過(guò)流保護(hù)、接地短路保護(hù)、雷擊抑制及任何其他類似功能或是這些功能的組合等功能時(shí)都必須符合相應(yīng)UL標(biāo)準(zhǔn)要求。
在電弧故障保護(hù)產(chǎn)品的動(dòng)作特性上,兩套標(biāo)準(zhǔn)具有不同的規(guī)定。其中,UL 1699主要以0.5s電弧電流的8個(gè)半波作為動(dòng)作限值,該規(guī)定適用于除碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)、屏蔽實(shí)驗(yàn)和誤脫扣實(shí)驗(yàn)外的其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)和屏蔽實(shí)驗(yàn)中所要求的AFCI斷開(kāi)時(shí)間依據(jù)實(shí)驗(yàn)電流大小進(jìn)行確定。
而GB/T 31143—2014 規(guī)定AFDD的極限分?jǐn)鄷r(shí)間主要以實(shí)驗(yàn)電流作為劃分依據(jù),額定電壓(Ue)為230V時(shí),在63A及以下的小電弧電流下以燃弧時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn),而在63A及以上大電弧電流以0.5s內(nèi)電弧電流半波數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 電弧故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
在驗(yàn)證產(chǎn)品動(dòng)作特性的技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)方法部分,UL 1699—2017標(biāo)準(zhǔn),將動(dòng)作特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分為電弧故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、誤脫扣實(shí)驗(yàn)和操作抑制實(shí)驗(yàn)三大類實(shí)驗(yàn)。而GB/T 31143—2014中將這三類實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一稱為驗(yàn)證動(dòng)作特性實(shí)驗(yàn)。兩套標(biāo)準(zhǔn)中,動(dòng)作特性驗(yàn)證所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)條件及其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置等方面的規(guī)定并非完全相同,分別見(jiàn)表1和表2。
表1
表2
由表1和表2可見(jiàn),兩套標(biāo)準(zhǔn)中在驗(yàn)證電弧故障保護(hù)產(chǎn)品的動(dòng)作特性上,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、使用的電弧故障發(fā)生裝置、每類實(shí)驗(yàn)的電流范圍和AFDD動(dòng)作特性要求具有明顯區(qū)別。
1)UL 1699—2017規(guī)定的碳化電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn),在GB/T 31143—2014中并未找到相似的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,且該實(shí)驗(yàn)要求對(duì)AFCI負(fù)載側(cè)火線和零線出現(xiàn)電弧故障的兩種情況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2)表1中的碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)與表2的限流并聯(lián)電弧實(shí)驗(yàn)相似,但是二者的實(shí)驗(yàn)方法有所區(qū)別。碳化路徑電弧斷開(kāi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)中,AFCI負(fù)載側(cè)開(kāi)關(guān)閉合所需要的斷開(kāi)時(shí)間與表2中的接入帶串聯(lián)電弧故障負(fù)載實(shí)驗(yàn)相同,而AFCI故障關(guān)閉時(shí)所需的斷開(kāi)時(shí)間與表2閉合電弧故障實(shí)驗(yàn)相同;且UL 1699—2017標(biāo)準(zhǔn)只給出了上述實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的線路簡(jiǎn)圖,并未給出明確的實(shí)驗(yàn)操作方法。雖然兩套標(biāo)準(zhǔn)都為碳化電纜電弧,但是二者規(guī)定使用的電纜樣品規(guī)格存在差異。
