故障电弧探测器在智慧用电电气防火领域的应用

　　1.  故障电弧

　　1.1什么是故障电弧

　　在了解故障电弧前，我们首先要清楚什么是电弧？

　　电弧在我们的生活工作中是很常见的，比如电焊时的焊条电弧、电气闸刀开关动作时的接触电弧和毛衣摩擦产生的静电电弧等。电弧的本质是：在外加电场的作用下，大量电子定向移动将空气击穿导致的气体游离放电，并伴随强烈的弧光放电现象，这就是我们看到的电弧。

　　在清楚什么是电弧后，我们根据电弧的产生机理，将电弧分为好弧和坏弧。

　　好弧即为正常电弧，是电气设备正常工作时产生的一种电弧，如上文举例的焊条电弧，对电气设备不产生影响。

　　坏弧就是故障电弧，主要是由于电气线路或设备中绝缘老化破损、电气连接松动、空气潮湿、电压电流急剧升高等原因引起的。故障电弧持续时间长，局部温度高，能够对电气设备产生很大影响，并且能引起火灾。在电气设备保护中，故障电弧的防护是重中之重。

　　另外需要注意的是，有些电弧产生的原因是一样的，但产生电弧时电气设备的工作阶段不同、电弧持续时间不同，对电弧判断是好弧还是坏弧也是有差异的。如当我们将用电设备的插头接入开关插座时产生的电弧，产生原因是插头和插座之间存在间隙，导致气体放电，但由于放电时间短暂，紧密接触之后设备正常工作，因此是正常电弧；但如果插头和插座接触不良产生电弧，原因也是插头和插座之间存在间隙，但电弧持续产生，导致设备异常工作，那这些电弧就变成了故障电弧。

　　1.2 故障电弧的分类

　　故障电弧根据产生的位置可分为3类，即串联型电弧、并联型电弧以及接地型电弧，如图1.1所示。

　　图1.1故障电弧分类示意图

　　（1）串联型故障电弧

　　串联型电弧故障往往发生在一根导线上，由于导线破损、接触点松动等造成的，因为电弧相当于一个动态电阻，再和负载串联，其电弧电流往往小于额定电流，不会引起过流保护器动作，导致电弧持续存在。由于串联电弧电流相对较小，其释放的热量一般不直接导致火灾，但是当串联电弧持续存在会使导线绝缘层碳化分解，引发危害性更大的并联型电弧故障或是金属性接触短路。

　　（2）并联型故障电弧

　　并联型故障电弧发生在相线之间，例如当两相线绝缘层遭遇雷电等产生的瞬态过电压而击穿、因为长时间的被碳化在相线间形成碳化通路以及金属穿刺切割相线都会产生并联故障电弧。在线路阻抗较大的情况下，其电流幅值很难达到过流断路器的动作阈值，在此期间电弧将释放大量的热，其迸发的火花很容易点燃周围的可燃物，直接导致火灾发生。

　　（3）接地型故障电弧

　　配电系统中，接地型故障电弧引起的火灾远多于串并联型故障电弧引起的火灾，这是因为接地型故障电弧发生概率远大于串并联型故障电弧。例如，在电气线路施工中，线路的绝缘外皮在穿钢管拉电缆电线时，很容易因为摩擦导致其破损；又比如，线路对地的绝缘性能会长期受雷电或电源的过电压冲击而下降，这些都大大增加了接地故障电弧发生几率。其根本原因在于，配电线路导线间的绝缘水平往往高于线路对地的绝缘水平。

　　虽然接地型故障电弧导致火灾的危害最大，但是因为是相线与地之间的电弧故障，会产生剩余电流，漏电断路器对其有很好的防范作用。而传统断路器对串并联电弧故障引起的火灾难以防范，使得防范该类电气故障成为了国际消防领域需要突破的难点。

　　1.3 故障电弧的预防与监控

　　对预防故障电弧的产生，目前没有相对有效可靠的方法。究其原因，故障电弧大多是由设备老化、线路绝缘层破损及连接松动等因素所引起的。这些隐患一般藏于设备外壳、墙体或敷管桥架内，肉眼不易察觉，定期检修成本巨大；而如连接松动等现象又具有随机性，因此无法做到有效的预防。

