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竺红卫:故障电弧探测(AFD/AFDD)技术产业化解决方案

发布者 : 泰西电气发布日期 : 2018-06-14浏览 : 395

慧聪消防网 2017年9月4日,CFIC2017“中国消防安全产业大会”在北京隆重召开,浙江大学微电子学院副教授竺红卫受邀出席本次会议并发表主题演讲《故障电弧检测技术及其产业化》,以下是演讲实录:

浙江大学微电子学院副教授竺红卫发表主题演讲

各位领导、各位来宾,大家上午好!非常感谢大会邀请我到这里来作一个关于故障电弧探测AFD/AFDD的技术报告。我来自浙江大学微电子学院超大规模集成电路设计研究所。

先介绍一下故障电弧,电弧现象其实很常见,俗称打火,是一种电场击穿空气产生的放电现象,放电的时候会产生高温高热。我们生活当中有很多电弧现象,如闪电、电焊。故障电弧是什么?就是我们用电线路中发生了电弧、打火。根本原因是因为我们用电线路绝缘材料都是利用PVC等塑料材料,这种材料时间长了就会出现所谓的线路老化,有些接触不良、局部发热之后它会加速降解、炭化。还有受外力的影响的破损,这些原因导致绝缘失效进而产生故障电弧。这是一个系统性的问题,除非我们绝缘材料不用这种PVC材料,不然的话它的隐患是始终存在的。

上面就是两幅常见的电气火灾照片,左边是线路的火灾,右边是家用电器火灾。根据我国2015年的消防年鉴,在一年总共30多万起的火灾当中基本上电器火灾占了三分之一。而且这个比例在发达地区更高,像广东省、浙江省这个电器火灾都超过了50%。把电气火灾再单独抽取出来,看右边图可以看到线路的火灾占60%多,家用电器的火灾占了20%,两者相加超过80%,这些都是有故障电弧导致的。所以这里有一个有悖于常识的现象,我们经常从新闻报道上看到要小心使用加热类型的家用电器,像电热毯、电炉、热得快等,事实上这部分的电气火灾只占5%,是一个非常小的比例。而故障电弧火灾是我们目前的保护电器像断路器过载、短路无法识别的。

认识到为什么存在大量电气火灾的的原理后,最早这个技术是在美国发明的,美国UL实验室在1999年制定了全球第一个故障电弧产品AFCI标准。2013年国际电工委员会提出AFDD产品的标准。我们国家同步跟进,主要有两个标准,一个是消防用的故障电弧探测器AFD的标准,还有就是低压电器AFDD故障电弧断路器标准。

因为这个技术最早是在美国推出,所以北美已经普及应用,超过九千万的家庭都已经安装了AFCI。像空调这些家电当中也逐步的强制。另外根据最新版本的美国电气安装NEC规范,要求墙上插座都包含AFCI功能。国内来说是AFD是去年下半年开始测试,规范要求层高超过12米公用建筑强制安装AFD,AFDD也在逐步进入安装。

从产业前景分析,对我们目前的市场有两个,一个是故障电弧探测器,这是一个终端产品。它的量有每年两千万到五千万个的市场。断路器市场更大,参照漏电断路器可能有上亿个。扩展的话像家电空调、除湿机这些量就会更大。除此之外还有直流环境,像互联网数据中心、通信设备,以及太阳能光伏系统,由于日晒雨淋也是会导致电弧火灾。另外像汽车自燃,汽车自燃主要是电路起火引起的。下一代的新能源电动汽车,因为用电的电流越大,线路可能发生电器火灾比例就会越高。电动自行车是我们国家的一个特色,有很多报道,电动自行车着火烧死人的火灾非常多,都是电弧引起的。

下面我汇报一下对这个课题的研究,很多人认识到了故障电弧探测的重要性,但电弧探测是一个较难的技术。基本的一个难题是比较缺乏探测电弧的信号渠道,因为线路常常埋设在墙体中,我们主要只能通过电流、电压这些信号来分析。电流信号的辨识,首先它跟正常的负载容易混淆,我们看到第一幅图是电弧发生时的电流曲线,突发电弧时是不光滑的,会有一个曲折。但是利用这个特征,会有很多误动作。如第二个图是卤素灯的工作电流,因为采用电子变压器降压,也有这样的电流特点。

