故障電弧探測器在智慧用電電氣防火領(lǐng)域的應用

　　1.  故障電弧

　　1.1什么是故障電弧

　　在了解故障電弧前，我們首先要清楚什么是電??？

　　電弧在我們的生活工作中是很常見(jiàn)的，比如電焊時(shí)的焊條電弧、電氣閘刀開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的接觸電弧和毛衣摩擦產(chǎn)生的靜電電弧等。電弧的本質(zhì)是：在外加電場(chǎng)的作用下，大量電子定向移動(dòng)將空氣擊穿導致的氣體游離放電，并伴隨強烈的弧光放電現象，這就是我們看到的電弧。

　　在清楚什么是電弧后，我們根據電弧的產(chǎn)生機理，將電弧分為好弧和壞弧。

　　好弧即為正常電弧，是電氣設備正常工作時(shí)產(chǎn)生的一種電弧，如上文舉例的焊條電弧，對電氣設備不產(chǎn)生影響。

　　壞弧就是故障電弧，主要是由于電氣線(xiàn)路或設備中絕緣老化破損、電氣連接松動(dòng)、空氣潮濕、電壓電流急劇升高等原因引起的。故障電弧持續時(shí)間長(cháng)，局部溫度高，能夠對電氣設備產(chǎn)生很大影響，并且能引起火災。在電氣設備保護中，故障電弧的防護是重中之重。

　　另外需要注意的是，有些電弧產(chǎn)生的原因是一樣的，但產(chǎn)生電弧時(shí)電氣設備的工作階段不同、電弧持續時(shí)間不同，對電弧判斷是好弧還是壞弧也是有差異的。如當我們將用電設備的插頭接入開(kāi)關(guān)插座時(shí)產(chǎn)生的電弧，產(chǎn)生原因是插頭和插座之間存在間隙，導致氣體放電，但由于放電時(shí)間短暫，緊密接觸之后設備正常工作，因此是正常電??；但如果插頭和插座接觸不良產(chǎn)生電弧，原因也是插頭和插座之間存在間隙，但電弧持續產(chǎn)生，導致設備異常工作，那這些電弧就變成了故障電弧。

　　1.2 故障電弧的分類(lèi)

　　故障電弧根據產(chǎn)生的位置可分為3類(lèi)，即串聯(lián)型電弧、并聯(lián)型電弧以及接地型電弧，如圖1.1所示。

　　圖1.1故障電弧分類(lèi)示意圖

　?。?）串聯(lián)型故障電弧

　　串聯(lián)型電弧故障往往發(fā)生在一根導線(xiàn)上，由于導線(xiàn)破損、接觸點(diǎn)松動(dòng)等造成的，因為電弧相當于一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，再和負載串聯(lián)，其電弧電流往往小于額定電流，不會(huì )引起過(guò)流保護器動(dòng)作，導致電弧持續存在。由于串聯(lián)電弧電流相對較小，其釋放的熱量一般不直接導致火災，但是當串聯(lián)電弧持續存在會(huì )使導線(xiàn)絕緣層碳化分解，引發(fā)危害性更大的并聯(lián)型電弧故障或是金屬性接觸短路。

　?。?）并聯(lián)型故障電弧

　　并聯(lián)型故障電弧發(fā)生在相線(xiàn)之間，例如當兩相線(xiàn)絕緣層遭遇雷電等產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓而擊穿、因為長(cháng)時(shí)間的被碳化在相線(xiàn)間形成碳化通路以及金屬穿刺切割相線(xiàn)都會(huì )產(chǎn)生并聯(lián)故障電弧。在線(xiàn)路阻抗較大的情況下，其電流幅值很難達到過(guò)流斷路器的動(dòng)作閾值，在此期間電弧將釋放大量的熱，其迸發(fā)的火花很容易點(diǎn)燃周?chē)目扇嘉?，直接導致火災發(fā)生。

　?。?）接地型故障電弧

　　配電系統中，接地型故障電弧引起的火災遠多于串并聯(lián)型故障電弧引起的火災，這是因為接地型故障電弧發(fā)生概率遠大于串并聯(lián)型故障電弧。例如，在電氣線(xiàn)路施工中，線(xiàn)路的絕緣外皮在穿鋼管拉電纜電線(xiàn)時(shí)，很容易因為摩擦導致其破損；又比如，線(xiàn)路對地的絕緣性能會(huì )長(cháng)期受雷電或電源的過(guò)電壓沖擊而下降，這些都大大增加了接地故障電弧發(fā)生幾率。其根本原因在于，配電線(xiàn)路導線(xiàn)間的絕緣水平往往高于線(xiàn)路對地的絕緣水平。

　　雖然接地型故障電弧導致火災的危害最大，但是因為是相線(xiàn)與地之間的電弧故障，會(huì )產(chǎn)生剩余電流，漏電斷路器對其有很好的防范作用。而傳統斷路器對串并聯(lián)電弧故障引起的火災難以防范，使得防范該類(lèi)電氣故障成為了國際消防領(lǐng)域需要突破的難點(diǎn)。

　　1.3 故障電弧的預防與監控

　　對預防故障電弧的產(chǎn)生，目前沒(méi)有相對有效可靠的方法。究其原因，故障電弧大多是由設備老化、線(xiàn)路絕緣層破損及連接松動(dòng)等因素所引起的。這些隱患一般藏于設備外殼、墻體或敷管橋架內，肉眼不易察覺(jué)，定期檢修成本巨大；而如連接松動(dòng)等現象又具有隨機性，因此無(wú)法做到有效的預防。

