为三亿中国家庭安全用电保驾护航
技术论文

对于电弧故障保护装置应用规范的探讨

作者:波官勇,任长宁,罗雷


引言

近年来 “故障电弧保护技术”无疑已成为防范电气火灾与民用保护开关电器技术中最热门项目之一。经过我国相关部门多年努力,由公安部沈阳消防研究所负责起草的国标GB14287.4-2014《电气火灾监控系统   第4部分:故障电弧探测》于2015年6月1日实施;由全国低压电器标准化委员会起草的行标JB/T 11681-2013《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》已于2014年7月1日开始实施、国标GB/T 31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)一般要求》于2015年4月1日实施,产品标准的出台为我国相关设备及产品研发、生产厂家指明了方向,但由于该类产品在我国尚属初期推广应用阶段,设计人员对故障电弧的安全防护认识还不足;同时由于该类型产品的机理特征所限,即对故障电弧与正常电弧的甄别与各类负载特性可能带来的不确定性以及故障电弧存在被抑制的可能性,对此一方面有必要提高民众对电弧危害的认识,同时应根据现有国内外技术加紧该类产品合理化应用规范的制定,在实际应用中为达到合理设计、防止误动作以及提高可靠性方面根据我国实情进行规范性应用指导,包括参考借鉴国外设计规范及安装规范等应用经验,让该类产品在我国的使用中发挥最大的社会效益。

电弧检测技术的机理

如今我们已知在较高的电弧电压及系统阻抗下,电弧电流很可能低于过流保护装置的脱扣电流即过流保护存在一定的局限性—常规的过流保护装置仅在故障电流/时间特性超出保护装置的脱扣特性时才有效。因此即使使用带有过流保护的剩余电流动作断路器(RCBO对于串联电弧故障由于串接的负载限制了电流值并联电弧如果发生在带电导体之间,并非接地故障,则不能被剩余电流保护电器检测到。



*作者简介:波官勇,男,工程师,主要从事消防电子产品及低压电器智能化技术。

随着电子技术的发展,利用高速微处理器通过对负载电压、电流波形的检测来识别故障电弧成为可能,最早该技术只能应用于对单一性负载线路进行保护,随着科技人员对电弧特性更深入的研究其应用范围才得以逐渐扩开。即便如此,鉴别电弧好坏包括正确识别正常操作电弧与故障电弧,即防止不能鉴别故障电弧与误判成为最大技术难点: (1)要区分好与坏的电弧即正常操作中允许的电弧及非正常电弧。例如必须从以下情况中辨别出有害电弧包括:瞬时峰值电流(如浪涌电流、荧光灯或电容器等)、电机启动、正常操作电弧开关操作或自动调温装置的运行灯丝烧断等以及串扰(如防止临近线路中发生的电弧引起的误动作)。(2)不能鉴别 :目前电弧故障检测技术大多基于对常规负载工作电流波形的研究,包括正常负载波形与故障电弧时的波形,但对于特殊负载可能就存在盲区导致误判(包括误动或不动),另一方面在复杂负载下对可能造成信号抑制(即使经过最严格标准检测合格的产品也不能完全保证)。正因为如此当前标准包括GB、IEC 、UL等标准对电弧故障保护装置下的线路负载负荷做了指导性界定:GB/T 31143-2014与IEC 62606:2013标准中规定电弧故障保护电器额定电流的优选值最大为63A[1]。UL1699:2008规定电弧故障断路器的最大额定电流为20A,线缆式电弧故障断路器的最大额定电流可为30A,应用于交流 120V,频率 60Hz 的电路 [2]。由此可见负载特性与电弧检测的可靠性有着紧密的关系,为提高可靠性其应用必须加以规范。

美国应用规范的借鉴

3.1电弧故障保护在美国的发展

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。搜集研究41000起住宅火灾电气火灾主要发生在3个区域:供配电设备及到用电点(插座与开关)的固定布线35%电源引线30%用电设备35%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”引发的火灾事故占电气火灾的83%。针对于此美国消费者产品安全委员会最早提出更好电路保护的呼吁促使保护电器制造商和UL实验室针对电弧保护,研制新产品并制定产品标准, 19992首部AFCI产品UL标准颁布即UL1699,电弧故障保护装置由此诞生

美国是最早将故障电弧保护装置纳入电气规范的国家,即美国家电气规范(National Electrical Code,简称NEC)NEC由美国消防协会(NFPA)编制并出版美国消防协会是负责编制和出版国家电气规范的专业组织NFPA制订有一系列的防火标准,NEC是273部NFPA系列国家防火规范(NFC)文件之一被全美50个州采用、使用和强制执行国家电气规范及其强制执行的主要功能,不只限于防火,也包括人身安全和财产安全的规定确保人员和财避免因用电造成危险

美国《国家电气规范》中对AFCI应用规范的演变历程:


