两种电弧故障保护电器的对比分析

电弧故障保护电器是一类能够实现故障电弧检测并切断故障线路的保护电器，确保其动作的可靠性是产品生产与应用的重要课题。针对电弧故障保护电器的动作特性验证实验，浙江省机电产品质量检测所有限公司、闽江学院计算机与控制工程学院、浙江省机电设计研究院有限公司的研究人员谢振华、苏晶晶、傅炳、杜量，在2020年第12期《电气技术》上撰文，介绍了国内外相关标准，阐述了标准UL 1699—2017与国家标准GB/T 31143—2014在产品定义、适用范围、产品功能要求等内容上的差异，重点分析电弧故障检测实验内容、电弧故障模拟发生装置的技术要求，为电弧故障的实验研究和电弧故障检测设备的设计奠定基础。

电缆绝缘表皮老化、破损、接线端子接触不良、相间短路等故障都可能引发电弧，若无法及时切断故障线路将可能引发电气火灾。国内外在故障电弧检测方面展开丰富的研究工作，基于电弧电流的时域、频域、时频特性的分析，提取故障电弧的特征参数，并结合支持向量机、神经网络、模糊聚类等算法对配电网电弧故障进行检测与识别。

电弧故障保护电器（arc fault detection device, AFDD）一般是以线路电流为检测依据，通过提取电流中蕴含的电弧特征信息作为判据，检测是否发生故障电弧，一旦发生故障就立即切断故障线路的新型保护电器。为了验证电弧故障检测方法的可行性和检验电弧故障保护电器的电弧故障检测能力，需要对电弧故障保护电器进行标准化实验。

1999年美国制定了强制性标准UL 1699电弧故障断路器（arc fault circuit interpreter, AFCI），多年来经过了多次的修订和补充，其最新修订版于2017年颁布实施。在国内，故障电弧检测与保护措施的研究起步较晚，2015年4月关于电弧故障保护电器的国家标准GB/T 31143—2014才正式实施。

美国标准和国家标准都对电弧故障保护产品的技术参数、安装测试、安全实验项目、电弧故障检测实验内容、实验步骤、实验设备、实验条件等提出明确要求。

本文在全面研读电弧故障保护电器标准的基础上，对比解析标准中关于电弧故障检测试验，分析各类测试项目的异同点，为研究电弧故障保护电器和研究电弧故障检测试验设备提供理论支撑。

1  电弧故障保护产品标准

UL 1699—2017标准由美国国家标准学会（US- ANSI）发布实施，美国保商实验室UL归口，适用于AC 120V，60Hz的单极型AFCI，包括住宅的支路/馈电式AFCI、插座AFCI、便携式AFCI、线缆式AFCI，同时适用于AC 240V，60Hz的双极型AFCI。在额定电流方面，除了线缆式AFCI可能高达30A，其他类型AFCI都在20A及以下。

GB/T 31143—2014标准使用重新起草法修改国际电工委员会标准IEC 62606—2013《电弧故障保护电器的一般要求》，由中国电器工业协会提出，由全国低压电器标准化技术委员会（SAC/TCl89）归口，适用于AC 240V及以下、50Hz/60Hz、额定电流63A及以下的AFDD，包括家用或类似用途AFDD，同时对于装入插头、插座的AFDD或专用于插座或插头的AFDD，需要配合GB2099.1一起使用。必须注意的是该标准对于电池供电或保护电路以外供电的AFDD并不适用。

在产品的功能要求上，两套标准所述的产品都是用于检测故障电弧并能够在规定的条件下断开被保护的电路。但是，UL 1699—2017中所述的AFCI还包含了漏电流保护功能。同时，AFCI在执行过流保护、接地短路保护、雷击抑制及任何其他类似功能或是这些功能的组合等功能时都必须符合相应UL标准要求。

在电弧故障保护产品的动作特性上，两套标准具有不同的规定。其中，UL 1699主要以0.5s电弧电流的8个半波作为动作限值，该规定适用于除碳化路径电弧断开实验、屏蔽实验和误脱扣实验外的其他实验项目。碳化路径电弧断开实验和屏蔽实验中所要求的AFCI断开时间依据实验电流大小进行确定。