3)UL 1699—2017要求點(diǎn)接觸電弧實(shí)驗(yàn)、極限溫度實(shí)驗(yàn)、串?dāng)_實(shí)驗(yàn)三類實(shí)驗(yàn)需要使用電纜切割裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),且實(shí)驗(yàn)電流在75~500A之間。而GB 31143—2014中這部分實(shí)驗(yàn)可選用電纜碳化裝置或電弧發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),且實(shí)驗(yàn)電流低于75A。
4)在屏蔽實(shí)驗(yàn)上,兩套標(biāo)準(zhǔn)中使用的屏蔽負(fù)載類型和電阻負(fù)載支路的電流等級(jí)各不相同。
此外,兩套標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電弧故障保護(hù)產(chǎn)品的動(dòng)作特性提出了不同的要求。
2.2 實(shí)驗(yàn)電流調(diào)節(jié)方法和實(shí)驗(yàn)負(fù)載
UL 1699—2017規(guī)定,實(shí)驗(yàn)電流在75~500A的實(shí)驗(yàn),需通過(guò)增加電線的長(zhǎng)度進(jìn)行限流;而75A以下的電流,通過(guò)增加電阻負(fù)載進(jìn)行限流。對(duì)于分支/饋線式和組合式AFCI,將導(dǎo)線或電阻插入實(shí)驗(yàn)裝置負(fù)載側(cè)的實(shí)驗(yàn)電路中。對(duì)于插座式AFCI,應(yīng)將電線插入被測(cè)裝置線路側(cè)的測(cè)試電路中,并將電阻插入被測(cè)裝置負(fù)載側(cè)的測(cè)試電路中。而GB/T 31143—2014通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻大小進(jìn)行限流。
同時(shí),除了電阻負(fù)載外,還需要準(zhǔn)備屏蔽實(shí)驗(yàn)和誤脫扣實(shí)驗(yàn)所需要的抑制性屏蔽負(fù)載設(shè)備,且UL 1699—2017所規(guī)定的負(fù)載在單極AFCI保護(hù)線路中應(yīng)允許工作在AC 120V,60Hz的電力系統(tǒng)中,對(duì)于雙極AFCI保護(hù)線路使用的負(fù)載應(yīng)允許工作在AC 240V,60Hz的電力系統(tǒng)。
而GB/T 31143—2014所規(guī)定的負(fù)載應(yīng)允許工作在AC 230V,50Hz的電力系統(tǒng)。除了通用的家用設(shè)備外,兩套標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)濾波器、鎧裝電纜阻抗的制備方法也不相同。
1)UL 1699規(guī)定的EMI濾波器和線路阻抗負(fù)載制備方法為:
圖1 EMI濾波器II的硬件電路圖
2)GB/T 31143—2014規(guī)定的EMI濾波器和鎧裝電纜制備方法為:
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)AFCI、AFDD動(dòng)作特性的驗(yàn)證,兩套標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電弧故障的模擬方法提出了明確的要求,都涉及三類的電弧故障模擬發(fā)生裝置:①第一類是用于模擬電纜絕緣表皮因老化、破損而碳化,形成碳化路徑通道時(shí)產(chǎn)生的故障電弧,定義為碳化路徑裝置;②第二類是用于模擬相間金屬性短路故障時(shí)產(chǎn)生的故障電弧,定義為電纜切割裝置;③第三類是用于模擬接觸端子松動(dòng)、脫落等接觸不良時(shí)產(chǎn)生的故障電弧現(xiàn)象,稱為電弧發(fā)生器。
3.1 碳化路徑裝置
碳化路徑裝置用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜樣品通過(guò)高電壓小電流從而加速絕緣表皮老化和碳化過(guò)程。在兩套標(biāo)準(zhǔn)中,碳化路徑裝置在電纜樣品選擇、制備、高壓變壓器的規(guī)格、連接方式和通電模式等方面存在區(qū)別。
1)實(shí)驗(yàn)用電纜樣品規(guī)格不同
UL 1699—2017 規(guī)定,不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要預(yù)先準(zhǔn)備的電纜樣品規(guī)格見(jiàn)表3。導(dǎo)體和電纜樣品尺寸為16AWG,長(zhǎng)度為20.3cm。
表3