时间
标准要求
NEC1999-NEC2002
所有的空调要安装AFCI插座以及住宅卧室内125V,单相,15-20A插座回路
NEC2005
规定住宅卧室内125V,单相,15-20A插座回路装设组合型AFCI
NEC2008-NEC2011
住宅中以下场所给插座供电的120V,单相,15-20A回路:家居房\图书室\娱乐室\餐厅\学习室\壁橱\起居室\卧室\走廊\会客室\阳光房\类似房间或区域.并在全美普及实施。
NEC2014
规定使用使用范围扩展至家庭宿舍、住宅单元所有120V,单相,15和20A的分支电区域并提出了具体允许安装方式,包括在分支回路起点装组合型保护整个分支电路;在已有分支回路的第1个插座装符合要求的插座型AFCI,以及对导线线径及允许传输长度等具体要求说明[3]


下图为美国NEC2008 要求AFCI新增的家庭强制安装区:

美国国家消防协会(NFPA)在2003年对安装AFCI运行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[4]

3.2NEC应用实例

1)住宅卧室与其他区域给插座供电的120V单相15-20A分支线路要求装设符合要求的组合型AFCI。


组合型AFCI保护整个分支回路

2)插座型AFCI:如果在过流保护电器与第1个插座之间的分支线路,采用金属管或满足NEC2014250.118要求的铠装布线,并使用金属插座盒和接线盒,应允许在第1个插座处安装插座型AFCI来保护其他分支回路端口。


采用金属管或铠装布线的火灾告警系统的单独回路可不装AFCI。

IEC与GB应用规范

4.1 IEC增加应用要求

全国建筑物电气装置标准化技术委员会负责将《建筑物电气装置 第4-42部分: 安全防护—热效应保护》IEC 62364-4-42转化为中国国标GB16895.2。IEC 60364-4-42 Amd.1 Ed.3.0《低压电气装置 安全防护 热效应保护》 中增加了AFDD内容。新增421.7节规定用符合IEC62606的AFDD自动断开危险电弧:规定住所中,应在卧室、儿童房和易燃的建筑材料内的电路等终端电路的始端安装AFDD来自动断开电源;推荐在谷仓、木材加工车间、造纸工厂;木结构建筑;火灾易蔓延的构筑物消防传播结构;危及不可替代品的珍贵物品的场所等安装AFDD[5]

该国标也正在修订中,与AFDD相关的规定也将被等同采用。

4.2 GB 50116中的要求

由公安部沈阳消防研究所主编的GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》中第9章条款:“9.2.4具有探测线路故障电弧功能的电气火灾监控探测器,其保护线路的长度不宜大于100m。”

4.3民规修订意见

即将升级为中国国标的《民用建筑电气设计规范》新增修订稿意见条文:“7.6.1-1低压配电线路应根据不同故障类型和具体工程要求装设短路保护、过负荷保护、接地故障保护、过电压及欠电压保护,电弧故障保护,作用于切断供电电源或发出报警信号. 可配置相应通信附件,将状态及具体故障信息上传到通信系统后台中。”

4.4有关直流标准

目前由住房和城乡建设部负责管理的JGJ/T 365-2015太阳能光伏玻璃幕墙电气设计规范》于2015年3月13日发布,实施日期:20151101日,其中条款:7.5.1光伏幕墙系统直流侧宜配置光伏用直流电弧故障断路器或能够提供等效保护功能的设备。

规范中对于条文说明:随着光伏系统的越来越广泛的使用,光伏系统防火问题也越来越突出。据美国保险商实验室UL和德国TUV的专家对光伏系统防火的调查和分析,引起火灾最多的原因是电弧,发生火灾的位置最多的是在光伏组件(包括组件接线盒和旁路二极管)和汇流箱,光伏系统火灾往往引发建筑物起火。为此,美国已于2009 年针对National Electrical Code (NEC) 2011中第690.11节提出了直流电弧故障保护要求,对应的产品标准为PHOTOVOLTAIC (PV) DC ARC-FAULT CIRCUIT PROTECTION》(光伏直流电弧故障电路保护UL1699B。因此规范建议条件许可时在光伏系统中安装直流电弧故障保护

结束语

电弧保护装置已纳入我国有关技术法规,包括产品及应用标准与规范,对于电气防火无疑又增添了新的技术手段,这必将为我国防范电气火灾发生带来深远而具有意义的影响。随着我国该类产品技术的逐渐成熟,也必将促进我国该类产品标准及应用规范的进一步发展与完善。电弧保护装置的网络化应用也将是时代发展的必然趋势。



参考文献

[1] IEC 62606:2013 General requirements for arc fault detection devices[s].

[2] UL1699:2008. Arc-Fault Circuit-Interrupters[s].

[3] 2014 NEC - National Electrical Code[s].

[4] 赵长征. 电气火灾防治与调查技术[C] . 2012-2014.

[5]International Electrotechnical Commission. IEC60364-4-42:CD Low-voltage electrical installations Protection for safety-Protection against thermal effects[s] .





南京雨花台区花神大道23号5号楼
联系我们
17712860385、13770994561
hantu@towaygo.com