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弧？

    電弧在我們的生活工作中是很常見的，比如電焊時(shí)的焊條電弧、電氣閘刀開關(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(dǎo)致的氣體游離放電，并伴隨強(qiáng)烈的弧光放電現(xiàn)象，這就是我們看到的電弧。

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

    好弧即為正常電弧，是電氣設(shè)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(duì)電氣設(shè)備不產(chǎn)生影響。

    壞弧就是故障電弧，主要是由于電氣線路或設(shè)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(xù)時(shí)間長(zhǎng)，局部溫度高，能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備產(chǎn)生很大影響，并且能引起火災(zāi)。在電氣設(shè)備保護(hù)中，故障電弧的防護(hù)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(shè)備的工作階段不同、電弧持續(xù)時(shí)間不同，對(duì)電弧判斷是好弧還是壞弧也是有差異的。如當(dāng)我們將用電設(shè)備的插頭接入開關(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(dǎo)致氣體放電，但由于放電時(shí)間短暫，緊密接觸之后設(shè)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(xù)產(chǎn)生，導(dǎo)致設(shè)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(jù)產(chǎn)生的位置可分為3類，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故障電弧分類示意圖

    （1）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(dǎo)線上，由于導(dǎo)線破損、接觸點(diǎn)松動(dòng)等造成的，因?yàn)殡娀∠喈?dāng)于一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，再和負(fù)載串聯(lián)，其電弧電流往往小于額定電流，不會(huì)引起過流保護(hù)器動(dòng)作，導(dǎo)致電弧持續(xù)存在。由于串聯(lián)電弧電流相對(duì)較小，其釋放的熱量一般不直接導(dǎo)致火災(zāi)，但是當(dāng)串聯(lián)電弧持續(xù)存在會(huì)使導(dǎo)線絕緣層碳化分解，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。

    （2）并聯(lián)型故障電弧

    并聯(lián)型故障電弧發(fā)生在相線之間，例如當(dāng)兩相線絕緣層遭遇雷電等產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓而擊穿、因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)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(huì)產(chǎn)生并聯(lián)故障電弧。在線路阻抗較大的情況下，其電流幅值很難達(dá)到過流斷路器的動(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)燃周圍的可燃物，直接導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。

    （3）接地型故障電弧

    配電系統(tǒng)中，接地型故障電弧引起的火災(zāi)遠(yuǎn)多于串并聯(lián)型故障電弧引起的火災(zāi)，這是因?yàn)榻拥匦凸收想娀“l(fā)生概率遠(yuǎn)大于串并聯(lián)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(shí)，很容易因?yàn)槟Σ翆?dǎo)致其破損；又比如，線路對(duì)地的絕緣性能會(huì)長(zhǎng)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(fā)生幾率。其根本原因在于，配電線路導(dǎo)線間的絕緣水平往往高于線路對(duì)地的絕緣水平。

    雖然接地型故障電弧導(dǎo)致火災(zāi)的危害*，但是因?yàn)槭窍嗑€與地之間的電弧故障，會(huì)產(chǎn)生剩余電流，漏電斷路器對(duì)其有很好的防范作用。而傳統(tǒng)斷路器對(duì)串并聯(lián)電弧故障引起的火災(zāi)難以防范，使得防范該類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(yù)防與監(jiān)控

    對(duì)預(yù)防故障電弧的產(chǎn)生，目前沒有相對(duì)有效可靠的方法。究其原因，故障電弧大多是由設(shè)備老化、線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(shè)備外殼、墻體或敷管橋架內(nèi)，肉眼不易察覺，定期檢修成本巨大；而如連接松動(dòng)等現(xiàn)象又具有隨機(jī)性，因此無法做到有效的預(yù)防。

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

    根據(jù)故障電弧的產(chǎn)生原理可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)特點(diǎn)：故障電弧的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。利用這個(gè)特性，就可對(duì)故障電弧進(jìn)行監(jiān)控，在故障電弧發(fā)生之后，及時(shí)切斷電源或報(bào)警，以達(dá)到消除故障電弧隱患的目的。

