慧聰消防網(wǎng) 2017年9月4日，CFIC2017“中國消防安全產(chǎn)業(yè)大會(huì)”在北京隆重召開，浙江大學(xué)微電子學(xué)院副教授竺紅衛(wèi)受邀出席本次會(huì)議并發(fā)表主題演講《故障電弧檢測(cè)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化》，以下是演講實(shí)錄：

浙江大學(xué)微電子學(xué)院副教授竺紅衛(wèi)發(fā)表主題演講

各位領(lǐng)導(dǎo)、各位來賓，大家上午好！非常感謝大會(huì)邀請(qǐng)我到這里來作一個(gè)關(guān)于故障電弧探測(cè)AFD/AFDD的技術(shù)報(bào)告。我來自浙江大學(xué)微電子學(xué)院超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)研究所。

先介紹一下故障電弧，電弧現(xiàn)象其實(shí)很常見，俗稱打火，是一種電場(chǎng)擊穿空氣產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，放電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高溫高熱。我們生活當(dāng)中有很多電弧現(xiàn)象，如閃電、電焊。故障電弧是什么？就是我們用電線路中發(fā)生了電弧、打火。根本原因是因?yàn)槲覀冇秒娋€路絕緣材料都是利用PVC等塑料材料，這種材料時(shí)間長了就會(huì)出現(xiàn)所謂的線路老化，有些接觸不良、局部發(fā)熱之后它會(huì)加速降解、炭化。還有受外力的影響的破損，這些原因?qū)е陆^緣失效進(jìn)而產(chǎn)生故障電弧。這是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，除非我們絕緣材料不用這種PVC材料，不然的話它的隱患是始終存在的。

上面就是兩幅常見的電氣火災(zāi)照片，左邊是線路的火災(zāi)，右邊是家用電器火災(zāi)。根據(jù)我國2015年的消防年鑒，在一年總共30多萬起的火災(zāi)當(dāng)中基本上電器火災(zāi)占了三分之一。而且這個(gè)比例在發(fā)達(dá)地區(qū)更高，像廣東省、浙江省這個(gè)電器火災(zāi)都超過了50%。把電氣火災(zāi)再單獨(dú)抽取出來，看右邊圖可以看到線路的火災(zāi)占60%多，家用電器的火災(zāi)占了20%，兩者相加超過80%，這些都是有故障電弧導(dǎo)致的。所以這里有一個(gè)有悖于常識(shí)的現(xiàn)象，我們經(jīng)常從新聞報(bào)道上看到要小心使用加熱類型的家用電器，像電熱毯、電爐、熱得快等，事實(shí)上這部分的電氣火災(zāi)只占5%，是一個(gè)非常小的比例。而故障電弧火災(zāi)是我們目前的保護(hù)電器像斷路器過載、短路無法識(shí)別的。

認(rèn)識(shí)到為什么存在大量電氣火災(zāi)的的原理后，最早這個(gè)技術(shù)是在美國發(fā)明的，美國UL實(shí)驗(yàn)室在1999年制定了全球第一個(gè)故障電弧產(chǎn)品AFCI標(biāo)準(zhǔn)。2013年國際電工委員會(huì)提出AFDD產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。我們國家同步跟進(jìn)，主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是消防用的故障電弧探測(cè)器AFD的標(biāo)準(zhǔn)，還有就是低壓電器AFDD故障電弧斷路器標(biāo)準(zhǔn)。

因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)最早是在美國推出，所以北美已經(jīng)普及應(yīng)用，超過九千萬的家庭都已經(jīng)安裝了AFCI。像空調(diào)這些家電當(dāng)中也逐步的強(qiáng)制。另外根據(jù)最新版本的美國電氣安裝NEC規(guī)范，要求墻上插座都包含AFCI功能。國內(nèi)來說是AFD是去年下半年開始測(cè)試，規(guī)范要求層高超過12米公用建筑強(qiáng)制安裝AFD，AFDD也在逐步進(jìn)入安裝。