　　那无法预防故障电弧的产生，我们就对故障电弧束手无策了吗？答案显然是否定的。

　　根据故障电弧的产生原理可以发现一个特点：故障电弧的持续时间长。利用这个特性，就可对故障电弧进行监控，在故障电弧发生之后，及时切断电源或报警，以达到消除故障电弧隐患的目的。

　　2.故障电弧探测器

　　2.1故障电弧探测器的历史发展

　　由于故障电弧所造成的巨大危害，早在上世纪30年代，国外，特别是欧美等发达国家通过建立电弧的数学模型对故障电弧的特性进行了不断深入的理论研究。到了上世纪90年代，一些科学家通过故障电弧点附近常常伴随着声、光、热、电磁辐射和压力等物理现象，利用温度、声音、光敏及压力等传感器，制作了故障电弧检测系统，但这些系统主要用于防范低压开关柜中的故障电弧，对于配电线路中发生的故障电弧，由于其电流较小，物理现象微弱，而且燃弧位置难以预测，这些特点大大增加了低压配电线路中故障电弧检测的难度。

　　随着研究的深入，相关专家发现配电系统出现故障电弧时，线路中的电流、电压波形会相应变化，因此开始转向了对电弧电流、电压的检测技术的研究。经过十几年的发展，在电弧探测装置的开发方面也取得了较大的突破，特别是1999年美国率先颁布了用于规范AFCI产品（电弧故障断路器，Arc Fault Circuit Interrupt）的 UL1699 标准以来，极大的推动了电弧故障检测技术的发展。

　　在我国，2014年国内标准GB14287.4《电气火灾监测系统第4部分：故障电弧探测器》、JB/T 11681《电弧故障检测装置（AFDD）的一般要求》相继发布，极大的促进了国内对于故障电弧监控装置的研究发展，加快了该类产品的市场推进步伐，完善了我国在电气防火领域的监控部署。

　　2.2故障电弧探测器的一般应用

　　GB 14287.4的规定，故障电弧探测器适用于工业与民用10kW及以下的电气线路中。

　　GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》中9.2.4 条规定：“具有探测线路故障电弧功能的电气火灾监控探测器，其保护的线路长度不宜大于100米。”GB 50116-2013 条文说明中关于9.2.4条规定的说明：“探测线路故障电弧功能的电气火灾监控探测器与保护对象的线路长度决定了探测器是否可靠探测到故障电弧，因此做本条规定。”

　　GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》中12.4.6 条规定：“电气线路应设置电气火灾监控探测器，照明线路上应设置具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器。”GB 50116-2013 条文说明中关于12.4.6条规定的部分说明：“照明线路故障引起的火灾占电气火灾的10%左右，此类建筑的顶部较高，发生火灾不容易被发现，也没法在其上面设置其他探测器，只有设置具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器，才能保证对照明线路故障引起的火灾的有效探测”。

　　由以上国家标准条文的规定及要求，当前的故障电弧探测器的一般应用在线路长度小于100米的照明线路中。但随着故障电弧探测技术的不断实践、发展，其应用场合将会不断的扩大，包括各类动力线路、家庭配电线路、公共设施供电线路等都是未来的应用对象。

　　2.3故障电弧探测器的未来发展方向

　　总的来说，国外在电弧性电气火灾检测技术方面已经日趋成熟，且相关产品面向市场多年，但是其检测装置的误报率仍然限制着产品的推广和普及。国内在电弧性电气火灾检测技术方面的研究还不是很成熟，一些公司推出的相关产品还有待市场检验，因此电弧性电气火灾检测技术的发展还有很大的空间。

　　电弧性电气火灾检测技术的研究旨在通过开发一款能够有效防范电弧性电气火灾的检测装置，来降低电气火灾的发生。那么其检测的准确性、可靠性、实时性就显得十分重要，未来的产品应以此三方面做更深入的研究与提高。

　　3.结束语

　　故障电弧探测器作为电气火灾监控领域的新起之秀，其未来的发展潜力是巨大的。但当前该类探测器误报率高、应用范围小都是其不可忽略、必须解决的问题。

　　产品走向成熟离不开各领域的合作发展。合力共进，未来可期！