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电弧故障断路器UL标准研究
电弧故障断路器UL标准研究
时间： 11:15
来源：低压电器杂志
编辑：漆琴
&&&&&&文/刘金琰 栗惠 章建兵 黄兢业
&上海电器科学研究院
&&&&&& 随着现代化程度日益提高，电气设备、通讯设备等应用越来越多，电气火灾造成的损失也越来越大。据统计，电气火灾高居各类火灾原因之首，在引起这些事故的电气原因中，电弧故障是主要的原因之一。这是因为传统的断路器只能保护漏电、过流和短路的情况，而许多严重的火灾事故却往往是由低于额定电流的故障电弧引起的。
&&&&&& 美国电气制造商协会（NEMA）于2007年发布了《电弧故障断路器提高了家居安全》白皮书。文中认为烟雾报警器、灭火器、紧急逃生梯都是从家庭火灾中快速逃生的有效工具；而电弧故障断路器(AFCI)，在火灾起始阶段就阻止其发生，是&防患于未然&的新技术。
&&&&&& 美国国家电气规程（NEC）于1999年第一次要求：家庭卧室插座供电的支路都要使用AFCI；NEC的2008年版本中，安全要求更进一步：在所有新的家庭住宅中，所有的支路都要求使用AFCI。这一规定极大地增加了家居电气系统的安全性。据美国消费者产品安全委员会（CPSC）预计，AFCI技术的广泛应用将会阻止50%以上的电气火灾发生。因此规范AFCI产品的美国标准UL 1699《电弧故障断路器》越来越受到关注，UL 年首次发布，并于2006年发布第2版，2008年进行了修订。
&UL 1699《电弧故障断路器》标准的主要内容
&&&&&&& 在某些特定条件下，持续燃弧会造成火灾的隐患，AFCI用来防止这种危害。UL 1699《电弧故障断路器》标准适用于五种型式的电弧故障断路器，包括支路/馈线式、插座式、组合式、移动式及线缆式的AFCI。AFCI的最大额定电流为20A(线缆式AFCI的最大额定电流可达30A)，适用于交流120V，频率60Hz的电路。UL 1699标准的试验部分包括湿度预处理、泄漏电流检测、浪涌试验、环境试验程序、介电耐压试验、电弧故障检测试验、误脱扣试验、操作抑制试验、耐环境噪声试验、异常操作试验等。
&&&&&&& 下述首先介绍主要的术语，然后重点介绍其核心的三大试验内容，包括电弧故障检测试验、误脱扣试验、操作抑制试验。
（1&&）电弧故障断路器 （Arc-Fault Circuit-Interrupter）：一种通过检测电弧故障并切断电路以降低电弧故障所造成危害的电器，简称AFCI。
（2） &支路/馈线式电弧故障断路器 (Branch/Feeder Arc-Fault Circuit-Interrupter)：一种安装在支路线路或馈电线路源头上（如配电板）的AFCI。用来保护支路、配电线路免受电弧故障的危害。
（3 ）&组合式电弧故障断路器 (Combination Arc-Fault Circuit-Interrupter) ：一种符合支路/馈线式以及插座式要求的AFCI。用来保护其出线端的支路线路、电线组件及供电电线。
（4 ）&线缆式电弧故障断路器 (Cord Arc-Fault Circuit-Interrupter)：一种连接到插座输出端口上的插入式AFCI，用来保护连接到电器上的供电线路免受电弧危害。该AFCI可自带线缆；该AFCI不提供附加插口。
（5） &插座式电弧故障断路器（Outlet circuit Arc-Fault Circuit-Interrupter）：安装在支路输出口，例如接线盒上的电器，对与之相连的电线组件以及供电电线的有害电弧影响提供保护，还可对连接到其下端插座的电缆组件和供电电线提供引接线保护。
