电弧故障探测装置与应用

　　1 前言

　　对于电气火灾事故，终究以“光与热”现象出现。“电弧”即以“光”的现象展现“从弧光至燃烧”，如短路、接触不良、漏电、故障电弧导致的火灾。所以，检测故障电弧属于对造成电气火灾事故的危险信号实质的一种判断。

　　本文基于现阶段两个均在审批阶段的标准：消防电子产品标准《电弧故障探测装置》GB14287.4与低压电器产品行业标准JB/T XXXX《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》，结合AFD&AFDD产品未来发展之预见对其应用进行探讨，希望两个标准的发布实施对未来我国民众用电安全提供更强的保障。

　　2 电气系统中的故障电弧

　　电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中，电子的移动构成电流的主要部分。

　　根据电弧产生的机理，电弧可以分为2类：好弧(插拔电器时产生的弧等)和坏弧(故障电弧)。故障电弧主要是由于电线等电气绝缘老化、破损、空气潮湿等引起的气体击穿或者电气连接松动原因造成的。故障电弧根据电弧电流的强度，可以分为高水平电弧和低水平电弧。故障电弧根据弧产生的位置又可分为3类，即串型电弧、对地电弧以及并型电弧(如图1所示)。

　　电弧的特点是温度很高，电流相对很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧放电时会产生大量的热，能引燃周围的易燃易爆品，进而造成火灾甚至爆炸。比如，根据《中国火灾统计年鉴》显示，因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首，约有30%的火灾是由住宅电气线路老化或配置不合理造成的，并正以平均每年1%的速度持续上升，6.6%的人在使用插座板时曾有被电击的经历;美国联邦航空管理局(FAA)指出电气故障是无数商业飞机事故的主要问题;军方也认为电气故障是造成安全问题和飞机不能准时起飞的重要原因。在引起这些事故的电气原因中，电弧故障是主要的原因之一，而传统的熔断器和电子断路器不能满足电弧故障检测这个要求。这是因为目前的断路器主要以检测过载电流情况为主设计，即以“热保护”(I2Rt)为设计，而从图2可以发现，低水平电弧的电流很小，甚至小于额定电流，因此“以热保护”设计的断路器不会动作;而高水平电弧的电流虽然较大，但是故障电弧其燃弧持续时间往往不足以使传统断路器达到保护动作条件，不能做出立即保护动作引发火灾事故。

　　3 关于标准

　　3.1 国外标准与国内标准情况

　　在美国，根据CPSC(Consumer Product Safety commission美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾超过40000起，造成直接经济损失达16.8亿美元。

　　美国州消防署署长全国协会(简称NASFM)在后来的电气火灾原因调查研究报告中也指出，“故障电弧”占电气火灾的83%.

　　所以，为了有效减少电气火灾，美国电气规范(NEC2002)210-12(A)(B)要求在新建建筑和老建筑的卧室安装AFCI断路器和AFCI墙插座，而所有的空调要安装AFCI插座。因为安装后作用明显，所以NEC2008增加AFCI的使用范围，(210-12(B))要求，几乎分支电路都要求安装故障电弧断路器AFCI.

　　美国国家消防协会(NFPA)在2003年对安装AFCI的经济情况做出了结论：AFCI可以防范大约75%~80%的电气线路火灾，NFPA估算全美住家装设AFCI包含20年的老房子(每住家平均用175美元成本)，所花费的成本与未装设时预估会发生火灾的伤亡和财产损失相比较，总计整个社会(全美约二百万家庭)在AFCI寿命期(20~30年)内可以节省几乎双倍投入成本的好处，也就是可以给国家节省双倍的资金，而且还会带来巨大的社会效益。

　　UL1699是美国用于规范AFCI产品的标准，UL 1699发展于20世纪90年代，用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护，然而有研究发现，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UL1699可用于规范AFCI技术在普通断路器、墙式安装插座以及插头线AFCI(cord AFCI)。

　　国际标准方面，2007年IEC开始研究该技术，2009年正式确定此产品为电弧故障检测装置(AFDD)，并开始起草相应的国际标准建议书，而且还预先发布了AFDD的国际标准号IEC 62606.

　　在国内，早在二十世纪七八十年代，我国电气行业中就有一些工程技术人员对故障电弧危害具有一定认识，但由于当时技术条件限制及对危害认识的不足未能开展相关研究工作。进入九十年代，不少业内人士关注美国相关故障电弧技术及产品的发展，直至2000年初国内才有少数技术人员开展实质性研究工作。2010年全国低压电器标准化委员会(SAC/TC189)其项目组开始对AFDD进行研究和相关试验，同时持续进行国际标准的跟踪和研究。2013年，低压电器标准化委员会将《电弧故障保护电器(AFDD)一般要求》纳入年内国家标准制修订计划项目。如今，“故障电弧探测装置”已成为消防产业及低压电器行业关注的焦点技术之一。经过国家相关部门多年努力，现阶段两个均在审批阶段的标准：消防电子产品标准GB14287.4《电弧故障探测装置》与低压电器产品行业标准JB/T XXXX《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》预计年内都有望发布实施。