電纜絕緣表皮老化、破損、接線端子接觸不良、相間短路等故障都可能引發電弧，若無法及時切斷故障線路將可能引發電氣火災。國內外在故障電弧檢測方面展開豐富的研究工作，基于電弧電流的時域、頻域、時頻特性的分析，提取故障電弧的特征參數，并結合支持向量機、神經網絡、模糊聚類等算法對配電網電弧故障進行檢測與識別。

電弧故障保護電器（arc fault detection device, AFDD）一般是以線路電流為檢測依據，通過提取電流中蘊含的電弧特征信息作為判據，檢測是否發生故障電弧，一旦發生故障就立即切斷故障線路的新型保護電器。為了驗證電弧故障檢測方法的可行性和檢驗電弧故障保護電器的電弧故障檢測能力，需要對電弧故障保護電器進行標準化實驗。

1999年美國制定了強制性標準UL 1699電弧故障斷路器（arc fault circuit interpreter, AFCI），多年來經過了多次的修訂和補充，其最新修訂版于2017年頒布實施。在國內，故障電弧檢測與保護措施的研究起步較晚，2015年4月關于電弧故障保護電器的國家標準GB/T 31143—2014才正式實施。

美國標準和國家標準都對電弧故障保護產品的技術參數、安裝測試、安全實驗項目、電弧故障檢測實驗內容、實驗步驟、實驗設備、實驗條件等提出明確要求。

本文在全面研讀電弧故障保護電器標準的基礎上，對比解析標準中關于電弧故障檢測試驗，分析各類測試項目的異同點，為研究電弧故障保護電器和研究電弧故障檢測試驗設備提供理論支撐。

1 電弧故障保護產品標準

UL 1699—2017標準由美國國家標準學會（US- ANSI）發布實施，美國保商實驗室UL歸口，適用于AC 120V，60Hz的單極型AFCI，包括住宅的支路/饋電式AFCI、插座AFCI、便攜式AFCI、線纜式AFCI，同時適用于AC 240V，60Hz的雙極型AFCI。在額定電流方面，除了線纜式AFCI可能高達30A，其他類型AFCI都在20A及以下。

GB/T 31143—2014標準使用重新起草法修改國際電工委員會標準IEC 62606—2013《電弧故障保護電器的一般要求》，由中國電器工業協會提出，由全國低壓電器標準化技術委員會（SAC/TCl89）歸口，適用于AC 240V及以下、50Hz/60Hz、額定電流63A及以下的AFDD，包括家用或類似用途AFDD，同時對于裝入插頭、插座的AFDD或專用于插座或插頭的AFDD，需要配合GB2099.1一起使用。必須注意的是該標準對于電池供電或保護電路以外供電的AFDD并不適用。

在產品的功能要求上，兩套標準所述的產品都是用于檢測故障電弧并能夠在規定的條件下斷開被保護的電路。但是，UL 1699—2017中所述的AFCI還包含了漏電流保護功能。同時，AFCI在執行過流保護、接地短路保護、雷擊抑制及任何其他類似功能或是這些功能的組合等功能時都必須符合相應UL標準要求。

在電弧故障保護產品的動作特性上，兩套標準具有不同的規定。其中，UL 1699主要以0.5s電弧電流的8個半波作為動作限值，該規定適用于除碳化路徑電弧斷開實驗、屏蔽實驗和誤脫扣實驗外的其他實驗項目。碳化路徑電弧斷開實驗和屏蔽實驗中所要求的AFCI斷開時間依據實驗電流大小進行確定。

而GB/T 31143—2014 規定AFDD的極限分斷時間主要以實驗電流作為劃分依據，額定電壓（Ue）為230V時，在63A及以下的小電弧電流下以燃弧時間作為標準，而在63A及以上大電弧電流以0.5s內電弧電流半波數為標準。

2 驗證電弧故障保護產品動作特性

2.1 電弧故障檢測實驗

在驗證產品動作特性的技術要求和實驗方法部分，UL 1699—2017標準，將動作特性驗證實驗分為電弧故障檢測實驗、誤脫扣實驗和操作抑制實驗三大類實驗。而GB/T 31143—2014中將這三類實驗統一稱為驗證動作特性實驗。兩套標準中，動作特性驗證所涉及的實驗項目、實驗條件及其相關的實驗裝置等方面的規定并非完全相同，分別見表1和表2。