而GB/T 31143—2014 规定AFDD的极限分断时间主要以实验电流作为划分依据，额定电压（Ue）为230V时，在63A及以下的小电弧电流下以燃弧时间作为标准，而在63A及以上大电弧电流以0.5s内电弧电流半波数为标准。

2  验证电弧故障保护产品动作特性

2.1  电弧故障检测实验

在验证产品动作特性的技术要求和实验方法部分，UL 1699—2017标准，将动作特性验证实验分为电弧故障检测实验、误脱扣实验和操作抑制实验三大类实验。而GB/T 31143—2014中将这三类实验统一称为验证动作特性实验。两套标准中，动作特性验证所涉及的实验项目、实验条件及其相关的实验装置等方面的规定并非完全相同，分别见表1和表2。

表1  UL 1699—2017规定AFCI动作特性实验内容

表2  GB/T 31143—2014规定的验证AFDD动作特性实验内容

由表1和表2可见，两套标准中在验证电弧故障保护产品的动作特性上，实验项目、使用的电弧故障发生装置、每类实验的电流范围和AFDD动作特性要求具有明显区别。

1）UL 1699—2017规定的碳化电弧发生实验，在GB/T 31143—2014中并未找到相似的实验内容，且该实验要求对AFCI负载侧火线和零线出现电弧故障的两种情况分别进行实验。

2）表1中的碳化路径电弧断开实验与表2的限流并联电弧实验相似，但是二者的实验方法有所区别。碳化路径电弧断开时间实验中，AFCI负载侧开关闭合所需要的断开时间与表2中的接入带串联电弧故障负载实验相同，而AFCI故障关闭时所需的断开时间与表2闭合电弧故障实验相同；且UL 1699—2017标准只给出了上述实验对应的线路简图，并未给出明确的实验操作方法。虽然两套标准都为碳化电缆电弧，但是二者规定使用的电缆样品规格存在差异。

3）UL 1699—2017要求点接触电弧实验、极限温度实验、串扰实验三类实验需要使用电缆切割装置进行实验，且实验电流在75～500A之间。而GB 31143—2014中这部分实验可选用电缆碳化装置或电弧发生器进行实验，且实验电流低于75A。

4）在屏蔽实验上，两套标准中使用的屏蔽负载类型和电阻负载支路的电流等级各不相同。

此外，两套标准对于电弧故障保护产品的动作特性提出了不同的要求。

2.2  实验电流调节方法和实验负载

UL 1699—2017规定，实验电流在75～500A的实验，需通过增加电线的长度进行限流；而75A以下的电流，通过增加电阻负载进行限流。对于分支/馈线式和组合式AFCI，将导线或电阻插入实验装置负载侧的实验电路中。对于插座式AFCI，应将电线插入被测装置线路侧的测试电路中，并将电阻插入被测装置负载侧的测试电路中。而GB/T 31143—2014通过调节负载电阻大小进行限流。

同时，除了电阻负载外，还需要准备屏蔽实验和误脱扣实验所需要的抑制性屏蔽负载设备，且UL 1699—2017所规定的负载在单极AFCI保护线路中应允许工作在AC 120V，60Hz的电力系统中，对于双极AFCI保护线路使用的负载应允许工作在AC 240V，60Hz的电力系统。

而GB/T 31143—2014所规定的负载应允许工作在AC 230V，50Hz的电力系统。除了通用的家用设备外，两套标准中关于电磁干扰（electromagnetic interference, EMI）滤波器、铠装电缆阻抗的制备方法也不相同。

