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基本信息
- 項目名稱：
- AFCI電弧故障斷路器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- AFCI（ARC FAULT CIRCUIT INTERRUPTER）技術(shù)是一項最新的電路保護技術(shù)，其主要作用是為了在發(fā)生故障電弧時及時切斷電路，避免負(fù)荷損壞，并降低火災(zāi)的可能性。本課題小組將故障電弧檢測和保護的功能集成到電路保護裝置中，同時運用了獨創(chuàng)性的故障判斷方式，采用復(fù)合信號判斷，在控制芯片中內(nèi)置大量檢測邏輯，提高故障電弧的識別率。采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技術(shù)，保證高效完成信號采集、處理和動作控制。
- 詳細介紹：
- AFCI（ARC FAULT CIRCUIT INTERRUPTER）技術(shù)是一項最新的電路保護技術(shù)，其主要作用是為了防止一些由錯誤電弧而引起的火災(zāi)。這些危險的電弧可能發(fā)生在家庭用的布線上、插頭和插座連接時、以及家用電器內(nèi)部的線束上或電器的電源線上等。引發(fā)錯誤電弧主要原因是電線絕緣層的磨損或不良的電氣連接。美國消費品安全協(xié)會（CPSC）和美國國家消防協(xié)會的眾多資料顯示，由電弧導(dǎo)致的危險事件包括了火災(zāi)以及由此引起的死亡。 AFCI技術(shù)可以感應(yīng)到由錯誤電弧引起的電流中不正常的現(xiàn)象。 由于許多正常工作中的瞬時現(xiàn)象或在實際運行過程中都會產(chǎn)生一些“好的”電弧 ( 如：觸頭連續(xù)性的斷開和閉合，或馬達起動瞬間)，因此，AFCI技術(shù)必需能夠區(qū)別“好的”電弧和“壞的”電弧, 這樣才不會導(dǎo)致失誤或誤動作。有時許多負(fù)載運行時的電流信號也很容易被誤認(rèn)為是錯誤電弧，事實上它們是正常的電流波行（如調(diào)光器開關(guān)）。因此，除了能分辨出“好的”電弧和“壞的”電弧外，AFCI 技術(shù)還需要能夠在正常和非正常情況下迅速、有效地提供保護，同時防止誤動作的發(fā)生。 而我們率先將故障電弧檢測和保護的功能集成到電路保護裝置中，同時運用了獨創(chuàng)性的故障判斷方式，采用復(fù)合信號判斷，在控制芯片中內(nèi)置大量檢測邏輯，提高故障電弧的識別率。采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技術(shù)，保證高效完成信號采集、處理和動作控制。在目前國內(nèi)還未有深入研究的情況下，克服了技術(shù)上的難點，目前主要針對空調(diào)負(fù)載，完成了工程樣機的制作，隨著國內(nèi)對低壓電氣安全和電弧故障保護的重視程度逐漸提高，和新消防法的頒布，其中特別強調(diào)：國家鼓勵、支持消防科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，推廣使用先進的消防和應(yīng)急救援技術(shù)、設(shè)備；鼓勵、支持社會力量開展消防公益活動。對在消防工作中有突出貢獻的單位和個人，應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定給予表彰和獎勵。而其無疑對我們項目的開展起著強大的推動作用。AFCI技術(shù)的市場潛力巨大。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 故障電弧保護是一項最新的電路保護技術(shù)，其主要作用是為了在發(fā)生故障電弧時及時切斷電路，避免負(fù)荷損壞，并降低火災(zāi)的可能性。 基本研究思路： 1.開發(fā)合適的電流電壓信號檢測裝置； 2.研究基于單片機或DSP分析電弧信號的最優(yōu)算法，在滿足時效性的同時有效辨別故障電弧的特征； 3.將信號檢測，分析，控制，輸出等線路集成為合適工業(yè)應(yīng)用的封裝，和現(xiàn)有的斷路器裝置進行結(jié)合，滿足節(jié)約成本，增強通用性等要求。 創(chuàng)新點： 1.采用CK510系列微控制芯片。該芯片與常用的8位單片微機相比，精度高、速度快（CK510為32位微機，正常工作頻率400MHz）。通過該芯片進行嵌入式控制，可以高效完成信號采集、處理和動作控制。 2.采用電流幅值、電流變化率（波形陡峭、di/dt）、平肩部、正負(fù)波形對稱程度多個指標(biāo)進行故障電弧判別，在控制芯片中內(nèi)置復(fù)合檢測邏輯，減小裝置誤動率。 3.對于負(fù)載為阻性的交流電弧，故障電弧電流的諧波含量明顯增多。為此可采用基于高頻分量的故障電弧檢測方法 其技術(shù)關(guān)鍵在于： 1.收集實驗數(shù)據(jù)，研究故障電弧的概率特征； 2.尋找具有時效性和有效性的辨別故障電弧最優(yōu)算法； 3.采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的32位高性能芯片； 主要技術(shù)指標(biāo)： 名稱 參數(shù) 工作電壓 AC220V 電壓頻率 50Hz或60Hz 切斷電流能力 15A 動作時間 <35ms
科學(xué)性、先進性