& (6) &移动式电弧故障断路器 (Portable Arc-Fault Circuit-Interrupter) ：一种连接到插座输出端口上，且自带一个或多个输出口的插入式AFCI；用来保护连接到其上的电线组件及供电线路免受异常电弧的危害。
& (7&) 碳化路径（Carbonized Path）：在绝缘材料表面上形成的导电性碳化路径。
&& (8）操作抑制（Operation Inhibition）：受某些电路器件的正常工作所屏蔽的电弧故障。
（9）误脱扣 (unwanted trip)：不是针对电弧故障而是对电路器件的正常工作发生的脱扣。
电弧故障检测试验
&&&&&& 为了验证AFCI能检测电弧并提供保护，应通过下述各项电弧故障检测试验。
碳化路径电弧引燃试验
&&&&&& 碳化路径电弧引燃试验装置见图1，这个试验的目的是验证AFCI检测并断开了串联电弧故障。用10秒接通10秒分断的时间继电器来控制接触器。用一个15kV&10%的霓虹灯变压器来提供30mA的电流源，以在电线试品切口两端产生一个碳化导电路径。通过继电器常闭触头给变压器通电而开始试验。变压器的30mA副边电流流过电线试品的切口(由切割电线引起的)和负载。10秒后继电器通电，变压器断电，通过继电器的常开触头将120V交流输入电压施加到电线试品的相-中性线接线端子。再过10s，继电器断开，重复30mA的高压周期。这些高压和额定电压的10s周期重复施加（高压碳化，低压导通），直至AFCI断开。
&&&&&& 电线试品按如下准备： 电线最小长度为203mm，两端各剥掉25.4mm的绝缘层。按图1所示切断相线，而不损害另一导线上的绝缘。切口用两层电气黑色PVC带包裹，并且再用两层玻璃纤维带包在外边。带子应以切口为中心将电缆样品完全包裹好。
&&&&&& 试验装置位于AFCI和一个阻性负载之间。将导线的切割部分轻裹在医用棉中。负载电阻调到5A，进行试验，直到AFCI脱扣或医用棉着火。将负载分别调至10A，额定电流以及150%额定电流有效值进行试验。每次试验都应使用新的导线试品。碳化路径电弧引燃试验进行时，AFCI应在棉花着火之前，将电路与负载断开。
碳化路径电弧断开试验
&&&&&&& 碳化路径电弧断开试验装置如图2所示，这个试验的目的是验证AFCI检测并断开了并联电弧故障。试验应在故障电流为75A和100A下进行。仍然通过高压和额定电压的10s周期重复施加，直到AFCI断开。
&&&&& 电线试品按如下准备：电线最小长度为203mm,一端剥掉25.4mm的绝缘层。在试品的中心点割开一个横向切口，此切口要穿透所有导线的绝缘。用两层电气黑PVC带包裹，并再用两层玻璃纤维带包在外边。将已处理好的试品按图2安装在试验装置上。
&&&&& 在进行碳化路径电弧断开试验试验时，如果在0.5s内出现了8个半波的电弧，AFCI应断开电弧故障。
碳化路径电弧断开时间试验
&&&&&&& 进行碳化路径电弧断开时间试验时，AFCI应在表1规定的时间内断开电弧故障。
&&&&&& 电线试品按如下准备：电线试品截成最小长度为203mm，且应在电线试品两端25.4mm处将其分成单股线。在距离电线一端50.8 mm处对两根电线绝缘层进行切割，切割深度应能露出导线而不切断导线。绝缘切口用两层电气黑色PVC带包裹，然后再用双层玻璃纤维带包在外面。在电线上离切口最远的一端剥开大约12.7mm，以连接试验电路。电线试品应与一个能提供足够电压和电流的电源相连，使电线切口处的绝缘快速热分解，并在电线之间的绝缘上形成一条碳化导电路径。如果与路径串联的白炽灯能达到0.3A或在120V时开始发光，则认为形成了完整的碳化路径。
&&&&&& 电线试品应与AFCI 串联按图3连接进行试验。试验应在AFCI的额定电压和表1中规定的电流等级下进行。每个AFCI在每个电流等级下应采用三个电线试品进行试验。在每种试品条件下，AFCI应满足试验标准。每个电线试品只能用于一次试验。碳化路径电弧断开时间试验如图3所示.
