故障電弧探測器在智慧用電電氣防火領域的應用

　　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的，比如電焊時的焊條電弧、電氣閘刀開關動作時的接觸電弧和毛衣摩擦產生的靜電電弧等。電弧的本質是：在外加電場的作用下，大量電子定向移動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產生的一種電弧，如上文舉例的焊條電弧，對電氣設備不產生影響。

　　壞弧就是故障電弧，主要是由于電氣線路或設備中絕緣老化破損、電氣連接松動、空氣潮濕、電壓電流急劇升高等原因引起的。故障電弧持續時間長，局部溫度高，能夠對電氣設備產生很大影響，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，有些電弧產生的原因是一樣的，但產生電弧時電氣設備的工作階段不同、電弧持續時間不同，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關插座時產生的電弧，產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生電弧，原因也是插頭和插座之間存在間隙，但電弧持續產生，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

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

　　圖1.1故障電弧分類示意圖

　?。?）串聯型故障電弧

　　串聯型電弧故障往往發生在一根導線上，由于導線破損、接觸點松動等造成的，因為電弧相當于一個動態電阻，再和負載串聯，其電弧電流往往小于額定電流，不會引起過流保護器動作，導致電弧持續存在。由于串聯電弧電流相對較小，其釋放的熱量一般不直接導致火災，但是當串聯電弧持續存在會使導線絕緣層碳化分解，引發危害性更大的并聯型電弧故障或是金屬性接觸短路。

　?。?）并聯型故障電弧

　　并聯型故障電弧發生在相線之間，例如當兩相線絕緣層遭遇雷電等產生的瞬態過電壓而擊穿、因為長時間的被碳化在相線間形成碳化通路以及金屬穿刺切割相線都會產生并聯故障電弧。在線路阻抗較大的情況下，其電流幅值很難達到過流斷路器的動作閾值，在此期間電弧將釋放大量的熱，其迸發的火花很容易點燃周圍的可燃物，直接導致火災發生。

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

　　雖然接地型故障電弧導致火災的危害最大，但是因為是相線與地之間的電弧故障，會產生剩余電流，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電弧故障引起的火災難以防范，使得防范該類電氣故障成為了國際消防領域需要突破的難點。

　　1.3 故障電弧的預防與監控

　　對預防故障電弧的產生，目前沒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、線路絕緣層破損及連接松動等因素所引起的。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，定期檢修成本巨大；而如連接松動等現象又具有隨機性，因此無法做到有效的預防。

　　那無法預防故障電弧的產生，我們就對故障電弧束手無策了嗎？答案顯然是否定的。

　　根據故障電弧的產生原理可以發現一個特點：故障電弧的持續時間長。利用這個特性，就可對故障電弧進行監控，在故障電弧發生之后，及時切斷電源或報警，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，特別是歐美等發達國家通過建立電弧的數學模型對故障電弧的特性進行了不斷深入的理論研究。到了上世紀90年代，一些科學家通過故障電弧點附近常常伴隨著聲、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關柜中的故障電弧，對于配電線路中發生的故障電弧，由于其電流較小，物理現象微弱，而且燃弧位置難以預測，這些特點大大增加了低壓配電線路中故障電弧檢測的難度。

　　隨著研究的深入，相關專家發現配電系統出現故障電弧時，線路中的電流、電壓波形會相應變化，因此開始轉向了對電弧電流、電壓的檢測技術的研究。經過十幾年的發展，在電弧探測裝置的開發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產品（電弧故障斷路器，Arc Fault Circuit Interrupt）的 UL1699 標準以來，極大的推動了電弧故障檢測技術的發展。

　　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》相繼發布，極大的促進了國內對于故障電弧監控裝置的研究發展，加快了該類產品的市場推進步伐，完善了我國在電氣防火領域的監控部署。

　　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與民用10kW及以下的電氣線路中。

　　GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》中9.2.4 條規定：“具有探測線路故障電弧功能的電氣火災監控探測器，其保護的線路長度不宜大于100米?！盙B 50116-2013 條文說明中關于9.2.4條規定的說明：“探測線路故障電弧功能的電氣火災監控探測器與保護對象的線路長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《火災自動報警系統設計規范》中12.4.6 條規定：“電氣線路應設置電氣火災監控探測器，照明線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 條文說明中關于12.4.6條規定的部分說明：“照明線路故障引起的火災占電氣火災的10%左右，此類建筑的頂部較高，發生火災不容易被發現，也沒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路長度小于100米的照明線路中。但隨著故障電弧探測技術的不斷實踐、發展，其應用場合將會不斷的擴大，包括各類動力線路、家庭配電線路、公共設施供電線路等都是未來的應用對象。

　　2.3故障電弧探測器的未來發展方向

　　總的來說，國外在電弧性電氣火災檢測技術方面已經日趨成熟，且相關產品面向市場多年，但是其檢測裝置的誤報率仍然限制著產品的推廣和普及。國內在電弧性電氣火災檢測技術方面的研究還不是很成熟，一些公司推出的相關產品還有待市場檢驗，因此電弧性電氣火災檢測技術的發展還有很大的空間。

　　電弧性電氣火災檢測技術的研究旨在通過開發一款能夠有效防范電弧性電氣火災的檢測裝置，來降低電氣火災的發生。那么其檢測的準確性、可靠性、實時性就顯得十分重要，未來的產品應以此三方面做更深入的研究與提高。

　　3.結束語

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

　　產品走向成熟離不開各領域的合作發展。合力共進，未來可期！