第二个困难,我们电弧的探测器不可能装到每条线路上,这个成本太高了。我们只能装在一个比较大的总路上,总路后面有很多支路,如果说其中只是一个支路发生电弧,其他支路没有发生,这个电弧信号就会被湮没。上面第一个图是卤素灯发生电弧,电阻通路把它掩盖掉了,下面的图不发生电弧,上下两个图的信号极其相似,无法分辨。

故障电弧探测(AFD/AFDD)技术产业化解决方案

第三个问题是跟我国的电网环境有关,我们国家的电网环境相对欧美来说更杂乱,一些电器的EMC处理不够完整,污染电网,所以导致我们难以判断,这个是我们现场采集的一个建材市场的电流,波形非常的杂乱,容易判为电弧。这是一个空压机的电流,因为转子设计不平衡,出现电流紊乱,一会儿打一会儿小,影响判断。

怎么解决上述问题,避免误动作,能够快速的识别。我们主要利用的技术是时、频域信号处理,象FFT及小波变换等等。通过FFT变换,普通的电动机正常工作在50赫兹有一个比较大的能量,高频很少,发生电弧的时候高频会有较多的能量,这是一种信号处理的方法。

然后我们通过不同方法的信号处理,把它们综合起来做出非常多的一些特征。这些特征在同一负载有电弧和没电弧的时候它的特征数值的取值范围有所变化,但是因为不同的负载,特征域是混叠的。在此之上用分类的方法把它进行更精确的分类。

下面介绍一下我们课题组研究故障电弧的历史,开始比较早,工作内容是翻译有关文献,研究生做一些原型的探讨。我们主要是从2011年开始正式开发,因为有相关企业的支持建立了实验室。2013年我们参加了AFDD国标制订专家组工作。2014年我们开始AFD开发,2016年我们AFD产品样品送检,2017年AFD产品小批量生产销售,AFDD已经送检。

对于AFD,我们是国内第一批送检的,到目前为止我们是唯一一家通过功能测试的产品。AFDD我们2015年送检,是国内首家通过功能委托测试的产品,现在也进入到正式测试阶段。

故障电弧探测课题的关键是可靠性,不能有误动作。为了保证可靠性的关键是要做到精准的识别电弧。上图有两列,我们对不同的各种负载它发生电弧时,单个半周波识别的漏判的比例,后面是误判的比例,我们需要非常精准地控制这两个比例。根据AFD标准,故障电弧判断的时间窗口是一秒钟,对于50Hz工频电流来说可以判断100次。可以看到我们对持续性故障电弧的漏判和误判率都是十的负几十次方。通过大量的数据采集,各个用电环境下,验证算法处理还是比较良好的。

还有一个问题是灵敏度,因为AFD标准没有明确的最小的电弧电流的要求,而AFDD国标要求是3A,根据两个国标的综合和现实环境要求,我们把最小的可靠判出最小电弧电流设定为2.25A,也就是500瓦。另外,我们与格力电气合作,最小电弧电流可以达到UL实验室实验测得的可能导致火灾的最小电弧电流0.5A,这个产品目前还在开发中。目前AFD针对的最大额定电流现在是63A,我们还在继续扩大额定电流范围。这个技术还要不断的演进,不断的提高灵敏度和可靠性。我们主要通过三个技术,一个是giRecognize,我们对环境负载进行智能识别,能够定位误动作的情况,保证误动作不要频繁的发生;第二是giRecall技术,我们把发生误动作时的现场信号采集回来;第三,采集回来的数据giRegenerate技术进行模型参数重建。我们算法是数据驱动的,通过不断地采集各种现实环境的数据并重建模型参数,就能使产品的误报率不断地下降。

这个是我们与整机企业的合作模式。我们主要是提供核心电路和芯片,我们不做整机,希望跟整机企业进行合作。我们的方案目前来说是提供模组,由几片芯片组成,部分是我们自己的芯片,大小跟一元硬币差不多,可以嵌入到不同的产品当中。下一步我们会计划投资做单芯片方案,这样可以体积更小。

基本上就介绍这些,下一步我们将开发直流故障电弧的探测,还有我们会建立一个云服务中心,能够远程支持产品的更新换代。