1）UL 1699规定的EMI滤波器和线路阻抗负载制备方法为：

• （1）第一类EMI实验。

  需在实验线路上安装两个0.22F的EMI滤波器。

  其中，一个滤波器安装在由两根NM-B型电缆构成的线路电阻负载的一端，该电缆规格为12 AWG且长度为15.2m。

  另一个过滤器安装在SJT型挠性电缆末端，该电缆规格为16 AWG且长度为约1.8m。

• （2）第二类EMI实验。

  EMI滤波器电路如图1所示。

  将其安装在长15.2m、12 AWG的NM-B型电缆的端部。

  该过滤器应位于长1.8m、16 AWG的SJT型柔性软线的末端。

  对于测试不带馈通的插座式AFCI或移动式AFCI，用长6.1m、16 AWG的SPT-2型软线替代15.2m长的NM-B型电缆。

• （3）第一类线路阻抗负载。

  由长30.5m、14 AWG铠装电缆和2芯钢铠装电缆组成的线路阻抗负载。

  故障电弧产生的位置在线路与接地金属铠装之间。

• （4）第二类线路阻抗负载。

  由长15.2m、14 AWG的单导体铜线和7.62m、17.7mm²接地钢管组成线路阻抗负载，且带两个弯曲的直角。

  故障电弧产生的位置在电线和钢管之间。

图1  EMI滤波器II的硬件电路图

2）GB/T 31143—2014规定的EMI滤波器和铠装电缆制备方法为：

• （1）第一类EMI实验。

  由2个0.22μF的EMI滤波器组成，分别安装在两个长15m、2.5mm2的阻性负载的一端。

  每个滤波器应位于大约长2.0m、1.5mm2的导线末端。

• （2）第二类EMI实验。

  滤波器硬件电路与图1相同，电路中部分元器件的参数存在差异，其中L1=L2=6.36mH，L3=0.036mH，L4=L5=1.47mH，C1= 0.47μF，C2=0.27μF，其余器件参数与图1所示相同。

  该滤波器应位于长2m、1.5mm2的软线末端，且安装在长15m、2.5mm2的电缆末端。

• （3）线路阻抗负载。

  由长30m、2.5mm2的铠装电缆和钢制套管内2根导线组成。

3  电弧故障模拟发生装置的技术要求

为了实现对AFCI、AFDD动作特性的验证，两套标准对电弧故障的模拟方法提出了明确的要求，都涉及三类的电弧故障模拟发生装置：①第一类是用于模拟电缆绝缘表皮因老化、破损而碳化，形成碳化路径通道时产生的故障电弧，定义为碳化路径装置；②第二类是用于模拟相间金属性短路故障时产生的故障电弧，定义为电缆切割装置；③第三类是用于模拟接触端子松动、脱落等接触不良时产生的故障电弧现象，称为电弧发生器。

3.1  碳化路径装置

碳化路径装置用于实现对电缆样品通过高电压小电流从而加速绝缘表皮老化和碳化过程。在两套标准中，碳化路径装置在电缆样品选择、制备、高压变压器的规格、连接方式和通电模式等方面存在区别。

1）实验用电缆样品规格不同

UL 1699—2017 规定，不同的实验项目需要预先准备的电缆样品规格见表3。导体和电缆样品尺寸为16AWG，长度为20.3cm。

表3  UL 1699规定的碳化路径实验电缆样品选用规则

GB/T 31143—2014则规定碳化路径实验的电缆样品选用截面积为1.5mm2（或16AWG），最小长度为20cm的平行导线电缆，如符合GB/T 5023.1—2008的附录A的双导线，用两根独立的GB/T 5023中IEC02分类的PVC软导线并用PVC绝缘胶布绑在一起，带双导线的SPT2和H05VVF的电缆等。

2）碳化电缆制备的方式不同

两套标准中所规定的电缆样品的制备有三种。

（1）第一种只对相线进行切割，用于UL 1699—2017规定的碳化路径电弧发生实验。在电缆样品两端各剥掉25.4mm的绝缘层，切断相线而不损害另一导线绝缘；先用电气PVC胶带在切口处包裹两层，再用玻璃纤维带包裹两层。然后，在胶带区域用手术棉松包裹，AFCI能否在棉花着火前断开是该被测样机是否合格的判断依据。

（2）第二种是对两根导线进行横向切割，用于UL 1699—2017规定的碳化路径电弧断开实验。将电缆样品一端的绝缘表皮剥除 25.4mm，用于连接线路；在电缆样品的中点处横向切开绝缘表皮，且切口要穿透电缆的绝缘表皮；然后在切口处先后用电气PVC胶带和玻璃纤维带各包裹两层。

（3）第三种是切除两根导线的绝缘表皮，用于UL 1699—2017规定的碳化路径电弧断开时间实验和GB/T 31143—2014规定的串联电弧故障实验和除切割电缆电弧外的并联电弧实验。先将电缆样品两端分为单股线，离端部约25.4mm（GB 31143—2014为25mm）。在距一端50.8mm（GB 31143—2014为50mm）处切除电缆样品的绝缘表皮但不切断导线，在露出导线部位先后用电气PVC胶带和玻璃纤维带各包裹两层。最后，为了将电缆样品与实验电路连接，还需将距离切口最远的一端剥开约12.7mm（GB 31143—2014为12mm）。