表1

表2

由表1和表2可見，兩套標準中在驗證電弧故障保護產品的動作特性上，實驗項目、使用的電弧故障發生裝置、每類實驗的電流范圍和AFDD動作特性要求具有明顯區別。

1）UL 1699—2017規定的碳化電弧發生實驗，在GB/T 31143—2014中并未找到相似的實驗內容，且該實驗要求對AFCI負載側火線和零線出現電弧故障的兩種情況分別進行實驗。

2）表1中的碳化路徑電弧斷開實驗與表2的限流并聯電弧實驗相似，但是二者的實驗方法有所區別。碳化路徑電弧斷開時間實驗中，AFCI負載側開關閉合所需要的斷開時間與表2中的接入帶串聯電弧故障負載實驗相同，而AFCI故障關閉時所需的斷開時間與表2閉合電弧故障實驗相同；且UL 1699—2017標準只給出了上述實驗對應的線路簡圖，并未給出明確的實驗操作方法。雖然兩套標準都為碳化電纜電弧，但是二者規定使用的電纜樣品規格存在差異。

3）UL 1699—2017要求點接觸電弧實驗、極限溫度實驗、串擾實驗三類實驗需要使用電纜切割裝置進行實驗，且實驗電流在75～500A之間。而GB 31143—2014中這部分實驗可選用電纜碳化裝置或電弧發生器進行實驗，且實驗電流低于75A。

4）在屏蔽實驗上，兩套標準中使用的屏蔽負載類型和電阻負載支路的電流等級各不相同。

此外，兩套標準對于電弧故障保護產品的動作特性提出了不同的要求。

2.2 實驗電流調節方法和實驗負載

UL 1699—2017規定，實驗電流在75～500A的實驗，需通過增加電線的長度進行限流；而75A以下的電流，通過增加電阻負載進行限流。對于分支/饋線式和組合式AFCI，將導線或電阻插入實驗裝置負載側的實驗電路中。對于插座式AFCI，應將電線插入被測裝置線路側的測試電路中，并將電阻插入被測裝置負載側的測試電路中。而GB/T 31143—2014通過調節負載電阻大小進行限流。

同時，除了電阻負載外，還需要準備屏蔽實驗和誤脫扣實驗所需要的抑制性屏蔽負載設備，且UL 1699—2017所規定的負載在單極AFCI保護線路中應允許工作在AC 120V，60Hz的電力系統中，對于雙極AFCI保護線路使用的負載應允許工作在AC 240V，60Hz的電力系統。

而GB/T 31143—2014所規定的負載應允許工作在AC 230V，50Hz的電力系統。除了通用的家用設備外，兩套標準中關于電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）濾波器、鎧裝電纜阻抗的制備方法也不相同。

1）UL 1699規定的EMI濾波器和線路阻抗負載制備方法為：

• （1）第一類EMI實驗。需在實驗線路上安裝兩個0.22◆F的EMI濾波器。其中，一個濾波器安裝在由兩根NM-B型電纜構成的線路電阻負載的一端，該電纜規格為12 AWG且長度為15.2m。另一個過濾器安裝在SJT型撓性電纜末端，該電纜規格為16 AWG且長度為約1.8m。
• （2）第二類EMI實驗。EMI濾波器電路如圖1所示。將其安裝在長15.2m、12 AWG的NM-B型電纜的端部。該過濾器應位于長1.8m、16 AWG的SJT型柔性軟線的末端。對于測試不帶饋通的插座式AFCI或移動式AFCI，用長6.1m、16 AWG的SPT-2型軟線替代15.2m長的NM-B型電纜。
• （3）第一類線路阻抗負載。由長30.5m、14 AWG鎧裝電纜和2芯鋼鎧裝電纜組成的線路阻抗負載。故障電弧產生的位置在線路與接地金屬鎧裝之間。
• （4）第二類線路阻抗負載。由長15.2m、14 AWG的單導體銅線和7.62m、17.7mm2接地鋼管組成線路阻抗負載，且帶兩個彎曲的直角。故障電弧產生的位置在電線和鋼管之間。