    2．故障電弧探測(cè)器

    2.1故障電弧探測(cè)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(jì)30年代，國外，特別是歐美等發(fā)達(dá)國家通過建立電弧的數(shù)學(xué)模型對(duì)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(jì)90年代，一些科學(xué)家通過故障電弧點(diǎn)附近常常伴隨著聲、光、熱、電磁輻射和壓力等物理現(xiàn)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(cè)系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)主要用于防范低壓開關(guān)柜中的故障電弧，對(duì)于配電線路中發(fā)生的故障電弧，由于其電流較小，物理現(xiàn)象微弱，而且燃弧位置難以預(yù)測(cè)，這些特點(diǎn)大大增加了低壓配電線路中故障電弧檢測(cè)的難度。

    隨著研究的深入，相關(guān)專家發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障電弧時(shí)，線路中的電流、電壓波形會(huì)相應(yīng)變化，因此開始轉(zhuǎn)向了對(duì)電弧電流、電壓的檢測(cè)技術(shù)的研究。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在電弧探測(cè)裝置的開發(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(guī)范AFCI產(chǎn)品(電弧故障斷路器,ArcFaultCircuitInterrupt)的UL1699標(biāo)準(zhǔn)以來，極大的推動(dòng)了電弧故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

    在我國，2014年國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB14287.4《電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第4部分：故障電弧探測(cè)器》、JB/T11681《電弧故障檢測(cè)裝置（AFDD）的一般要求》相繼發(fā)布，極大的促進(jìn)了國內(nèi)對(duì)于故障電弧監(jiān)控裝置的研究發(fā)展，加快了該類產(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(jiān)控部署。

    2.2故障電弧探測(cè)器的一般應(yīng)用

    GB14287.4的規(guī)定，故障電弧探測(cè)器適用于工業(yè)與民用10kW及以下的電氣線路中。

    GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中9.2.4條規(guī)定：“具有探測(cè)線路故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，其保護(hù)的線路長(zhǎng)度不宜大于100米。”GB50116-2013條文說明中關(guān)于9.2.4條規(guī)定的說明：“探測(cè)線路故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器與保護(hù)對(duì)象的線路長(zhǎng)度決定了探測(cè)器是否可靠探測(cè)到故障電弧，因此做本條規(guī)定。”

    GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中12.4.6條規(guī)定：“電氣線路應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，照明線路上應(yīng)設(shè)置具有探測(cè)故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。”GB50116-2013條文說明中關(guān)于12.4.6條規(guī)定的部分說明：“照明線路故障引起的火災(zāi)占電氣火災(zāi)的10%左右，此類建筑的頂部較高，發(fā)生火災(zāi)不容易被發(fā)現(xiàn)，也沒法在其上面設(shè)置其他探測(cè)器，只有設(shè)置具有探測(cè)故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，才能保證對(duì)照明線路故障引起的火災(zāi)的有效探測(cè)”。

    由以上國家標(biāo)準(zhǔn)條文的規(guī)定及要求，當(dāng)前的故障電弧探測(cè)器的一般應(yīng)用在線路長(zhǎng)度小于100米的照明線路中。但隨著故障電弧探測(cè)技術(shù)的不斷實(shí)踐、發(fā)展，其應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)不斷的擴(kuò)大，包括各類動(dòng)力線路、家庭配電線路、公共設(shè)施供電線路等都是未來的應(yīng)用對(duì)象。

    2.3故障電弧探測(cè)器的未來發(fā)展方向

    總的來說，國外在電弧性電氣火災(zāi)檢測(cè)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(cè)裝置的誤報(bào)率仍然限制著產(chǎn)品的推廣和普及。國內(nèi)在電弧性電氣火災(zāi)檢測(cè)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(yàn)，因此電弧性電氣火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展還有很大的空間。

    電弧性電氣火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)的研究旨在通過開發(fā)一款能夠有效防范電弧性電氣火災(zāi)的檢測(cè)裝置，來降低電氣火災(zāi)的發(fā)生。那么其檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性就顯得十分重要，未來的產(chǎn)品應(yīng)以此三方面做更深入的研究與提高。

    3．結(jié)束語

    故障電弧探測(cè)器作為電氣火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域的新起之秀，其未來的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?。但?dāng)前該類探測(cè)器誤報(bào)率高、應(yīng)用范圍小都是其不可忽略、必須解決的問題。