論文關鍵字：AFCI　GFCI　斷路器　防火監控　ZigBee網絡　故障電弧　漏電保護

論文摘要：隨著社會的不斷發展，電氣化程度越來越高，電路保護也越來越重要。電氣中的故障電弧能量大，溫度高，危害是極大的，非常容易引起火災，甚至爆炸。但是，傳統的斷路器是只可以保護漏電(GFCI)，過流和短路，而許多嚴重的火災事故卻是由低于額定電流的故障電弧引起的，傳統的斷路器是絕對不能檢知或防止這種故障。隨著電弧故障引起的事故越來越凸顯，對電弧故障進行檢測的要求越來越迫切，針對電弧故障的研究也越來越多。

為了避免此類火災災難的發生，我們開發出了電弧故障斷路器(AFCI)控制板，在很大程度上解決了這個問題，在傳統斷路器的基礎上，它可以在瞬間檢測到電弧，并區分電弧的性質，及時做出相應的處理。本文將闡述AFCI產品在生活中的應用，以及AFCI產品可衍生出來的其他應用，希望AFCI產品可以造福人類。

AFCI產品的必要性

據統計，電路老化造成的火災在所有火災事故中占有最高的比例，在我國，電氣線路老化，線路分布不合理的情況比比皆是，春節剛過，于2009.02.05日，武漢的漢正街發生火災，整個漢正街的商鋪被大火吞噬，直接經濟損失超過3000萬元，死亡1人。經過調查，起火原因是電氣線路老化走火(故障電弧)引發的。根據CPSC(美國消費品安全委員會)1998年的統計，每年由于配電線路老化引起電弧造成的火災有超過40000起，(占電氣火災的83%)造成直接經濟損失$16.8億美圓。所以CPSC要求所有的住宅的臥室必須安裝這種AFCI斷路器和墻插座，所有的空調要安裝AFCI插座。

這僅是所有火災事故中很小的一些實例，為了避免這類災難的重演，除了我們應該適當注意用電安全外，就是利用AFCI產品的優勢，在火災隱患發生時得到最及時的處理，這就是AFCI產品存在的必要性。

AFCI產品的相關知識

l電弧的種類

線路上的電弧可分為兩種，一種是正常的操作弧，稱《好弧》，另一種是故障電弧，稱《壞弧》。

1.《好弧》是指當電機旋轉產生的弧，如電鉆，吸塵器等。另外當人們開關電器，插拔電器時產生的弧也是《好弧》。

2.《壞弧》是故障電弧，故障電弧的類型基本上可分兩類。A類和B類。A類稱串型電弧，B類稱并型電弧，圖示

A類： B類

l UL1699標準

UL1699是為了規范AFCI產品而定制的標準。AFCI產品發展于上世紀90年代，用以識別由過電流產生的電弧而造成的家庭火災。傳統的斷路器可以對過電流提供保護，然而研究發現在沒有過電流發生的情況下由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發打火從而引起火災。現在UL1699可用于規范AFCI技術在普通斷路器、墻式安裝插座、以及便攜式AFCI(Cord AFCI)的應用。

l。AFCI如何工作

根據UL1699的標準，在AC線路上，當AFCI在0.5秒內察覺到8個半周的故障電弧(壞弧)，AFCI斷路器執行脫扣，切斷AC 線路，脫扣時間小于0.2秒。

lAFCI的原理

上圖中800(M37544)是Renesas 740系列的8 bit 單片機，它的最小指令時間為0.25us, ROM size 8-32K, RAM size 256-2048, 有可編程I/O口25個，3個定時器，6個8bit A/D 轉換器，A/D的轉換速度非常快，約8us, 12個中斷源，一個WDT，寬電源范圍2.2-5.5V。因為M37544是三菱的產品，所以有很好的EMC和EMI性能，是強電控制的首選。

在開發軟件方面，它支持C語言加匯編語言的組合編寫。編譯器為IAR Systems的M3T-ICC740。仿真工具方面，仿真器為三菱的PC4701U+M38000TL2-FPD，仿真MCU的型號是M37544RSS。