3）装置设计方法和通电模式不同

UL 1699—2017中碳化路径装置有两种，一种是适用于碳化路径电弧发生实验和碳化路径电弧断开实验的装置，另一种是适用于碳化路径电弧断开时间实验的装置。

前者是利用一个开路电压为15kV±10%且能够提供30mA电流的带中心抽头的高压变压器进行设计，利用定时器控制接触器的切换，实现对电缆样品循环通断高压小电流和正常的工作电压AC120V的操作步骤，通断周期为10s。

对于碳化路径电弧发生实验，是以AFCI是否在棉花点火之前断开被保护线路作为AFCI合格与否的标准，当AFCI能在棉花着火之前断开则认为AFCI样机合格；若在高低压循环通断时间超过5min，AFCI未断开且棉花未着火则认为实验结果无法确定。对于碳化路径电弧断开实验，在高低压循环通断10s过程中，在0.5s内，电弧电流半波数达到8个半波时AFCI能够断开线路则认为其合格，若AFCI断开时少于8个半波需重复实验。

后者是利用开路电压为7kV，短路电流为30mA的高压变压器和一台开路电压为2kV，短路电流为300mA的高压变压器分别组成两个高压通电回路，实现对电缆样品进行碳化处理，使其绝缘表皮切口处形成碳化路径通道；同时，利用100W灯泡通电回路对电缆样品的碳化路径通道形成效果进行检测，以确定碳化路径通道制作成功与否。

GB/T 31143—2014规定的相关碳化电弧实验只需要第二种装置。

3.2  电缆切割装置

两套标准规定的电缆切割装置结构相同，如图2所示。装置由外形尺寸约为32mm×140mm的钢刀、不导电的杠杆臂和底座、电缆样品构成。当电缆样品通电时，钢刀与第一根电缆样品接触后继续向下切割将与第二根电缆样品产生电弧接触。该装置的实验电流均在75A以上。

图2  电缆切割装置

两套标准中关于电缆切割装置的规定，不同之处在于钢刀的尺寸、电缆样品的规格和装置的适用场合。UL 1699—2017规定钢刀厚度为1.27mm，电缆样品为两条16AWG的SPT-2型电线和非金属性保护套电缆（NM-B型），最大长度为1.22m；该装置用于进行点接触电弧实验、串扰实验和带线路阻抗的屏蔽实验，当电弧电流达到8个半波时，AFCI断开则认为其合格。

GB/T 31143—2014规定的钢刀厚度为3mm，电缆样品可选用SPT-2和H05VVF的电缆，电缆的截面积按照表4规定，最大长度为1.2m；该装置只用于进行切割电缆并联电弧实验，当AFDD断开电弧故障时，满足表2规定限值，则认为其合格。

表4  对应于额定电流的实验铜导体

3.3  电弧发生器

电弧发生器结构，如图3所示，由两个电极组成，一个电极由碳石墨材料制成，另一个电极由铜材料制成，其中一个电极固定安装，另一个电极可由手动或电机牵引移动。当两个电极接入电路时，二者分开至一定距离将在电极之间产生电弧。

图3  电弧发生器

两套标准关于电弧发生器的规定，不同之处在于电极的直径尺寸和适用的实验类型不同。其中，UL 1699—2017规定的电极直径为6.4mm，只用于除线路阻抗外的屏蔽实验，同时AFCI的动作时间满足规定的时间时，则认为其合格。而GB/T 31143—2014规定的电极直径为6mm±0.5mm，且该装置可用于串联电弧故障实验、屏蔽实验和误脱扣实验，同时AFDD的动作时间规定的限值的2.5倍范围内时认为合格。

4  结论

UL 1699标准是较为完善的电弧故障保护产品标准，将其与国家标准GB/T 31143—2014进行系统性的对比分析。由分析可知，二者在电弧故障发生装置的设计及其适用范围、实验线路、实验方法、实验内容等方面具有较大区别，在对产品性能进行验证时，要针对不同的标准内容对实验设备进行独立设计。