挑战杯一等奖作品

项目基本信息

项目名称

AFCI电弧故障断路器

项目作者

吴晶莹

项目大类

科技发明制作B类

项目小类

机械与控制

项目简介

AFCI（ARC FAULT CIRCUIT INTERRUPTER）技术是一项最新的电路保护技术，其主要作用是为了在发生故障电弧时及时切断电路，避免负荷损坏，并降低火灾的可能性。本课题小组将故障电弧检测和保护的功能集成到电路保护装置中，同时运用了独创性的故障判断方式，采用复合信号判断，在控制芯片中内置大量检测逻辑，提高故障电弧的识别率。采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技术，保证高效完成信号采集、处理和动作控制。

项目介绍

AFCI（ARC FAULT CIRCUIT INTERRUPTER）技术是一项最新的电路保护技术，其主要作用是为了防止一些由错误电弧而引起的火灾。这些危险的电弧可能发生在家庭用的布线上、插头和插座连接

时、以及家用电器内部的线束上或电器的电源线上等。引发错误电弧主要原因是电线绝缘层的磨损或不良的电气连接。美国消费品安全协会（CPSC）和美国国家消防协会的众多资料显示，由电弧导致的危险事件包括了火灾以及由此引起的死亡。AFCI技术可以感应到由错误电弧引起的电流中不正常的现象。由于许多正常工作中的瞬时现象或在实际运行过程中都会产生一些“好的”电弧( 如：触头连续性的断开和闭合，或马达起动瞬间)，因此，AFCI技术必需能够区别“好的”电弧和“坏的”电弧, 这样才不会导致失误或误动作。有时许多负载运行时的电流信号也很容易被误认为是错误电弧，事实上它们是正常的电流波行（如调光器开关）。因此，除了能分辨出“好的”电弧和“坏的”电弧外，AFCI 技术还需要能够在正常和非正常情况下迅速、有效地提供保护，同时防止误动作的发生。而我们率先将故障电弧检测和保护的功能集成到电路保护装置中，同时运用了独创性的故障判断方式，采用复合信号判断，在控制芯片中内置大量检测逻辑，提高故障电弧的识别率。采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技术，保证高效完成信号采集、处理和动作控制。在目前国内还未有深入研究的情况下，克服了技术上的难点，目前主要针对空调负载，完成了工程样机的制作，随着国内对低压电气安全和电弧故障保护的重视程度逐渐提高，和新消防法的颁布，其中特别强调：国家鼓励、支持消防科学研究和技术创新，推广使用先进的消防和应急救援技术、设备；鼓励、支持社会力量开展消防公益活动。对在消防工作中有突出贡献的单位和个人，应当按照国家有关规定给予表彰和奖励。而其无疑对我们项目的开展起着强大的推动作用。AFCI技术的市场潜力巨大。

作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

故障电弧保护是一项最新的电路保护技术，其主要作用是为了在发生故障电弧时及时切断电路，避免负荷损坏，并降低火灾的可能性。基本研究思路：1.开发合适的电流电压信号检测装置；2.研究基于单片机或DSP分析电弧信号的最优算法，在满足时效性的同时有效辨别故障电弧的特征； 3.将信号检测，分析，控制，输出等线路集成为合适工业应用的封装，和现有的断路器装置进行结合，满足节约成本，增强通用性等要求。创新点：1.采用CK510系列微控制芯片。该芯片与常用的8位单片微机相比，精度高、速度快（CK510为32位微机，正常工作频率400MHz）。通过该芯片进行嵌入式控制，可以高效完成信号采集、处理和动作控制。2.采用电流幅值、电流变化率（波形陡峭、

di/dt）、平肩部、正负波形对称程度多个指标进行故障电弧判别，在控制芯片中内置复合检测逻辑，减小装置误动率。3.对于负载为阻性的交流电弧，故障电弧电流的谐波含量明显增多。为此可采用基于高频分量的故障电弧检测方法其技术关键在于：1.收集实验数据，研究故障电弧的概率特征；2.