AFCI主要產品簡介

1. 利用ZigBee 無線網絡的AFCI火災隱患監控系統

上圖是一個報警系統的示意圖，

因為此系統中的AFCI斷路器包含1個高性能的微處理器(MCU),所以AFCI可以將火災隱患的數據通過低成本的ZigBee無線網絡直接傳送到監控中心進行分析和處理。

每個AFCI斷路器可以將電流，電壓，漏電，電流相位，電弧信號等數據及時傳送到終端計算機。如發現了火災隱患，可以及時派人去現場檢查和消除火災隱患。

ZigBee是一個低成本、低耗能、雙向無線通信網絡系統，由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信;每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個ZigBee網絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現有的其它的各種網絡連接。

上示意圖分別是7個AFCI斷路器(帶ZigBee功能)，當某個AFCI的下游負載線路出現了故障電弧或漏電，這個火災隱患的信息將通過ZigBee網絡在第一時間發送到終端計算機。由于ZigBee網絡是一個雙向的網絡，所以終端計算機也可以隨時查詢每個AFCI斷路器的監控數據。這樣就實現了一套高效而安全的火災報警系統。

2.支路AFCI產品(Branch/Feeder AFCI)

這類產品大多安裝在支電/配電線路，如在配電箱附近安裝的斷路器，用來防止在支電線路或配電線路上發生的電弧故障。支路AFCI管理集中，且便于擴展其他功能，如上文提到的火災報警系統等等。

下圖為綿陽和瑞電子AFCI研發中心開發的AFCI產品實例：

右圖中的AFCI板有3個LED,可以顯示電弧故障，漏電故障和正常工作的三種狀態。(帶有故障記憶功能)

左圖中的AFCI斷路器有過流保護，短路保護，欠壓保護，過壓保護，電弧保護，故障記憶等功能。

3. 組合AFCI 產品(Combination AFCI)

一整套支路AFCI產品和墻插座AFCI產品就構成了組合AFCI產品。

4. 墻插座式AFCI 產品(Outlet Circuit AFCI)

這類產品被設計在插座上，用來保護用電線路上的負載和供電線路。它可檢測5A的電弧，一般情況為串型電弧，如松動的電纜產生的電弧。

5. 繩索類AFCI產品(Cord AFCI)

此類產品被連接到插座容器內，或者直接連接電器設備，相對簡單，一般只對故障電弧保護，額定電流一般是5A，用來保護特定負載。

6. 便攜AFCI產品(Portable AFCI)

一種插入式AFCI產品，如插線板，用來保護連接到擴展線路上的設備以及供電線路。

7. 航空器的AFCI開關

用于飛機的電氣系統，單相開關，額定電壓115V, 額定電流 5A,10A,15A,20A,25A 頻率 400Hz。

◇ 用于保護電路，電氣系統。防止危險電弧產生。

◇ 溫度補償，彌補周遭環境溫度造成的影響

◇ 單項三項規格

◇ 符合世界上任一軍用或商用、SAE標準

◇ 微型尺寸

◇ 高短路遮斷能力

◇ 高抗震動

◇ 雙保險

結束語

上述AFCI的應用是電氣防火領域的一部分，在汽車及船舶領域也有應用。AFCI是一個新的產業，它是防火技術的創新。

參考文獻

1.　家用電弧斷路器(AFCI)的開發 (建筑電氣期刊2006.2)

2.　防范電氣火災新技術 (Taiwan 臺電月刊 2008.9)

3.　Arc fault testing arc fault scenarios (2002 Underwriters Laboratories inc)

4.　 Microcomputer Based Feeder Protection and Monitoring System-Utility Experience", Martin Narendorf, B. Don Russell, Mike Aucoin, IEEE

Detecting Arcing Downed-Wires Using Fault Current Flicker and Half-Cycle Asymmetry", A. F. Sultan, G. W. Swift, D. J. Fedirchuk, IEEE Transactions on Power Delivery; vol. 9, No. 1; Jan. 1994; pp. 461-469.