为三亿中国家庭安全用电保驾护航
技术论文

电弧故障探测与保护相关标准对比分析

作者:波官勇,虞胜财,王孝雨


1引言

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危险信号实质的一种判断。

本文基于现阶段两个国标:消防电子产品国标GB14287.4-2014《电弧故障探测装置》与低压电器产品国标GB/T 31143-2014《电弧故障保护电器AFDD一般要求》两个国标进行了比较,结合电弧故障探测装置(Arc Fault Detectors,AFD和电弧故障检测装置(Arc Fault Detection Device,AFDD产品未来发展对其应用进行了探讨。

2关于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:串型电弧、对地电弧以及并型电弧(见图1)。

                            (a)串型电弧            b)对地电弧              c并型电弧

1   故障电弧分类

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,造成火灾甚至爆炸。比如,《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,而由图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,而不能做出立即保护动作导致引发火灾事故。



2 故障电弧电流特性图

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有超过40000起,造成直接经济损失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也是指向“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(NEC2002210-12(A)(B)要求在新建建筑和老建筑的卧室安装这种AFCI断路器和AFCI墙插座,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,(21012B))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(2030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,并带来巨大的社会效益。

UL1699是美国用于规范AFCI产品标准,UL 1699发展于上世纪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AFCIcord AFCI)的应用。

国际标准方面,2007IEC开始研究此技术,2009年正式确定此产品为电弧故障检测装置(AFDD),开始起草相应的国际标准建议书,2013年国际电工委员会的IEC 62606:2013《电弧故障保护电器(AFDD)一般要求》第一版发布

在国内,早在七八十年代,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于年内报批。如今“故障电弧探测与保护”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GB14287.4-2014《电弧故障探测装置》已发布,相关设计标准GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》已发布实施。

3.2消防行业国标低压电器行业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,由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)归口GB/T 31143-2014《电弧故障保护器(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:所属于消防国标GB14287.4《电弧故障探测装置》简称为“AFDArcing Fault Detectors)”;低压电器产品国标中《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,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);GB/T 31143-2014《电弧故障保护器(AFDD)一般要求》AFDD”适用于家用和类似用途的交流电路的电弧故障保护电器

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;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GB14287.4AFD”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:

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。

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1 s内动作。

探测器在误报警试验过程中,不应发出报警和控制信号。

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。

从上述引用标准中的内容可见“AFD”以报警作为目的。

在《电弧故障保护器(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。例如在其范围明确提出:

AFDD可由制造厂设计为:

具有断开机构的单一装置,能在规定条件下断开被保护电路;或

作为一种与保护电器组合在一起的单一装置;或

作为独立单元,按专门与主保护设备(CB或RCCB或RCBO)现场组装的AFDD与声明的保护电器现场组装。

所组合的保护电器应是符合GB 10963.1的断路器或符合GB 16916.1、GB 16917.1、GB 22794的剩余电流保护器(RCD)

从上述引用标准中的内容可见“AFDD”要具有断开机构,能断开被保护电路。

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”。当前趋势,消防国标中对“AFD”应用要求会比低压电器国标“AFDD”应用要求更明确。与此同时随着“AFDD”技术的成熟化,未来该类产品势必与漏电断路器一样在我国被普及应用。

3.2.2融合特征

无论是消防的“AFD”还是低压电器的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,其融合特征相比较两个标准中的阐述即可见。

《电弧故障保护器AFDD)的一般要求》章节“4分类4.1根据结构类型分—“4.1.2AFD单元与符合GB 10963.1GB 16916.1GB 16917.1GB 227941个或多个标准的保护电器组合为单一装置的AFDD4.1.3由符合附录D、由AFD单元与规定的保护电器在现场组装而成的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,声光报警信号应能保持,直至手动清除。可见GB14287.4AFD”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,而国标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结束语

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。

随着人们对故障电弧认识的加深,使得相当一部分人意识到对故障电弧的防范刻不容缓,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。

目前,国内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。



参考文献

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[2] 电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求[S] .

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[5] 曾元超.(台湾)防范住家电气火灾新技术

[6] 任长宁,杨栋.低压配电线路中的电弧故障与防控[J] . 建筑电气,2012,(1).




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