浅谈故障电弧检测技术在电气火灾监控中的应用
【摘要】：文章从故障电弧引起的火灾入手，介绍了AFCI产品功能及相关检测标准UL1699，并结合电气火灾监控系统的特点，探讨了电气火灾监控中故障电弧检测装置应具有的功能。
【关键词】：故障电弧；AFCI；电气火灾监控系统
1. 引言
随着我国社会的进步和城市化进程的不断加快，电能的生产和使用量也在逐年递增，已经成为我国最主要的能源。但是，伴随电气化进程的加快，电气火灾隐患日益突出，重、特大电气火灾事故也时有发生。
据公安部消防局火灾数据统计显示：2007年电气火灾事故占到火灾总数的28.8%，2008年电气火灾事故占到火灾总数的30.1%，由此可见，电气火灾已经成为各种火灾的主要灾害源，且有逐年增高的趋势。对于严峻的电气火灾形势，早期预测以及电气防火成为消防工作的重中之重。
许多严重的火灾事故是由线路中低于额定电流或预期短路电流的故障电弧引起的。这些危险的电弧可能发生在设计不合理的或者老化的供电线路上、电器插头以及家用电器的电源线，内部线束或零部件绝缘上。当故障电弧发生时，线路上的漏电、过流和短路等保护装置，可能无法检测到该故障或者无法迅速动作切断电源，极易引发火灾。
2. 故障电弧的基本知识
2.1. 电弧以及故障电弧
电弧是一种绝缘体被电压击穿后，由不导电变得导电，并且发光发热的自然现象。电弧现象在自然界存在的非常普遍，比如闪电，开关、触头的分断，而且人们也利用了电弧的特性制造出了很多的产品，比如日光灯，电弧焊等。上述的这些电弧，是用来为人类服务的，或者电弧的出现并不会引起火灾而导致生命财产安全，这种电弧我们称之为好弧。还有一种电弧，这种电弧是由于线路绝缘老化、接触不良、错误的电气连接等因素而导致的。这种电弧的出现具有随机性，不受人为控制，当这种电弧出现时，电弧具有的高温高热和喷溅出的金属熔化物，极易引燃周围的可燃物而导致火灾，这种电弧我们称之为故障电弧（或者叫坏弧）。对于不会引发火灾的好弧我们应当利用或者对其加以人为控制，而对于容易引发火灾的故障电弧（坏弧），则应当立即予以清除或保护。
2.2. 故障电弧的危害
故障电弧的最主要危害是引发火灾，当故障电弧产生时，其中心温度高达3000℃～4000℃，并且伴有金属熔化物喷溅出来。故障电弧产生的高温高热，极易引燃线路绝缘导致线路起火，如果在故障点附近存在有可燃物时，也极易引燃可燃物而导致火灾的发生。另一方面，故障电弧发生时，会导致线路电压的波动以及线路电流的突变，这些原因也很容易导致用电设备工作不稳定或设备故障。
3. 故障电弧导致电气火灾的成因
3.1. 连接不良
建筑电气的线路工程一般由入户线、配电盘（柜）（含断路器、电能表计）、建筑物内分支线路导线、墙壁插座、开关、固定安装的电器等组成——各部件之间必须通过连接实现导通。换言之，线路工程由多少设备和器件构成，就会出现多少个电气连接点，有些部件，比如开关、断路器、插座等，其内部与外部均涉及电路连接。
任何连接都不是完整的金属实体，而是由两部分及以上的导体构成的，实现连接的过程都会受到人为加工和外界因素的影响，包括接触力，接触面材料及接触面积状态（氧化，灰尘，油污等）等。与电气系统其他部分相比，电气连接点在电气连通、机械强度和保护措施三方面都是最薄弱或最易出现故障的环节，会直接导致电弧或发热，进而引起电气火灾。
3.2. 带电导体的电弧性短路起火
电弧性短路的发生有多种形式，例如当电气线路的两线芯相互接触而短路时，线芯未焊死而融化成团，两熔化金属团收缩脱离时可能建立电弧。又如线路绝缘水平严重下降，雷电产生的瞬态过电压或电网故障产生的暂态过电压都可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧。
电弧性短路的起火危险远大于金属性短路的起火危险，这是因为电弧具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流，使过电流防护电器不能动作或不能及时动作来切断电源，使电弧持续存在。带电导体（相线、中性线）间的短路不像接地故障的短路可用RCD来切断电源，它只能靠过电流防护电器来切断电源，而过电流防护电器对电流不大的电弧性短路是难以可靠动作的。
3.3. 接地故障电弧起火
在电气线路短路起火中，接地故障电弧引起的火灾远多于带电导体间的电弧火灾。这首先是因为接地故障发生的几率远大于带电导体间短路的几率。在电气线路施工中，穿钢管拉电线时带电导体绝缘外皮与钢管间的摩擦使绝缘磨薄或受损。另外，发生雷击时地面上出现的瞬变电磁场，它对电气线路将感应瞬态过电压。所以无论从机械的或电的原因进行分析，线路对地的绝缘水平总是低于带电导体间的绝缘水平，发生接地故障的几率也远高于带电导体间短路的几率。
问题还不只在于此，一旦发生接地故障，由它引发产生的危险电弧的几率也远远大于带电导体间产生危险电弧的几率，这可用下图说明。
图1.PE线连接点导电不良示意图