　　那無(wú)法預防故障電弧的產(chǎn)生，我們就對故障電弧束手無(wú)策了嗎？答案顯然是否定的。

　　根據故障電弧的產(chǎn)生原理可以發(fā)現一個(gè)特點(diǎn)：故障電弧的持續時(shí)間長(cháng)。利用這個(gè)特性，就可對故障電弧進(jìn)行監控，在故障電弧發(fā)生之后，及時(shí)切斷電源或報警，以達到消除故障電弧隱患的目的。

　　2.故障電弧探測器

　　2.1故障電弧探測器的歷史發(fā)展

　　由于故障電弧所造成的巨大危害，早在上世紀30年代，國外，特別是歐美等發(fā)達國家通過(guò)建立電弧的數學(xué)模型對故障電弧的特性進(jìn)行了不斷深入的理論研究。到了上世紀90年代，一些科學(xué)家通過(guò)故障電弧點(diǎn)附近常常伴隨著(zhù)聲、光、熱、電磁輻射和壓力等物理現象，利用溫度、聲音、光敏及壓力等傳感器，制作了故障電弧檢測系統，但這些系統主要用于防范低壓開(kāi)關(guān)柜中的故障電弧，對于配電線(xiàn)路中發(fā)生的故障電弧，由于其電流較小，物理現象微弱，而且燃弧位置難以預測，這些特點(diǎn)大大增加了低壓配電線(xiàn)路中故障電弧檢測的難度。

　　隨著(zhù)研究的深入，相關(guān)專(zhuān)家發(fā)現配電系統出現故障電弧時(shí)，線(xiàn)路中的電流、電壓波形會(huì )相應變化，因此開(kāi)始轉向了對電弧電流、電壓的檢測技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在電弧探測裝置的開(kāi)發(fā)方面也取得了較大的突破，特別是1999年美國率先頒布了用于規范AFCI產(chǎn)品（電弧故障斷路器，Arc Fault Circuit Interrupt）的 UL1699 標準以來(lái)，極大的推動(dòng)了電弧故障檢測技術(shù)的發(fā)展。

　　在我國，2014年國內標準GB14287.4《電氣火災監測系統第4部分：故障電弧探測器》、JB/T 11681《電弧故障檢測裝置（AFDD）的一般要求》相繼發(fā)布，極大的促進(jìn)了國內對于故障電弧監控裝置的研究發(fā)展，加快了該類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)推進(jìn)步伐，完善了我國在電氣防火領(lǐng)域的監控部署。

　　2.2故障電弧探測器的一般應用

　　GB 14287.4的規定，故障電弧探測器適用于工業(yè)與民用10kW及以下的電氣線(xiàn)路中。

　　GB50116-2013《火災自動(dòng)報警系統設計規范》中9.2.4 條規定：“具有探測線(xiàn)路故障電弧功能的電氣火災監控探測器，其保護的線(xiàn)路長(cháng)度不宜大于100米?！盙B 50116-2013 條文說(shuō)明中關(guān)于9.2.4條規定的說(shuō)明：“探測線(xiàn)路故障電弧功能的電氣火災監控探測器與保護對象的線(xiàn)路長(cháng)度決定了探測器是否可靠探測到故障電弧，因此做本條規定?！?/p>

　　GB50116-2013《火災自動(dòng)報警系統設計規范》中12.4.6 條規定：“電氣線(xiàn)路應設置電氣火災監控探測器，照明線(xiàn)路上應設置具有探測故障電弧功能的電氣火災監控探測器?！盙B 50116-2013 條文說(shuō)明中關(guān)于12.4.6條規定的部分說(shuō)明：“照明線(xiàn)路故障引起的火災占電氣火災的10%左右，此類(lèi)建筑的頂部較高，發(fā)生火災不容易被發(fā)現，也沒(méi)法在其上面設置其他探測器，只有設置具有探測故障電弧功能的電氣火災監控探測器，才能保證對照明線(xiàn)路故障引起的火災的有效探測”。

　　由以上國家標準條文的規定及要求，當前的故障電弧探測器的一般應用在線(xiàn)路長(cháng)度小于100米的照明線(xiàn)路中。但隨著(zhù)故障電弧探測技術(shù)的不斷實(shí)踐、發(fā)展，其應用場(chǎng)合將會(huì )不斷的擴大，包括各類(lèi)動(dòng)力線(xiàn)路、家庭配電線(xiàn)路、公共設施供電線(xiàn)路等都是未來(lái)的應用對象。

　　2.3故障電弧探測器的未來(lái)發(fā)展方向

　　總的來(lái)說(shuō)，國外在電弧性電氣火災檢測技術(shù)方面已經(jīng)日趨成熟，且相關(guān)產(chǎn)品面向市場(chǎng)多年，但是其檢測裝置的誤報率仍然限制著(zhù)產(chǎn)品的推廣和普及。國內在電弧性電氣火災檢測技術(shù)方面的研究還不是很成熟，一些公司推出的相關(guān)產(chǎn)品還有待市場(chǎng)檢驗，因此電弧性電氣火災檢測技術(shù)的發(fā)展還有很大的空間。

　　電弧性電氣火災檢測技術(shù)的研究旨在通過(guò)開(kāi)發(fā)一款能夠有效防范電弧性電氣火災的檢測裝置，來(lái)降低電氣火災的發(fā)生。那么其檢測的準確性、可靠性、實(shí)時(shí)性就顯得十分重要，未來(lái)的產(chǎn)品應以此三方面做更深入的研究與提高。

　　3.結束語(yǔ)

　　故障電弧探測器作為電氣火災監控領(lǐng)域的新起之秀，其未來(lái)的發(fā)展潛力是巨大的。但當前該類(lèi)探測器誤報率高、應用范圍小都是其不可忽略、必須解決的問(wèn)題。

　　產(chǎn)品走向成熟離不開(kāi)各領(lǐng)域的合作發(fā)展。合力共進(jìn)，未來(lái)可期！