故障电弧检测技术在电气火灾监控系统中的应用
王巍 黄武杰
（北京习羽杰创科技发展有限公司，北京 100070）
摘要：文章从电气火灾监控系统的基本功能入手，指出了目前该系统存在的不足之处。介绍了故障电弧检测技术的作用，以及该技术在电气火灾监控系统中的应用。
关键词：电气火灾监控系统；故障电弧检测技术
*
The Application of Arc-fault Detection for Electric Fire
Prevention
Wang Wei
Huang Wu Jie (Beijing Xiyu Jiechuang Technology Development Co.,Ltd.,Beijing,100070)
Abstract: The paper introuduces the basic function of alarm and control system for electric fire prevention,and point out the disadvantages of the system.The function of arc_fault detection technology and how to applicate the technology in electric fire prevention is also introduced.Key Words: Alarm and control system for electric fire ；Arc-fault detection technology
1.引言
2007~2009年我国发生429738起火灾，造成直接财产损失457110.7万元，死亡4374人，受伤2363人。对2007~2009年我国发生的429738起火灾的统计数据进行分析，将火灾的起火原因分为电气、生产作业、生活用火不慎、吸烟、玩火、自燃、雷击、静电、不明确原因、放火和其他等11种，从统计数据显示：电气引发火灾125947起占火灾总数的29.3%,是引发火灾的最主要的原因，多年来一直占据首位，居高不下，造成的直接损失达156785.5万元，占火灾总损失的23.86%。电气原因引发火灾一直是我们的关注点，也是火灾防治的重点。
电气火灾是由电气安全隐患、故障和违章安装、使用不当等引发的，而造成的故障包括过欠电压、过电流、短路、接点过热、击穿放电、漏电等等。多年电气火灾研究和火灾调查的实践证明，电气故障引发火灾主要有三种表现形式，即电接触引发火灾、电弧放电引发火灾和电热引发火灾；每次电气火灾是电接触、电弧放电和电发热单独或综合因素的结果。
为了加强电气火灾事故预防工作，有关部门相继制订或修改了有关标准规范，要求设置电气火灾监控系统。如在修订后的《高层民用建筑设计防火规范》9.5.1规定高层建筑内火灾危险
* 作者简介：王巍，男，硕士，主要从事故障电弧检测技术的研究及应用。 性大、人员密集等场所宜设置剩余电流动作电气火灾监控系统；《建筑设计防火规范》11.2.7条规定在影剧院、馆所、仓库、住宅小区、医院、商店、学校等场所宜设置剩余电流动作电气火灾监控系统
2.现有电气火灾监控系统的不足
2.1.现有电气火灾监控系统的组成
电气火灾监控系统主要有多功能漏电开关型、分离配置型、分离配置整合型等三种类型；基本组成包括：电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器；该系统能够对被保护线路中的电流、剩余电流、温度进行监视，并及时发现电气火灾隐患，预防电气火灾发生。
电气火灾监控系统集监视、报警、控制、集中管理与一体，监控探测器一般挂接在总线上的支路上，接受主控制器的命令，并传送全部信息；主控制器处理接收来的数据，监控被探测电气线路单相、三相电流，剩余电流，温度等参数的变化。当参数异常时，剩余电流互感器、温度传感器等终端检测元件对信息进行采集，并送到监控探测器里，超出设定值时即发出报警信号，同时输送到监控设备中，经进一步识别判定，当确认可能会发生火灾时，监控设备发出火灾报警信号，报警指示灯亮，发出报警音响，并在液晶显示屏上显示报警信息。
2.2.现有电气火灾监控系统的不足
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，可能无法检测到故障电弧或者无法迅速动作切断电源，极易引发火灾。 2.2.1 无法对串联故障电弧进行有效监测
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。任何连接都不是完整的金属实体，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。