寻找具有时效性和有效性的辨别故障电弧最优算法；3.采用具有自主知识产权的32位高性能芯片；

主要技术指标：名称参数工作电压AC220V 电压频率50Hz或60Hz 切断电流能力15A 动作时间<35ms

作品的科学性、先进性

该产品具有以下特点和进步：⒈将故障电弧检测和保护的功能集成到电路保护装置中。本项目创新性是将故障电弧保护与传统过电流和漏电流集成在一个装置中，可以全面保障公共电网和人民生活环境，提高整个电力系统的安全性和稳定性。⒉采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技术，保证高效完成信号采集、处理和动作控制。在该项目中我们采用浙江大学超大规模集成电路研究中心和杭州中天微系统有限公司开发的高性能嵌入式控制芯片CK510系列(专利号：ZL03116521.4)，该MCU是具有自主产权的32位微控制器、具备高性能、低成本、成熟的应用环境等优点。与现在常用的8位51系列单片微机相比，精度高、速度快（CK510正常工作频率400MHz），而且CK510正在推广使用，具有价格优势。3.采用复合信号判断，在控制芯片中内置大量检测逻辑，提高故障电弧的识别率。 4.对于直流电弧，或者负载为阻性的交流电弧，故障电弧电流的谐波含量明显增多。为此可采用基于高频分量的故障电弧检测方法。

作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

浙江大学第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品大赛一等奖浙江省第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品大赛一等奖

作品所处阶段

中试阶段

技术转让方式

无

作品可展示的形式

样品

使用说明及技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

技术特点和优势：⑴准确的电弧检测。此项功能要求断路器能够根据对负载电流的A/D 采样,在短时间内检测出电弧的产生。⑵快速的电弧特性分析。此项功能要求断路器运用高效而准确的算法,分析电弧的特性,从而得出电弧的产生属于正常或异常的判断。⑶可靠的脱扣动作。当系统识别发生故障电弧时，需迅速有效的启动脱扣继电器。推广前景及市场分析：随着国内对低压电气安全和电弧故障保护的重视程度逐渐提高，2009年5月1日新修订的《消防法》将以国家主席第六号令，正式施行。

其中特别强调：国家鼓励、支持消防科学研究和技术创新，推广使用先进的消防和应急救援技术、设备。无疑对我们项目的开展起着强大的推动作用。可见AFCI技术的市场潜力巨大。该产品推广成功后，可广泛用于家庭、企事业单位、宾馆、商务楼、娱乐场所等，在出现故障电弧或不良电弧反映时，自动断开电路，防止因线路电弧火花而造成的火灾，将来随着技术的成熟还可推广到汽车、飞机等领域，带来巨大的社会和经济效益。

专利申报情况

提出专利申报申报号200920113413.5 申报日期2009 年 1 月23 日

当前国内外同类课题研究水平概述

利用电弧放电时的光、热、声音和电磁辐射等特性，国内外学者提出了一些方法来检测电弧。近年来，利用电弧的光效应，国外开发出了弧光检测与保护系统。如德国Moeller公司用于低压开关柜的故障电弧保护系统、ARCON ABB的ARC Guard System故障电弧保护系统、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等。这些系统都是基于检测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据，提供快速而安全的母线保护，这为限制电弧故障损坏提供了一种有效的解决方案。随着汽车系统中的系统电压从14 V增加到42 V，汽车电弧的检测也越来越重要。Delphi研究室基于电弧故障时电流会有突增或者突降的特性，设计了FDC模块提出了一种电弧检测装置。美国对电弧检测的理论研究最早开始于上世纪九十年代，对于电弧的危害认识较早。为了较少家用电气设备故障电弧引发的不安全因素，美国电气条例（NEC）关于故障电弧保护有以下的强制性规定：2002美国电气条例（NEC）要求所有在卧室内安装的支路，都要安装法令列出的故障电弧断路器，以保护整条支路。2002美国电气条例还要求单相，电

源线加插头连接的室内空气调节器需要有工厂安装的LCDI和AFCI保护装置。自2004年8月1日以后，在美国市场销售的家用空调要求必须带具有AFCI功能的电源插头。在商业应用方面，美国德州仪器公司开发了降低电弧故障风险的AFCI产品技术Arc Shield。该技术基于DSP和软件算法，具有一个独立的电弧故障电路模块，能够监测和报告电弧故障，排除误动作。如带有Arc ShieldTM 技术的空调电源插头，应用于飞机上的将电弧防护技术和传统的热过负荷保护相结合的产品KLIXON 能减轻故障电弧危险，增加安全性，不仅能发现高电位电弧状态，并且非常敏感，能发现低电位电弧，而不会误跳闸。在国内，一些已有的文献一般属于介绍性文章，还没有得到实际应用的自主研究技术。

国内的一些厂家如宁波习羽电子发展有限公司和莱尼电气线缆（常州）有限公司虽然可以生产AFCI 成品，但主要是面向北美出口的空调插头，技术要求符合UL1699标准。其产品主要针对110V/60Hz 的电气环境予以研究，与我们的研究仍有很大不同。

项目图片

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