從產(chǎn)業(yè)前景分析，對(duì)我們目前的市場(chǎng)有兩個(gè)，一個(gè)是故障電弧探測(cè)器，這是一個(gè)終端產(chǎn)品。它的量有每年兩千萬到五千萬個(gè)的市場(chǎng)。斷路器市場(chǎng)更大，參照漏電斷路器可能有上億個(gè)。擴(kuò)展的話像家電空調(diào)、除濕機(jī)這些量就會(huì)更大。除此之外還有直流環(huán)境，像互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)備，以及太陽能光伏系統(tǒng)，由于日曬雨淋也是會(huì)導(dǎo)致電弧火災(zāi)。另外像汽車自燃，汽車自燃主要是電路起火引起的。下一代的新能源電動(dòng)汽車，因?yàn)橛秒姷碾娏髟酱螅€路可能發(fā)生電器火災(zāi)比例就會(huì)越高。電動(dòng)自行車是我們國家的一個(gè)特色，有很多報(bào)道，電動(dòng)自行車著火燒死人的火災(zāi)非常多，都是電弧引起的。

下面我匯報(bào)一下對(duì)這個(gè)課題的研究，很多人認(rèn)識(shí)到了故障電弧探測(cè)的重要性，但電弧探測(cè)是一個(gè)較難的技術(shù)?；镜囊粋€(gè)難題是比較缺乏探測(cè)電弧的信號(hào)渠道，因?yàn)榫€路常常埋設(shè)在墻體中，我們主要只能通過電流、電壓這些信號(hào)來分析。電流信號(hào)的辨識(shí)，首先它跟正常的負(fù)載容易混淆，我們看到第一幅圖是電弧發(fā)生時(shí)的電流曲線，突發(fā)電弧時(shí)是不光滑的，會(huì)有一個(gè)曲折。但是利用這個(gè)特征，會(huì)有很多誤動(dòng)作。如第二個(gè)圖是鹵素?zé)舻墓ぷ麟娏?，因?yàn)椴捎秒娮幼儔浩鹘祲海灿羞@樣的電流特點(diǎn)。

第二個(gè)困難，我們電弧的探測(cè)器不可能裝到每條線路上，這個(gè)成本太高了。我們只能裝在一個(gè)比較大的總路上，總路后面有很多支路，如果說其中只是一個(gè)支路發(fā)生電弧，其他支路沒有發(fā)生，這個(gè)電弧信號(hào)就會(huì)被湮沒。上面第一個(gè)圖是鹵素?zé)舭l(fā)生電弧，電阻通路把它掩蓋掉了，下面的圖不發(fā)生電弧，上下兩個(gè)圖的信號(hào)極其相似，無法分辨。

故障電弧探測(cè)(AFD/AFDD)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化解決方案

第三個(gè)問題是跟我國的電網(wǎng)環(huán)境有關(guān)，我們國家的電網(wǎng)環(huán)境相對(duì)歐美來說更雜亂，一些電器的EMC處理不夠完整，污染電網(wǎng)，所以導(dǎo)致我們難以判斷，這個(gè)是我們現(xiàn)場(chǎng)采集的一個(gè)建材市場(chǎng)的電流，波形非常的雜亂，容易判為電弧。這是一個(gè)空壓機(jī)的電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)子設(shè)計(jì)不平衡，出現(xiàn)電流紊亂，一會(huì)兒打一會(huì)兒小，影響判斷。

怎么解決上述問題，避免誤動(dòng)作，能夠快速的識(shí)別。我們主要利用的技術(shù)是時(shí)、頻域信號(hào)處理，象FFT及小波變換等等。通過FFT變換，普通的電動(dòng)機(jī)正常工作在50赫茲有一個(gè)比較大的能量，高頻很少，發(fā)生電弧的時(shí)候高頻會(huì)有較多的能量，這是一種信號(hào)處理的方法。

然后我們通過不同方法的信號(hào)處理，把它們綜合起來做出非常多的一些特征。這些特征在同一負(fù)載有電弧和沒電弧的時(shí)候它的特征數(shù)值的取值范圍有所變化，但是因?yàn)椴煌呢?fù)載，特征域是混疊的。在此之上用分類的方法把它進(jìn)行更精確的分類。