目前电气火灾监控系统中的剩余电流探测器，其检测原理是监测线路中的剩余电流，然而当线路中发生串联故障电弧时，线路中的剩余电流不发生变化，导致电气火灾监控系统无法对该类故障电弧进行有效的监控。 2.2.2 无法对带电导体间的并联故障电弧进行有效监测
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，当在现有电气火灾监控系统中，被监测线路发生带电导体间的电弧性短路时，在电弧建立初期，由于电弧具有很大的阻抗和电压降，限制了故障电流，使得短路电流无法迅速上升到5~8 In以上，线路上的断路器无法及时可靠动作并切断电源，从而使电弧持续存在，增加了火灾发生的几率。 2.2.3 无法对电弧性对地短路进行有效监测
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故障电弧火灾。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。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。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。
虽然剩余电流式探测器可以检测到该类故障，但由于接地性故障电弧发生时，电流波形会发生畸变且故障电弧电流时有时无，导致剩余电流式探测器无法准确可靠地检测到该类故障；而且由于剩余电流式探测器检测周期较长，即便监测到该类故障时，可能已经引发起火。
3.故障电弧检测技术在电气防火中的应用
3.1故障电弧检测技术的作用
故障电弧检测技术，通过分析被监测线路上的电流信号，可以准确检测到线路上是否有串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧的发生。该技术在0.5s的时间内即可检测到线路上故障电弧的发生，可以在导线绝缘层和周围可燃物尚未燃烧前发出报警信号，有效降低了由于接触不良，绝缘老化，机械外力等因素导致的电气火灾发生的几率。
3.2故障电弧检测产品的设置位置
目前的故障电弧检测技术，还只能监测单相线路上发生的故障电弧，所以这决定了故障电弧检测产品只能设置在单相线路上，不能设置在三相线路上。
同时，由于故障电弧检测技术通过分析线路上的电流信号来判断是否有故障电弧发生，所以故障电弧检测产品不宜设置在额定电流过大的线路上。将故障电弧检测产品设置在额定电流过大的线路上，势必会带来两方面的影响：1.由于线路上同时工作的用电负载数量过多，且负载性质各不相同，这会造成多种形状的电流信号互相叠加，增加了检测产品误动作的几率。2.当线路工作电流过大时，在某一工作电流较小的支路上发生故障电弧，此时由于故障电弧电流幅度较小，其信号特征会被幅度大的干路工作电流所淹没，造成检测产品的拒动作。
3.3故障电弧检测产品与监控设备的连接
故障电弧检测产品与监控设备的连接，可以借鉴目前测温式探测器和剩余电流式探测器与监控设备之间的连接方式，将故障电弧探测器设置于楼层配电间处，负责一个区域内线路故障电弧的监测，通过二总线（RS485，CAN等方式）的连接方式与监控设备进行通讯，实时传输各个监控通道的状态，并接收监控设备发出的指令。
4.故障电弧检测技术在电气防火领域中的发展现状
4.1故障电弧检测技术开始被重视
故障电弧检测技术，最初被国内研究院所和厂家所认知，多是通过AFCI（故障电弧断路器） 和UL 1699标准。然而美国电网与中国电网的实际情况却相差很多，无论从电压，频率，配电系统结构等方面都有所不同，照搬UL 1699标准必然无法适应中国的实际情况。近些年来，国内研究院所和厂家，投入了大量的人力物力，在故障电弧引发火灾的机理，故障电弧模拟仿真，故障电弧检测方法，故障电弧试验平台，故障电弧检测产品实际工程应用等方面，都做了大量的研究和尝试，为故障电弧检测技术在国内的发展和应用奠定了坚实的基础。
4.2国家标准加快出台
2011年12月，在全国消防标准化技术委员会第六分技术委员会会议上，完成了对 GB 14287.4 《电气火灾监控系统 第4部分：故障电弧探测装置》征求意见稿的讨论。国家标准的加快出台，势必对故障电弧检测技术在电气防火领域中的推广和应用起到积极的促进作用，国家标准的实施更可大幅度降低由故障电弧导致电气火灾发生的数量和几率。
参考文献 ［1］邸曼，赵长征，张明.2007至2009年我国电气火灾统计分析的研究，电气火灾防治与调查技术：2011，2011，8:384-388 ［2］GB 50045-95 高层民用建筑设计防火规范 ［3］GB 50016-2006 建筑设计防火规范
［4］王厚余.低压电气装置的设计安装和检验.北京：中国电力出版社，2003.
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