GB/T 31143—2014則規(guī)定碳化路徑實(shí)驗(yàn)的電纜樣品選用截面積為1.5mm2(或16AWG),最小長(zhǎng)度為20cm的平行導(dǎo)線電纜,如符合GB/T 5023.1—2008的附錄A的雙導(dǎo)線,用兩根獨(dú)立的GB/T 5023中IEC02分類的PVC軟導(dǎo)線并用PVC絕緣膠布綁在一起,帶雙導(dǎo)線的SPT2和H05VVF的電纜等。
2)碳化電纜制備的方式不同
兩套標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的電纜樣品的制備有三種。
(1)第一種只對(duì)相線進(jìn)行切割,用于UL 1699—2017規(guī)定的碳化路徑電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn)。在電纜樣品兩端各剝掉25.4mm的絕緣層,切斷相線而不損害另一導(dǎo)線絕緣;先用電氣PVC膠帶在切口處包裹兩層,再用玻璃纖維帶包裹兩層。然后,在膠帶區(qū)域用手術(shù)棉松包裹,AFCI能否在棉花著火前斷開(kāi)是該被測(cè)樣機(jī)是否合格的判斷依據(jù)。
(2)第二種是對(duì)兩根導(dǎo)線進(jìn)行橫向切割,用于UL 1699—2017規(guī)定的碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)。將電纜樣品一端的絕緣表皮剝除 25.4mm,用于連接線路;在電纜樣品的中點(diǎn)處橫向切開(kāi)絕緣表皮,且切口要穿透電纜的絕緣表皮;然后在切口處先后用電氣PVC膠帶和玻璃纖維帶各包裹兩層。
(3)第三種是切除兩根導(dǎo)線的絕緣表皮,用于UL 1699—2017規(guī)定的碳化路徑電弧斷開(kāi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)和GB/T 31143—2014規(guī)定的串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)和除切割電纜電弧外的并聯(lián)電弧實(shí)驗(yàn)。先將電纜樣品兩端分為單股線,離端部約25.4mm(GB 31143—2014為25mm)。
在距一端50.8mm(GB 31143—2014為50mm)處切除電纜樣品的絕緣表皮但不切斷導(dǎo)線,在露出導(dǎo)線部位先后用電氣PVC膠帶和玻璃纖維帶各包裹兩層。最后,為了將電纜樣品與實(shí)驗(yàn)電路連接,還需將距離切口最遠(yuǎn)的一端剝開(kāi)約12.7mm(GB 31143—2014為12mm)。
3)裝置設(shè)計(jì)方法和通電模式不同
UL 1699—2017中碳化路徑裝置有兩種,一種是適用于碳化路徑電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn)和碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)的裝置,另一種是適用于碳化路徑電弧斷開(kāi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)的裝置。
前者是利用一個(gè)開(kāi)路電壓為15kV±10%且能夠提供30mA電流的帶中心抽頭的高壓變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì),利用定時(shí)器控制接觸器的切換,實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜樣品循環(huán)通斷高壓小電流和正常的工作電壓AC120V的操作步驟,通斷周期為10s。
對(duì)于碳化路徑電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn),是以AFCI是否在棉花點(diǎn)火之前斷開(kāi)被保護(hù)線路作為AFCI合格與否的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)AFCI能在棉花著火之前斷開(kāi)則認(rèn)為AFCI樣機(jī)合格;若在高低壓循環(huán)通斷時(shí)間超過(guò)5min,AFCI未斷開(kāi)且棉花未著火則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法確定。
對(duì)于碳化路徑電弧斷開(kāi)實(shí)驗(yàn),在高低壓循環(huán)通斷10s過(guò)程中,在0.5s內(nèi),電弧電流半波數(shù)達(dá)到8個(gè)半波時(shí)AFCI能夠斷開(kāi)線路則認(rèn)為其合格,若AFCI斷開(kāi)時(shí)少于8個(gè)半波需重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