圖1 EMI濾波器II的硬件電路圖

2）GB/T 31143—2014規定的EMI濾波器和鎧裝電纜制備方法為：

• （1）第一類EMI實驗。由2個0.22μF的EMI濾波器組成，分別安裝在兩個長15m、2.5mm2的阻性負載的一端。每個濾波器應位于大約長2.0m、1.5mm2的導線末端。
• （2）第二類EMI實驗。濾波器硬件電路與圖1相同，電路中部分元器件的參數存在差異，其中L1=L2=6.36mH，L3=0.036mH，L4=L5=1.47mH，C1= 0.47μF，C2=0.27μF，其余器件參數與圖1所示相同。該濾波器應位于長2m、1.5mm2的軟線末端，且安裝在長15m、2.5mm2的電纜末端。
• （3）線路阻抗負載。由長30m、2.5mm2的鎧裝電纜和鋼制套管內2根導線組成。

3 電弧故障模擬發生裝置的技術要求

為了實現對AFCI、AFDD動作特性的驗證，兩套標準對電弧故障的模擬方法提出了明確的要求，都涉及三類的電弧故障模擬發生裝置：①第一類是用于模擬電纜絕緣表皮因老化、破損而碳化，形成碳化路徑通道時產生的故障電弧，定義為碳化路徑裝置；②第二類是用于模擬相間金屬性短路故障時產生的故障電弧，定義為電纜切割裝置；③第三類是用于模擬接觸端子松動、脫落等接觸不良時產生的故障電弧現象，稱為電弧發生器。

3.1 碳化路徑裝置

碳化路徑裝置用于實現對電纜樣品通過高電壓小電流從而加速絕緣表皮老化和碳化過程。在兩套標準中，碳化路徑裝置在電纜樣品選擇、制備、高壓變壓器的規格、連接方式和通電模式等方面存在區別。

1）實驗用電纜樣品規格不同

UL 1699—2017 規定，不同的實驗項目需要預先準備的電纜樣品規格見表3。導體和電纜樣品尺寸為16AWG，長度為20.3cm。

表3

GB/T 31143—2014則規定碳化路徑實驗的電纜樣品選用截面積為1.5mm2（或16AWG），最小長度為20cm的平行導線電纜，如符合GB/T 5023.1—2008的附錄A的雙導線，用兩根獨立的GB/T 5023中IEC02分類的PVC軟導線并用PVC絕緣膠布綁在一起，帶雙導線的SPT2和H05VVF的電纜等。

2）碳化電纜制備的方式不同

兩套標準中所規定的電纜樣品的制備有三種。

（1）第一種只對相線進行切割，用于UL 1699—2017規定的碳化路徑電弧發生實驗。在電纜樣品兩端各剝掉25.4mm的絕緣層，切斷相線而不損害另一導線絕緣；先用電氣PVC膠帶在切口處包裹兩層，再用玻璃纖維帶包裹兩層。然后，在膠帶區域用手術棉松包裹，AFCI能否在棉花著火前斷開是該被測樣機是否合格的判斷依據。

（2）第二種是對兩根導線進行橫向切割，用于UL 1699—2017規定的碳化路徑電弧斷開實驗。將電纜樣品一端的絕緣表皮剝除 25.4mm，用于連接線路；在電纜樣品的中點處橫向切開絕緣表皮，且切口要穿透電纜的絕緣表皮；然后在切口處先后用電氣PVC膠帶和玻璃纖維帶各包裹兩層。

（3）第三種是切除兩根導線的絕緣表皮，用于UL 1699—2017規定的碳化路徑電弧斷開時間實驗和GB/T 31143—2014規定的串聯電弧故障實驗和除切割電纜電弧外的并聯電弧實驗。先將電纜樣品兩端分為單股線，離端部約25.4mm（GB 31143—2014為25mm）。

在距一端50.8mm（GB 31143—2014為50mm）處切除電纜樣品的絕緣表皮但不切斷導線，在露出導線部位先后用電氣PVC膠帶和玻璃纖維帶各包裹兩層。最后，為了將電纜樣品與實驗電路連接，還需將距離切口最遠的一端剝開約12.7mm（GB 31143—2014為12mm）。