点接触电弧试验
&&&&& 点接触电弧试验的试验装置按图4所示，这个试验验证AFCI在0.5s内出现8个半波的电弧时断开了并联电弧故障。被试电线样品应按图4所示置于刀片下面。钢制刀片厚度应为1.27mm，外形尺寸约为32mm&140mm。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实际接触，同时与第二根导线产生电弧接触。
&&&&&& 试验应在AFCI的额定电压，且75、100、150、200、300和500A的电流下分别进行。通过电线长度调整电流。AFCI应在每个电流等级下使用每个电线类型的三个样品进行试验。每个电线试品应仅用于一次试验。如果在0.5s内出现8个半波的电弧，AFCI应断开电弧故障。如果电弧少于8个半波且AFCI没有脱扣，则用新的电线试品重新进行试验。
误脱扣试验
&&&&&&& 误脱扣试验主要验证AFCI在起动电流、正常操作电弧、非正弦波等负载下的正确识别能力。防止AFCI不该脱扣时而意外脱扣。
&&&&&&& 不同额定值的AFCI在按下述举例的各个120V负载条件下进行试验时不应脱扣。如发生脱扣，应使用5个额外试品在被试额定值下进行试验且不应脱扣。
负载条件?& 起动电流
&&&&&&& 最大起动电流峰值为130A&10%的电容器起动电动机（空压机型）带载（压缩机在气缸无气压条件下操作）起动，运行1分钟后关闭。试验应重复5次。每次关闭操作后允许电动机复位。每次试验开始时，气缸无气压。
负载条件Ⅱ&正常操作电弧
&&&&& 起动一个带通用电动机的真空吸尘器，其满载额定电流为10.8-12A，运行1分钟后用此电器上的开关来关闭。试验重复5次，然后将真空吸尘器的插头插入墙上的插座，起动电动机运行1分钟后，拔出插头。试验重复5次。每次关闭操作之后，允许电动机复位。
负载条件Ⅲ&非正弦波
&&&&&& 未经预先处理的电子变速手持式工具，其额定电流为5-7A。在空载状态下其速度10秒内均匀地从最小变到最大然后再到最小，此循环持续1分钟。
操作抑制试验
&&&&&& 负载在不同的接线方式下，会屏蔽故障电弧的信号特征。操作抑制试验主要验证AFCI的抗干扰能力。对于支路/馈线式AFCI和组合式AFCI，应按照碳化路径引燃试验的要求分别进行动作信号屏蔽试验和EMI滤波器试验，对于插座式、移动式或线缆式AFCI应按照电弧发生器或碳化路径电弧断开时间试验的要求进行试验。下述仅举例简述操作信号屏蔽试验。
操作信号屏蔽试验
&&&&&& AFCI应在误脱扣试验中规定的真空吸尘器、电容器起动电动机（空压机型）等屏蔽负载下进行电弧试验。AFCI应该根据其不同的型式，按照表1的要求断开电弧故障。试验方案的电路图见图5所示。
&&&&&&& 在AFCI的标准研究中，最重要的参数之一是在AFCI断开电流之前，故障电弧持续存在的时间，即120V下故障电弧的时间/电流着火特性。美国的AFCI适用于北美120V的配电系统，但这些产品不适于直接保护220V的低压配电系统。所以如果我国开展电弧故障断路器相关基础理论及应用技术的研究，就必须进行220V（230V）下故障电弧引起着火过程中电弧故障断路器时间/电流特性的研究，以及考虑国内匹配的电线和所保护的各种各样的负载以避免电弧故障断路器的误脱扣。
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　　碳电极之间产生的。
　　由于导热性能低，故碳电极小，碳的燃烧率和挥发率高。碳电极时，试样完全挥发的时间短。但碳电极若是在空气中激发，则与作用产生分子，有氰带发射，对有干扰。
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直流能产生电弧加热吗
