电弧故障断路器afci的开发

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1、火灾预防与控制技术的研究电弧故障断路器(AFCI)的开发瑞萨科技(北京)有限公司罗雷刘晖摘要传统的断路器只对过流，短路和漏电起保护作用，我今天介绍的电弧故障断路器(AFCI)是在传统的断路器的基础上又添加了个崭新的功能一对故障电弧起保护作用，AFCI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。以防范电弧引发的火灾。在美国，根据CPSC(美国消费品安全委员会)1998年的

2、统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，造成直接经济损失$16．8亿美圆。所以CPSC要求所有的住宅的卧室必须安装这种AFCI断路器，所有的空调要安装AFCI插座。文章将介绍电弧故障断路器(AFCI)的电路部分的技术开发，包括它的硬件和软件的基本实现方法及相关内容。使用了一个电流互感器，感应AC电流的大小和di／dt，然后用OP(运放)进行处理后。将信号再输入MCU进行A／D处理。MCU将采样数值进行分析，如果符合故障电弧的特性，Mcu将发出断硌器脱扣信号，使断路器断开。当然传统的过流，短路和漏电保护功能可方便的被集成，只要再增加一个

3、电流互感器。应用于各种断路器，墙插座和电源插接板等。关键词AFCI断路器M37544M2电流互感器运算放大器1基本概念电弧：线路卜的电弧可分为两种，一种是正常的操作弧，称《好弧》，另一种是故障电弧，称《坏弧》。(1)《好弧》是指当电机旋转产生的弧，如电钻，吸尘器等。另外当人们开关电器，插拔电器时产生的弧也是《好弧》。(2)《坏弧》是故障电弧，故障电弧的类型基本上可分两类。A类和B类。A类称串型电弧，B类称并型电弧(如图1所示)。A类串型电弧图1串型电弧和并型电弧(王)ULl699标准ULl699是规范AFCI的，UL1699发展于20世纪90年代，用以识别由

4、过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器町以对过电流提供保护，然而研究发现在没有过电流发生的情况下由小电流引起的故障电弧也有足够的能量引发打火从而引起火灾。现在ULl699可用于规范AFCI技术在家用断路器、墙式安装插座、以及便携式AFCI插座的应用。@AVCI如何工作根据ULl699的标准，在AC线路上，当AFCI在0．5s内察觉到8个半周的故障电弧，断路器执行脱扣，切断AC线路。③电弧和负载启动的电流波形：1)lkW白炽灯启动波形相角30度(见图2)：2)lkW调光灯启动波形导通角100％(见图3)：3)计算机电源波形(见图4)：4)一个100A点

5、接触电弧波形并行电弧(见图5)：5)1HP空调的启动波形(见图6)：6)安装lkW灯泡时，灯口瞬时虚接产生的波形(见图7)：7)串行电弧(见图8)：图2lkW白炽灯启动波形中国消防协会电气防火专业委员会2008年电气防火学术会议论文集8l火灾预防与控制技术的研究2硬件介绍目5一十l∞A^《#自n*≈一十电弧断路器的蟓理框图FIGI如圈9所币。(I)在Jq9中电流I感器201果州气芯的屯流互感器，它的特点是无磁滞和磁饱和现象，井有非常好的线性#暂态特性，如图10BⅡi它05—100A的线性2[1将感应信号Ⅸ^300一个电压Ⅸ随器，u使辅川信号强化。301罡一个

6、50删Hz低通滤渡器，302是十双路非反向《放，负拽电流的信号被放大后进^800(M375d．4)处埋。目7i#1州目№目．目口目目t《F±白勺＆*(2)303和304足200KHzH250K的带通滤波器，是一十对电弧电流波形的博女01运算，之后．信号将送^305—卟1mn的单稳触挂皤，之后#对306罂辑与选～800(M375“堤月耻理。(3)700足十电Ⅱ检洲电路，崔电瓶发生时，Ac电月的电压是水稳定的。所H要对电m的绝对值进行采样，t^800址理。并且700负责检铡电压的过牟信号并将此信号女A800．用于电流采样值的《算．I(4)M37544FW,1巾8

7、00(M37544)娃aenesas740系硎的8bn单片l一锢F。两：兰．赢j：§：同璺l

8、墅塑翟薛犯÷目镕∞*2自q*女☆Ⅲt^女2008#自{％^}$§R*女集搿o·25㈣6厂繁n2000％卜。0．151"070卜0，1000％Lo．0500％Lo．oD00％L_-o．0500％L加．10Do％L-o．15rn％L．0．20(x，％L-0．2500％LO．Ol10100电流(A)机，它的最小指令时问为0．25us，ROMsize8K，RAMsize256，有可编程I／0口25个，3个定时器，6个8bitA／D转换器，A／D的转换速度非常快，约8us，1

9、2个中断源，一个WDT，电源范围2．2～5．5V。因