3）裝置設計方法和通電模式不同

UL 1699—2017中碳化路徑裝置有兩種，一種是適用于碳化路徑電弧發生實驗和碳化路徑電弧斷開實驗的裝置，另一種是適用于碳化路徑電弧斷開時間實驗的裝置。

前者是利用一個開路電壓為15kV±10%且能夠提供30mA電流的帶中心抽頭的高壓變壓器進行設計，利用定時器控制接觸器的切換，實現對電纜樣品循環通斷高壓小電流和正常的工作電壓AC120V的操作步驟，通斷周期為10s。

對于碳化路徑電弧發生實驗，是以AFCI是否在棉花點火之前斷開被保護線路作為AFCI合格與否的標準，當AFCI能在棉花著火之前斷開則認為AFCI樣機合格；若在高低壓循環通斷時間超過5min，AFCI未斷開且棉花未著火則認為實驗結果無法確定。

對于碳化路徑電弧斷開實驗，在高低壓循環通斷10s過程中，在0.5s內，電弧電流半波數達到8個半波時AFCI能夠斷開線路則認為其合格，若AFCI斷開時少于8個半波需重復實驗。

后者是利用開路電壓為7kV，短路電流為30mA的高壓變壓器和一臺開路電壓為2kV，短路電流為300mA的高壓變壓器分別組成兩個高壓通電回路，實現對電纜樣品進行碳化處理，使其絕緣表皮切口處形成碳化路徑通道；同時，利用100W燈泡通電回路對電纜樣品的碳化路徑通道形成效果進行檢測，以確定碳化路徑通道制作成功與否。

GB/T 31143—2014規定的相關碳化電弧實驗只需要第二種裝置。

3.2 電纜切割裝置

兩套標準規定的電纜切割裝置結構相同，如圖2所示。裝置由外形尺寸約為32mm×140mm的鋼刀、不導電的杠桿臂和底座、電纜樣品構成。當電纜樣品通電時，鋼刀與第一根電纜樣品接觸后繼續向下切割將與第二根電纜樣品產生電弧接觸。該裝置的實驗電流均在75A以上。

圖2 電纜切割裝置

兩套標準中關于電纜切割裝置的規定，不同之處在于鋼刀的尺寸、電纜樣品的規格和裝置的適用場合。UL 1699—2017規定鋼刀厚度為1.27mm，電纜樣品為兩條16AWG的SPT-2型電線和非金屬性保護套電纜（NM-B型），最大長度為1.22m；該裝置用于進行點接觸電弧實驗、串擾實驗和帶線路阻抗的屏蔽實驗，當電弧電流達到8個半波時，AFCI斷開則認為其合格。

GB/T 31143—2014規定的鋼刀厚度為3mm，電纜樣品可選用SPT-2和H05VVF的電纜，電纜的截面積按照表4規定，最大長度為1.2m；該裝置只用于進行切割電纜并聯電弧實驗，當AFDD斷開電弧故障時，滿足表2規定限值，則認為其合格。

表4

3.3 電弧發生器

電弧發生器結構，如圖3所示，由兩個電極組成，一個電極由碳石墨材料制成，另一個電極由銅材料制成，其中一個電極固定安裝，另一個電極可由手動或電機牽引移動。當兩個電極接入電路時，二者分開至一定距離將在電極之間產生電弧。

圖3 電弧發生器

兩套標準關于電弧發生器的規定，不同之處在于電極的直徑尺寸和適用的實驗類型不同。其中，UL 1699—2017規定的電極直徑為6.4mm，只用于除線路阻抗外的屏蔽實驗，同時AFCI的動作時間滿足規定的時間時，則認為其合格。而GB/T 31143—2014規定的電極直徑為6mm±0.5mm，且該裝置可用于串聯電弧故障實驗、屏蔽實驗和誤脫扣實驗，同時AFDD的動作時間規定的限值的2.5倍范圍內時認為合格。

4 結論

UL 1699標準是較為完善的電弧故障保護產品標準，將其與國家標準GB/T 31143—2014進行系統性的對比分析。由分析可知，二者在電弧故障發生裝置的設計及其適用范圍、實驗線路、實驗方法、實驗內容等方面具有較大區別，在對產品性能進行驗證時，要針對不同的標準內容對實驗設備進行獨立設計。