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利用电热效应供热的冶金炉。电炉设备通常是成套的,包括电炉炉体,电力设备（电炉变压器、整流器、变频器等），开闭器，附属辅助电器（阻流器、补偿电容等），真空设备，检测控制仪表（电工仪表、热工仪表等），自动调节系统，炉用机械设备（进出料机械、炉体倾转装置等）。大型电炉的电力设备和检测控制仪表等一般集中在电炉供电室。同燃料炉比较，电炉的优点有：炉内气氛容易控制，甚至可抽畅敞扳缎殖等帮劝爆滑成真空；物料加热快，加热温度高，温度容易控制；生产过程较易实现机械化和自动化；劳动卫生条件好；热效率高；产品质量好等。冶金工业上电炉主要用于钢铁、铁合金、有色金属等的熔炼、加热和热处理。19世纪末出现了工业规模的电炉，20世纪50年代以来，由于对高级冶金产品需求的增长和电费随电力工业的发展而下降，电炉在冶金炉设备中的比额逐年上升。电炉可分为电阻炉、 感应炉、 电弧炉、等离子炉、电子束炉等。
电阻炉 以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过2500□。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：①为使物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；②由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；③在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料（图1 间接加热电阻炉）。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（＜10千瓦）单相供电，大型炉三相供电。对于品种单一、批料量大的物料，宜采用连续式炉加热。炉温低于700□的电阻炉,多数装置鼓风机，以强化炉内传热，保证均匀加热。用于熔化易熔金属（铅、铅铋合金、铝和镁及其合金等）的电阻炉，可做成坩埚炉；或做成有熔池的反射炉，在炉顶上装设电热体。电渣炉是由溶渣实现电热转变的电阻炉（见电渣重熔）。感应炉 利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。感应炉的基本部件是用紫铜管绕制的感应圈。感应圈两端加交流电压，产生交变的电磁场，导电的物料放在感应圈中,因电磁感应在物料中产生涡流,受电阻作用而使电能转变成热能来加热物料；所以，也可认为感应电热是一种直接加热式电阻电热。感应电热的特点是在被加热物料中转变的电热功率（电流分布）很不均匀，表面最大，中心最小，称为趋肤效应。为了提高感应加热的电热效率，供电频率要合宜，小型熔炼炉或对物料的表面加热采用高频电，大型熔炼炉或对物料深透加热采用中频或工频电。感应圈是电感量相当大的负载，其功率因数一般很低。为了提高功率因数，感应圈一般并联电容器，称为补偿电容。感应圈和物料之间的间隙要小，感应圈宜用方形紫铜管制作，管内通水冷却，感应圈的匝间间隙要尽量小，绝缘要好。感应加热装置，主要用于钢、铜、铝和锌等的熔铸，加热快，烧损少，机械化和自动化程度高，适合配置在自动作业线上。工业上应用的感应熔化炉有坩埚炉(无芯感应炉)和熔沟炉(有芯感应炉),见图2感应炉炉体结构示意。坩埚用耐火材料或钢制成，容量从几公斤到几十吨。其熔炼特点是坩埚中熔体受电动力作用，迫使熔池液面凸起，熔体自液面中心流向四周而引起循环流动。这种现象称为电动效应，可使熔体成分均匀，缺点是炉渣偏向周边，覆盖性差。与熔沟炉比较，坩埚炉操作灵活，熔炼温度高，但功率因数低，电耗较高。熔沟炉的感应器由铁芯、感应圈和熔沟炉衬组成，熔沟为一条或两条带状环形沟，其中充满与熔池相联通的熔体。在原理上，可以把熔沟炉看作是次级只有一匝线圈而且短路的铁芯变压器。感应电流在熔沟熔体中流动，而实现电热转变。生产中，每炉金属熔炼完毕后,不能把熔池放空,不然容易干枯，一定要保留一部分熔体作为下一炉的起熔体。