图1中a，b，c和d各为相线、中性线和PE线的连接端子。a、b两端子如果连接不良或不导电，设备将不运转或运转不正常，可及时觉察予以修复，不会引发事故。但PE线端子c、d不导电或导电不良却不易觉察，设备仍能照常运转，这时c、d端子的连接不良成为一个事故隐患而持续存在。若一旦由于绝缘损坏发生相线碰外壳接地故障，如果c、d端子不导电，设备外壳将对地带相电压而导致电击事故。如果c、d端子连接松动导电不良，端子处将迸发电火花或电弧（延续和集中的电火花即为电弧），很容易引燃近旁可燃物从而导致起火。
3.4. 爬电起火
爬电也是导体间的燃弧现象，但它不是建立在空气间隙中的电弧，而是出现在设备绝缘表面上的电弧。绝缘表面爬电是缓慢形成的一种绝缘故障。设备工作环境中的空气中如含有潮气，当空气由热变冷时，潮气就凝结在绝缘表面，在两导体间形成能微弱导电的液膜。两导体间因电位差而产生很小的爬电电流，电流的热效应使液体汽化，电流被切断，但液膜中的盐分和导电尘埃等却遗留在绝缘表面上。这一过程周而复始，遗留在绝缘表面上的盐分和导电尘埃不断增多，导电性也随之提高，使爬电电流缓慢增大。当导电性达到一定程度时，即使不存在水分的绝缘表面也能导电。电流产生的热量能使绝缘炭化，绝缘表面将出现星星火花而逐渐形成爬弧。它不但能使绝缘失效、设备损坏，若近旁有可燃物也可引燃起火。 4. 可预防电气火灾的电弧故障断路器（AFCI）
4.1. AFCI及UL1699介绍
在北美地区，目前对电弧故障的保护措施是安装电弧故障断路器，简称AFCI（Arc Fault Circuit Interrupter）。AFCI是一种新型的防火装置，它不但可以检测出线路及用电设备内的故障电弧，同时可以将正常的操作电弧（如开关的分断、电机旋转产生的电弧等）和故障电弧区分开来。当线路上发生故障电弧时及时切断电源，防止由于故障电弧而引发的火灾。目前AFCI产品种类主要有支路式，组合式，插头式等。UL1699是UL针对AFCI产品而颁布的检测标准，该标准中对AFCI产品在故障电弧检测，误动作测试及操作屏蔽测试等方面均做了较全面的要求。鉴于10多年来UL1699在美国电气防火方面取的较好效果，IEC及中国也开始将编制相关故障电弧检测标准提上议事日程。
4.2. UL1699在中国国内的适用性
UL1699是目前全球唯一的一部已经颁布并实施的针对电弧故障断路器的检测标准。并且在美国、加拿大、墨西哥等北美地区已经开始强制使用，经过多年的使用积累，在预防由于故障电弧引起的电气火灾上，确实起到了很好的预防效果。
虽然UL1699在美国取得了较好的预防电气火灾的效果，但这是否就意味着UL1699标准同样适用于中国呢？首先，应当肯定UL1699标准在预防故障电弧导致火灾发生方面做出的成绩，它是全球第一部针对故障电弧保护装置的检测标准，已经在北美地区执行了13年，并且欧洲以及中国国内编写的相关故障电弧检测标准，也均是在参考和借鉴UL1699标准的基础上形成的。然而另一方面，中国与美国的实际使用情况又有许多不同之处。第一，美国的供电电压为120V/60Hz，而我国供电电压为220V/50Hz。第二，中国和美国的配电系统以及接地系统也不完全相同。第三，由于中国很多用电负载没有通过EMC电磁兼容认证，所以导致国内电网的电能质量不尽如人意。这些因素都导致我们不能确定UL1699标准一定完全适用于中国的实际情况，只有通过大量的实践、数据积累以及深层次的分析，才能得出确切的结论。
5. 故障电弧检测技术在电气火灾监控系统中的应用
5.1. AFCI在电气火灾监控系统中的使用局限性
AFCI虽然可以起到保护电弧故障，防止电气火灾发生的作用，但它是一种独立应用的产品，而且在电弧故障发生时立即切断电源，这与目前电气火灾监控系统作为一个服务型系统，强调“只报警不切断”的系统理念，还是有差距的。目前，智能高层建筑、公共建筑等都推行智能管理，对供电的可靠性、安全性、灵活性提出了更高的要求，而传统的切断电源的保护装置对复杂的保护方式难以实现智能化的保护功能。
5.2. 故障电弧检测装置在电气火灾监控系统中的应用
在电气火灾监控系统中应用的故障电弧检测装置，不应在发现故障电弧时立即切断电源，
而应更多地与电气火灾监控设备进行数据的交换，将报警信息、报警时间，故障电弧相关检测数据上传至监控设备，由监控设备结合其他检测装置的上传数据，集中进行分析和判断。即便使用带有脱扣装置的故障电弧检测装置，脱扣指令也应由监控设备来下达。
由于目前的故障电弧检测技术只能监测单相220V，额定电流小于63A线路中的故障电弧，所以故障电弧检测装置更多地用于监控末端供电线路及用电负载。其特点是安装数量多，如果一台监控探测器可连接的故障电弧检测装置数量过少，则将导致整个系统的成本上升。所以，可连接较多数量故障电弧检测装置的监控探测器是一种比较经济可行的方式。 6. 展望
目前，公安部沈阳消防研究所已经开始建立电气线路典型故障试验台，开始对典型故障电弧特性进行系统试验研究，进一步建立电气线路典型故障电弧特征数据库，这将为国内电弧故障检测装置的研究开发奠定坚实的基础。为减少和避免电气火灾的发生，最大限度地保护国家财产和人民群众的生命安全都将起到重要的作用。