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?。?/p>

    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(guān)動作時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：在外加電場的作用下，大量電子定向移動將空氣擊穿導(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)備正常工作時產(chǎn)生的一種電弧，如上文舉例的焊條電弧，對電氣設(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、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)時間長，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)生電弧時電氣設(shè)備的工作階段不同、電弧持續(xù)時間不同，對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，但由于放電時間短暫，緊密接觸之后設(shè)備正常工作，因此是正常電弧；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、接觸點松動等造成的，因為電弧相當(dāng)于一個動態(tài)電阻，再和負(fù)載串聯(lián)，其電弧電流往往小于額定電流，不會引起過流保護(hù)器動作，導(dǎo)致電弧持續(xù)存在。由于串聯(lián)電弧電流相對較小，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(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)，這是因為接地型故障電弧發(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，很容易因為摩擦導(dǎo)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(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*，但是因為是相線與地之間的電弧故障，會產(chǎn)生剩余電流，漏電斷路器對其有很好的防范作用。而傳統(tǒng)斷路器對串并聯(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。

    1.3故障電弧的預(yù)防與監(jiān)控

    對預(yù)防故障電弧的產(chǎn)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(shè)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(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)一個特點：故障電弧的持續(xù)時間長。利用這個特性，就可對故障電弧進(jìn)行監(jiān)控，在故障電弧發(fā)生之后，及時切斷電源或報警，以達(dá)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(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，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(guān)專家發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障電弧時，線路中的電流、電壓波形會相應(yīng)變化，因此開始轉(zhuǎn)向了對電弧電流、電壓的檢測技術(shù)的研究。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在電弧探測裝置的開發(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，極大的推動了電弧故障檢測技術(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)測系統(tǒng)第4部分：故障電弧探測器》、JB/T11681《電弧故障檢測裝置（AFDD）的一般要求》相繼發(fā)布，極大的促進(jìn)了國內(nèi)對于故障電弧監(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故障電弧探測器的一般應(yīng)用

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

    GB50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中9.2.4條規(guī)定：“具有探測線路故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，其保護(hù)的線路長度不宜大于100米。”GB50116-2013條文說明中關(guān)于9.2.4條規(guī)定的說明：“探測線路故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器與保護(hù)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(guī)定。”

    GB50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(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)控探測器，照明線路上應(yīng)設(shè)置具有探測故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。”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)置其他探測器，只有設(shè)置具有探測故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，才能保證對照明線路故障引起的火災(zāi)的有效探測”。

    由以上國家標(biāo)準(zhǔn)條文的規(guī)定及要求，當(dāng)前的故障電弧探測器的一般應(yīng)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(shù)的不斷實踐、發(fā)展，其應(yīng)用場合將會不斷的擴(kuò)大，包括各類動力線路、家庭配電線路、公共設(shè)施供電線路等都是未來的應(yīng)用對象。

    2.3故障電弧探測器的未來發(fā)展方向

    總的來說，國外在電弧性電氣火災(zāi)檢測技術(shù)方面已經(jīng)日趨成熟，且相關(guān)產(chǎn)品面向市場多年，但是其檢測裝置的誤報率仍然限制著產(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)品還有待市場檢驗，因此電弧性電氣火災(zāi)檢測技術(shù)的發(fā)展還有很大的空間。

    電弧性電氣火災(zāi)檢測技術(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)的檢測裝置，來降低電氣火災(zāi)的發(fā)生。那么其檢測的準(zhǔn)確性、可靠性、實時性就顯得十分重要，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)前該類探測器誤報率高、應(yīng)用范圍小都是其不可忽略、必須解決的問題。