下面介紹一下我們課題組研究故障電弧的歷史，開始比較早，工作內(nèi)容是翻譯有關(guān)文獻(xiàn)，研究生做一些原型的探討。我們主要是從2011年開始正式開發(fā)，因?yàn)橛邢嚓P(guān)企業(yè)的支持建立了實(shí)驗(yàn)室。2013年我們參加了AFDD國標(biāo)制訂專家組工作。2014年我們開始AFD開發(fā)，2016年我們AFD產(chǎn)品樣品送檢，2017年AFD產(chǎn)品小批量生產(chǎn)銷售，AFDD已經(jīng)送檢。

對(duì)于AFD，我們是國內(nèi)第一批送檢的，到目前為止我們是唯一一家通過功能測(cè)試的產(chǎn)品。AFDD我們2015年送檢，是國內(nèi)首家通過功能委托測(cè)試的產(chǎn)品，現(xiàn)在也進(jìn)入到正式測(cè)試階段。

故障電弧探測(cè)課題的關(guān)鍵是可靠性，不能有誤動(dòng)作。為了保證可靠性的關(guān)鍵是要做到精準(zhǔn)的識(shí)別電弧。上圖有兩列，我們對(duì)不同的各種負(fù)載它發(fā)生電弧時(shí)，單個(gè)半周波識(shí)別的漏判的比例，后面是誤判的比例，我們需要非常精準(zhǔn)地控制這兩個(gè)比例。根據(jù)AFD標(biāo)準(zhǔn)，故障電弧判斷的時(shí)間窗口是一秒鐘，對(duì)于50Hz工頻電流來說可以判斷100次?？梢钥吹轿覀儗?duì)持續(xù)性故障電弧的漏判和誤判率都是十的負(fù)幾十次方。通過大量的數(shù)據(jù)采集，各個(gè)用電環(huán)境下，驗(yàn)證算法處理還是比較良好的。

還有一個(gè)問題是靈敏度，因?yàn)锳FD標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的最小的電弧電流的要求，而AFDD國標(biāo)要求是3A，根據(jù)兩個(gè)國標(biāo)的綜合和現(xiàn)實(shí)環(huán)境要求，我們把最小的可靠判出最小電弧電流設(shè)定為2.25A，也就是500瓦。另外，我們與格力電氣合作，最小電弧電流可以達(dá)到UL實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)得的可能導(dǎo)致火災(zāi)的最小電弧電流0.5A，這個(gè)產(chǎn)品目前還在開發(fā)中。目前AFD針對(duì)的最大額定電流現(xiàn)在是63A，我們還在繼續(xù)擴(kuò)大額定電流范圍。這個(gè)技術(shù)還要不斷的演進(jìn)，不斷的提高靈敏度和可靠性。我們主要通過三個(gè)技術(shù)，一個(gè)是giRecognize，我們對(duì)環(huán)境負(fù)載進(jìn)行智能識(shí)別，能夠定位誤動(dòng)作的情況，保證誤動(dòng)作不要頻繁的發(fā)生；第二是giRecall技術(shù)，我們把發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集回來；第三，采集回來的數(shù)據(jù)giRegenerate技術(shù)進(jìn)行模型參數(shù)重建。我們算法是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，通過不斷地采集各種現(xiàn)實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)并重建模型參數(shù)，就能使產(chǎn)品的誤報(bào)率不斷地下降。

這個(gè)是我們與整機(jī)企業(yè)的合作模式。我們主要是提供核心電路和芯片，我們不做整機(jī)，希望跟整機(jī)企業(yè)進(jìn)行合作。我們的方案目前來說是提供模組，由幾片芯片組成，部分是我們自己的芯片，大小跟一元硬幣差不多，可以嵌入到不同的產(chǎn)品當(dāng)中。下一步我們會(huì)計(jì)劃投資做單芯片方案，這樣可以體積更小。

基本上就介紹這些，下一步我們將開發(fā)直流故障電弧的探測(cè)，還有我們會(huì)建立一個(gè)云服務(wù)中心，能夠遠(yuǎn)程支持產(chǎn)品的更新?lián)Q代。