- 該產(chǎn)品具有以下特點和進步： ⒈將故障電弧檢測和保護的功能集成到電路保護裝置中。本項目創(chuàng)新性是將故障電弧保護與傳統(tǒng)過電流和漏電流集成在一個裝置中，可以全面保障公共電網(wǎng)和人民生活環(huán)境，提高整個電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 ⒉采用高性能嵌入式芯片和嵌入式控制技術(shù)，保證高效完成信號采集、處理和動作控制。在該項目中我們采用浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路研究中心和杭州中天微系統(tǒng)有限公司開發(fā)的高性能嵌入式控制芯片CK510系列(專利號：ZL03116521.4)，該MCU是具有自主產(chǎn)權(quán)的32位微控制器、具備高性能、低成本、成熟的應(yīng)用環(huán)境等優(yōu)點。與現(xiàn)在常用的8位51系列單片微機相比，精度高、速度快（CK510正常工作頻率400MHz），而且CK510正在推廣使用，具有價格優(yōu)勢。 3.采用復(fù)合信號判斷，在控制芯片中內(nèi)置大量檢測邏輯，提高故障電弧的識別率。 4.對于直流電弧，或者負(fù)載為阻性的交流電弧，故障電弧電流的諧波含量明顯增多。為此可采用基于高頻分量的故障電弧檢測方法。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 浙江大學(xué)第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽一等獎 浙江省第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢： ⑴ 準(zhǔn)確的電弧檢測。此項功能要求斷路器能夠根據(jù)對負(fù)載電流的A/D 采樣,在短時間內(nèi)檢測出電弧的產(chǎn)生。 ⑵ 快速的電弧特性分析。此項功能要求斷路器運用高效而準(zhǔn)確的算法,分析電弧的特性,從而得出電弧的產(chǎn)生屬于正?；虍惓５呐袛唷? ⑶ 可靠的脫扣動作。當(dāng)系統(tǒng)識別發(fā)生故障電弧時，需迅速有效的啟動脫扣繼電器。 推廣前景及市場分析： 隨著國內(nèi)對低壓電氣安全和電弧故障保護的重視程度逐漸提高，2009年5月1日新修訂的《消防法》將以國家主席第六號令，正式施行。其中特別強調(diào)：國家鼓勵、支持消防科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，推廣使用先進的消防和應(yīng)急救援技術(shù)、設(shè)備。無疑對我們項目的開展起著強大的推動作用?？梢夾FCI技術(shù)的市場潛力巨大。 該產(chǎn)品推廣成功后，可廣泛用于家庭、企事業(yè)單位、賓館、商務(wù)樓、娛樂場所等，在出現(xiàn)故障電弧或不良電弧反映時，自動斷開電路，防止因線路電弧火花而造成的火災(zāi)，將來隨著技術(shù)的成熟還可推廣到汽車、飛機等領(lǐng)域，帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 利用電弧放電時的光、熱、聲音和電磁輻射等特性，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些方法來檢測電弧。近年來，利用電弧的光效應(yīng)，國外開發(fā)出了弧光檢測與保護系統(tǒng)。如德國Moeller公司用于低壓開關(guān)柜的故障電弧保護系統(tǒng)、ARCON ABB的ARC Guard System故障電弧保護系統(tǒng)、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都是基于檢測電弧故障時發(fā)出的弧光以及過流雙判據(jù)，提供快速而安全的母線保護，這為限制電弧故障損壞提供了一種有效的解決方案。 隨著汽車系統(tǒng)中的系統(tǒng)電壓從14 V增加到42 V，汽車電弧的檢測也越來越重要。Delphi研究室基于電弧故障時電流會有突增或者突降的特性，設(shè)計了FDC模塊提出了一種電弧檢測裝置。 美國對電弧檢測的理論研究最早開始于上世紀(jì)九十年代，對于電弧的危害認(rèn)識較早。為了較少家用電氣設(shè)備故障電弧引發(fā)的不安全因素，美國電氣條例（NEC）關(guān)于故障電弧保護有以下的強制性規(guī)定：2002美國電氣條例（NEC）要求所有在臥室內(nèi)安裝的支路，都要安裝法令列出的故障電弧斷路器，以保護整條支路。2002美國電氣條例還要求單相，電源線加插頭連接的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)器需要有工廠安裝的LCDI和AFCI保護裝置。自2004年8月1日以后，在美國市場銷售的家用空調(diào)要求必須帶具有AFCI功能的電源插頭。 在商業(yè)應(yīng)用方面，美國德州儀器公司開發(fā)了降低電弧故障風(fēng)險的AFCI產(chǎn)品技術(shù)Arc Shield。該技術(shù)基于DSP和軟件算法，具有一個獨立的電弧故障電路模塊，能夠監(jiān)測和報告電弧故障，排除誤動作。如帶有Arc ShieldTM 技術(shù)的空調(diào)電源插頭，應(yīng)用于飛機上的將電弧防護技術(shù)和傳統(tǒng)的熱過負(fù)荷保護相結(jié)合的產(chǎn)品KLIXON 能減輕故障電弧危險，增加安全性，不僅能發(fā)現(xiàn)高電位電弧狀態(tài)，并且非常敏感，能發(fā)現(xiàn)低電位電弧，而不會誤跳閘。 在國內(nèi)，一些已有的文獻一般屬于介紹性文章，還沒有得到實際應(yīng)用的自主研究技術(shù)。國內(nèi)的一些廠家如寧波習(xí)羽電子發(fā)展有限公司和萊尼電氣線纜（常州）有限公司雖然可以生產(chǎn)AFCI成品，但主要是面向北美出口的空調(diào)插頭，技術(shù)要求符合UL1699標(biāo)準(zhǔn)。其產(chǎn)品主要針對110V/60Hz的電氣環(huán)境予以研究，與我們的研究仍有很大不同。
