关于电弧故障探测装置与应用的分析

　　 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。
　　3.2 国内消防标准和行标的一般区别与融合特征
　　3.2.1 一般区别
　　GB14287相关标准由公安部提出，归口到全国消防标准化技术委员会火灾探测和报警分技术委员会(SAC/TC113/SC6);JB/T XXXX-XXXX《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》由中国电器工业协会提出，由全国低压电器标准化技术委员会(SAC/TC189)归口。
　　标准简称的区别：所属于消防标准GB14287.4《电弧故障探测装置》简称为“AFD(Arcing Fault Detectors)”;低压电器产品标准中《电弧故障检测装置》简称为AFDD(Arc Fault Detection Device)。
　　标准应用范围的区别：GB14287.4归属于消防产品标准，即“电气火灾监控系统第四部分：故障电弧探测装置”，该标准适用于民用建筑中10kV及其以下电气线路中安装使用的故障电弧探测装置(AFD);行标“AFDD”适用于家用和类似用途的交流电路的电弧故障检测装置。
　　标准对产品功能要求的区别：GB14287.4中“AFD”以实现探测故障电弧报警为主要目的;行业标准“AFDD”以检测电弧故障并可立即断开保护电路为主要目的。其主要细节区别如下：
　　对于GB14287.4“AFD”中从对故障电弧报警功能的要求来看，其作为电气火灾监控探测器的一种类型显而易见，例如标准中对报警功能明确提出以下几点：
　　(1)被探测线路内若在1s内发生11个及其以上半周期的故障电弧，探测器应在30s内发出声、光报警信号和控制信号，声光报警信号应能保持，直至手动清除。
　　(2)探测器应设有一组控制输出，在检测到电弧故障时，控制输出应在1s内动作。
　　(3)探测器在误报警试验过程中，不应发出报警和控制信号。
　　(4)探测器在负载抑制性试验过程中，探测器应在30s内发出报警和控制信号。
　　在《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》中从结构类型分类可见，“AFDD”以检测电弧故障并可立即断开保护电路为主要目的应用。例如在其范围提出几个重要内容。
　　AFDD由制造商指定：
　　(1)作为在规定的条件下能断开被保护电路的带有断开机构的单一装置;
　　(2)或作为一种与保护电器组合在一起的单一装置;
　　(3)或作为独立单元，与已声明的保护电器(CB或RCCB或RCBO)现场组装的AFDD.
　　整体式的保护装置应是符合GB 10963.1的CB或符合GB 16916.1、GB 16917.1、GB 22794的RCD.
　　可以预见“AFD”在未来应用中更多依据建筑设计规范中对消防安全要求的考虑，需采用“AFD”。与此同时，随着“AFDD”技术的成熟化，未来该类产品将势必与漏电断路器一样在我国被普及应用。简而言之，消防标准中“AFD”要求比行业标准应用要求更为明确。
　　3.2.2 融合特征
　　无论是消防的“AFD”还是行业标准“AFDD”均是针对故障电弧的保护装置。两个标准均相应参考UL1699《电弧故障断路器(AFCI)》中的有关试验方法。消防的“AFD”产品与“AFDD”本身具有融合的特征，只是在针对采用符合的标准相应要求上有所区别。在《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》章节“4分类中：4.4选择性AFDD”指出，“选择性AFDD是一种在某些条件下不会脱扣，而允许其下端AFDD脱扣的AFDD。”同时在其章节“4分类：4.1根据结构类型分：4.1.3由符合附录D的AFD单元与符合一个或多个标准GB 10963.1、GB 16916.1、GB 16917.1、GB 22794的相关保护电器现场组装的AFDD。”其中所述的AFD单元这里指的是电弧故障检测单元(arc fault detection unit)，是AFDD的一部分，确保检测和辨别危险的接地电弧故障、并弧故障和串弧故障的功能;并驱动开关电器动作以断开电路。相比较GB14287.4中要求探测器(AFD)应在规定时间内发出声、光报警信号和控制信号而言，声光报警信号应能保持，直至手动清除。可见，GB14287.4“AFD”以监控报警为主要目的，对是否驱动开关电器动作以断开电路未作明确要求，而行标“AFDD”以检测断电为主要目的，对是否提供报警功能未作要求。
　　4 产品应用
　　随着人们对故障电弧认识的加深，相当一部分人意识到对故障电弧的防范已刻不容缓，建议加快推广使用故障电弧保护装置。例如，在古建筑群、古村落、商业老街、风景区、博物馆等重要建筑物中作为防火安全优先考虑产品。未来，随着故障电弧检测技术的进一步发展与应用的不断扩大，随之该类产品消费的价格水平能够惠及我国千家万户满足普通家庭安全用电需求。
　　巨邦电气有限公司作为消防电气及低压电器产品研发与制造企业，参与了行业标准会议及探讨，并在行业内率先推出电弧故障检测装置，包括电弧故障探测器、电弧故障断路器及监控系统方案。
　　(1)电弧故障探测器(AFD)
　　GTF系列电弧故障检测装置见图3，产品符合GB14287.2及GB14287.4标准。
　　该产品由AFD单元结合小型断路器设计，能对低压配电分支线路中可能由电弧、漏电及过流三大导致电气事故隐患进行报警防范与保护。产品具有LCD实时数据显示、漏电报警值可设置、可选择限流功能、无线组网及电能计量管理功能。产品可作为支路总保护使用。
　　(2)电弧故障断路器(AFCI)
　　GTAF01型AFCI产品见图4，最大应用额定电流63A及以下，能及时切断负载供电线路中产生短路、过载、电弧及漏电故障电源。产品具有LED状态指示、故障记忆、负载(>2A时)LED指示功能、漏电警示功能，能够实现无线组网及电能管理功能。产品符合GB16917.1及AFDD行业标准。
　　(3)监控系统
　　1)采用RF无线网络的AFD火灾隐患监控系统;
　　2)WIFI+LCD室内电气监测系统;
　　3)智能化网络系统平台。
　　采用在原有具备短路、过载、漏电等保护功能基础上增加具有故障电弧防护功能的保护电器或装置，在终端电气火灾事故防御上又增设了一道屏蔽防护网。
　　5 结束语
　　在民用、工业、交通等领域内都一定程度的存在着电弧威胁。由于电弧的能量大，对设备、人员的危害很大，但是目前的熔断器、断路器等保护装置只能对过流、短路等情况进行检测和保护，不能起到对电弧检测和保护的作用。因此，电弧检测和保护的需要很迫切，意义非常大，既有社会效益，也有经济效益，而且其应用的领域非常广泛。
　　目前，国内有几所高校在开展对故障电弧的研究，同时只有少数几家企业在电弧保护方面取得了一些成果，随着人们对电弧故障危害的认识及行业应用推广的加深，在家庭用电以及航空航天领域的电弧保护还有待进一步发展。