熔沟温度比熔池高，又承受熔体流动的冲刷，所以熔沟炉衬容易损坏，为便于维修，现代炉子的感应器制成便于更换的装配件。熔沟炉的容量从几百公斤到百余吨。熔沟炉供工频电，由于有用硅钢片制作的铁芯作磁通路，电效率和功率因数都很高。熔沟炉主要用于铸铁、铜、锌、黄铜等的熔化，还可作为混熔沪，用来贮存和加热熔体。电弧炉 利用电弧热效应熔炼金属和其他物料的电炉（图3电弧炉类型）。按加热方式分为三种类型:①间接加热电弧炉。电弧在两电极之间产生，不接触物料，靠热辐射加热物料。这种炉子噪声大,效率低,渐被淘汰。②直接加热电弧炉。电弧在电极与物料之间产生，直接加热物料；炼钢三相电弧炉是最常用的直接加热电弧炉（见电弧炉炼钢）。③埋弧电炉，亦称还原电炉或矿热电炉。电极一端埋入料层，在料层内形成电弧并利用料层自身的电阻发热加热物料；常用于冶炼铁合金（见铁合金电炉），熔炼冰镍、冰铜（见镍、铜），以及生产电石（碳化钙）等。真空电弧炉是在抽真空的炉体中用电弧直接加热熔炼金属的电炉。炉内气体稀薄，主要靠被熔金属的蒸气发生电弧，为使电弧稳定，一般供直流电。按照熔炼特点，分为金属重熔炉和浇铸炉。按照熔炼过程中电极是否消耗（熔化），分为自耗炉和非自耗炉，工业上应用的大多数是自耗炉。真空电弧炉用于熔炼特殊钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌（见真空冶金）。电弧电热可以认为是弧阻电热。电弧（弧阻）稳定是炉子正常生产的必要条件。交流电弧炉通常采用工频电,为使电弧稳定,炉子供电电路中要有适当的感抗，但是存在感抗会降低功率因数和电效率。降低电流频率是发展交流电弧炉的途径。弧阻阻值相当小，为获得必要的热量，炉子需要相当大的工作电流，因此炉子短网的电阻要尽量小,以免电路损耗过大。对于三相电弧炉,要使三相的阻抗接近一致，以免三相负荷不平衡。等离子炉 利用工作气体被电离时产生的等离子体来进行加热或熔炼的电炉。产生等离子体的装置，通常叫作等离子枪，有电弧等离子枪和高频感应等离子枪两类。把工作气体通入等离子枪中，枪中有产生电弧或高频(5～20兆赫)电场的装置,工作气体受作用后电离，生成由电子、正离子以及气体原子和分子混合组成的等离子体。等离子体从等离子枪喷口喷出后，形成高速高温的等离子弧焰，温度比一般电弧高得多。最常用的工作气体是氩，它是单原子气体，容易电离，而且是惰性气体，可以保护物料。工作温度可高达20000□;用于熔炼特殊钢、钛和钛合金、超导材料等。炉型有配置水冷铜结晶器炉、 中空阴极式炉、 配置感应加热的等离子炉、有耐火材料炉衬的等离子炉等（见等离子冶金）。电子束炉 用高速电子轰击物料使之加热熔化的电炉（图4电子束炉示意）。在真空炉壳内,用通低压电的灯丝加热阴极，使之发射电子，电子束受加速阳极的高压电场的作用而加速运动，轰击位于阳极的金属物料，使电能转变成热能。因为电子束可经电磁聚焦装置高度密集，所以可在物料受轰击的部位产生很高的温度。电子束炉用于熔炼特殊钢、难熔和活泼金属。 工业上用的电炉分类为两类：周期式作业炉和连续式作业炉。
周期式作业炉分为：箱式炉、密封箱式炉，井式炉，钟罩炉，台车炉，倾倒式滚筒炉。
连续式作业炉分为：窑车式炉，推杆式炉，辊底炉，振底炉，转底炉，步进式炉，牵引式炉，连续式滚筒炉，传送带式炉等。其中传送带式炉可分为：有网带式炉、冲压链板式炉、铸链板式炉等。..
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肯定能产生电弧的，有电压差就可以产生静电，不过用这个加热没见过，理论上是可以的。自然界是畅敞扳缎殖等帮劝爆滑不存在交流电的，闪电就是静电释放，应该可以烤熟一个人。
可以的，而且直流比交流更容易产生电弧。
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