后者是利用開(kāi)路電壓為7kV,短路電流為30mA的高壓變壓器和一臺(tái)開(kāi)路電壓為2kV,短路電流為300mA的高壓變壓器分別組成兩個(gè)高壓通電回路,實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜樣品進(jìn)行碳化處理,使其絕緣表皮切口處形成碳化路徑通道;同時(shí),利用100W燈泡通電回路對(duì)電纜樣品的碳化路徑通道形成效果進(jìn)行檢測(cè),以確定碳化路徑通道制作成功與否。
GB/T 31143—2014規(guī)定的相關(guān)碳化電弧實(shí)驗(yàn)只需要第二種裝置。
3.2 電纜切割裝置
兩套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜切割裝置結(jié)構(gòu)相同,如圖2所示。裝置由外形尺寸約為32mm×140mm的鋼刀、不導(dǎo)電的杠桿臂和底座、電纜樣品構(gòu)成。當(dāng)電纜樣品通電時(shí),鋼刀與第一根電纜樣品接觸后繼續(xù)向下切割將與第二根電纜樣品產(chǎn)生電弧接觸。該裝置的實(shí)驗(yàn)電流均在75A以上。
圖2 電纜切割裝置
兩套標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電纜切割裝置的規(guī)定,不同之處在于鋼刀的尺寸、電纜樣品的規(guī)格和裝置的適用場(chǎng)合。UL 1699—2017規(guī)定鋼刀厚度為1.27mm,電纜樣品為兩條16AWG的SPT-2型電線和非金屬性保護(hù)套電纜(NM-B型),最大長(zhǎng)度為1.22m;該裝置用于進(jìn)行點(diǎn)接觸電弧實(shí)驗(yàn)、串?dāng)_實(shí)驗(yàn)和帶線路阻抗的屏蔽實(shí)驗(yàn),當(dāng)電弧電流達(dá)到8個(gè)半波時(shí),AFCI斷開(kāi)則認(rèn)為其合格。
GB/T 31143—2014規(guī)定的鋼刀厚度為3mm,電纜樣品可選用SPT-2和H05VVF的電纜,電纜的截面積按照表4規(guī)定,最大長(zhǎng)度為1.2m;該裝置只用于進(jìn)行切割電纜并聯(lián)電弧實(shí)驗(yàn),當(dāng)AFDD斷開(kāi)電弧故障時(shí),滿足表2規(guī)定限值,則認(rèn)為其合格。
表4
3.3 電弧發(fā)生器
電弧發(fā)生器結(jié)構(gòu),如圖3所示,由兩個(gè)電極組成,一個(gè)電極由碳石墨材料制成,另一個(gè)電極由銅材料制成,其中一個(gè)電極固定安裝,另一個(gè)電極可由手動(dòng)或電機(jī)牽引移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)電極接入電路時(shí),二者分開(kāi)至一定距離將在電極之間產(chǎn)生電弧。
圖3 電弧發(fā)生器
兩套標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電弧發(fā)生器的規(guī)定,不同之處在于電極的直徑尺寸和適用的實(shí)驗(yàn)類型不同。其中,UL 1699—2017規(guī)定的電極直徑為6.4mm,只用于除線路阻抗外的屏蔽實(shí)驗(yàn),同時(shí)AFCI的動(dòng)作時(shí)間滿足規(guī)定的時(shí)間時(shí),則認(rèn)為其合格。而GB/T 31143—2014規(guī)定的電極直徑為6mm±0.5mm,且該裝置可用于串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)、屏蔽實(shí)驗(yàn)和誤脫扣實(shí)驗(yàn),同時(shí)AFDD的動(dòng)作時(shí)間規(guī)定的限值的2.5倍范圍內(nèi)時(shí)認(rèn)為合格。
UL 1699標(biāo)準(zhǔn)是較為完善的電弧故障保護(hù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),將其與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31143—2014進(jìn)行系統(tǒng)性的對(duì)比分析。由分析可知,二者在電弧故障發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)及其適用范圍、實(shí)驗(yàn)線路、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面具有較大區(qū)別,在對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),要針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。