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故障电弧探测器在电器火灾预防中的应用

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故障电弧探测装置的产生背景


1.故障电弧探测的必要性

电气火灾监控系统的基本组成包括: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。但许多严重的火灾事故仅仅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或者老化的供电线路、电器插头以及家用电器的电源线、内部线束或零部件绝缘。当故障电弧发生时,线路上的漏电、过流和短路等保护装置,可能无法检测到或者无法迅速动作切断电源,极易引发火灾。


2.故障电弧最主要的危害是引发火灾

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,极易引燃线路绝缘层导致线路起火,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。


3.电气火灾监控系统无法监测的几类故障电弧

(1)串联型故障电弧

串联型电弧故障往往发生在一根导线上,由于导线破损、接触点松动等造成的,因为电弧相当于一个动态电阻,再和负载串联,其电弧电流往往小于额定电流,不会引起过流保护器动作,导致电弧持续存在。由于串联电弧电流相对较小,其释放的热量一般不直接导致火灾,但是当串联电弧持续存在会使导线绝缘层碳化分解,引发危害性更大的并联型电弧故障或是金属性接触短路。


(2)并联型故障电弧

并联型故障电弧发生在相线之间,例如当两相线绝缘层遭遇雷电等产生的瞬态过电压而击穿、因为长时间的被碳化在相线间形成碳化通路以及金属穿刺切割相线都会产生并联故障电弧。在线路阻抗较大的情况下,其电流幅值很难达到过流断路器的动作阈值,在此期间电弧将释放大量的热,其迸发的火花很容易点燃周围的可燃物,直接导致火灾发生。


(3)接地型故障电弧

配电系统中,接地型故障电弧引起的火灾远多于串并联型故障电弧引起的火灾,这是因为接地型故障电弧发生机率远大于串并联型故障电弧。例如,在电气线路施工中,线路的绝缘外皮在穿钢管拉电缆电线时,很容易因为摩擦导致其破损;又比如,线路对地的绝缘性能会长期受雷电或电源的过电压冲击而下降,这些都大大增加了接地故障电弧发生几率。其根本原因在于,配电线路导线间的绝缘水平往往高于线路对地的绝缘水平。


虽然接地型故障电弧导致火灾的危害最大,但是因为是相线与地之间的电弧故障,会产生剩余电流,漏电断路器对其有很好的防范作用。而传统断路器对串并联电弧故障引起的火灾难以防范,使得防范该类电气故障成为了国际消防领域需要突破的难点。


现有建筑电气火灾的防护方式及局限性:

1、建筑电气火灾防护方式

建筑电气火灾防护方式主要分为以下两大类。


a.建筑消防系统:包括火灾自动报警系统、应急照明及疏散指示系统、防排烟系统、消火栓与自动灭火系统等。

其中大多设施注重火灾初期的逃生及灭火,电气火灾探测报警系统主要是采用剩余电流式电气火灾探测器系统及温度电气火灾探测器。


b. 建筑电气保护开关:包括熔断器、断路器、剩余电流保护器等。剩余电流电保护器(包括剩余电流探测器)是通过对剩余电流的检测来实现对人身触电及火灾的防护。熔断器、断路器主要是在电路发生短路或严重过负荷时保护电路,预防过流引起高温导致火灾的发生。


2、现有配电保护开关对电弧故障保护的局限性

剩余电流保护器(RCD)可以通过检测电器装置内的泄漏电流和由电痕化电流引起的对地燃弧而有效减少火灾危险。

然而事实上,RCD、熔断器或小型断路器(MCB)不能减少由带电导体之间的串联电弧或并联电弧引起的电气火灾危害。串联电弧发生时,由于没有产生对地泄漏电流,因而RCD无法检测到这类故障,而且串联电弧的故障阻抗降低了负载电流,使得电流低于MCB或熔断器的脱扣阀值。


在相线与中性导体之间产生并联电弧时,电流受限于装置的阻抗,最严重的情况是偶发间隙电弧,传统的断路器并不是为此目的而设计的,也难以保护此类故障。


电弧故障保护分析:

电弧的故障电流通常在100A以下,而持续稳定电弧的故障电流多在10A以下,对于这类故障电流,常规的以电流幅值为判断依据的过流保护器是不能完全保护的。


以我国现代住宅中的常规终端插座支路为例,插座处的预期短路电流一般在150~500A之间,保护开关通常安装额定电流为16A、附带RCD的C型曲线的微型断路器。在不发生对地泄漏的情况下,回路故障电流小于160A时,很难保证断路器在0.1s内瞬动切断故障电流,为电弧故障引起火灾留下了隐患。


国外相关标准及应用:

国外使用故障电弧保护装置的时间并不长,美国最早开始使用的故障电弧断路器(AFCI)也只有20年左右。AFCI经在住宅中使用后,被认为对电气火灾防护有效,1999年美国UL制定并颁布了故障电弧保护的第一部标准:UL1699(故障电弧断路器标准)。


美国国家电气规范(NEC)2002版制定了故障电弧保护使用的强制性规定(NEC2002-210.12A、B):

①所有在卧室内安装的支路,都要安装故障电弧断路器,以保护整条支路;

②单相电源线加插头连接的室内空气调节器需要安装电弧保护装置。NEC2008(210.12B)版扩大了故障电弧断路器使用范围,要求所有分支电路都要安装故障电弧断路器。


2003年,美国国家消防协会(NFPA)对安装故障电弧断路器作出了以下结论:故障电弧断路器可以防范75%~80%的电气线路火灾。


2004年8月1日后,美国要求在市场销售的家用空调必须带具有电弧保护功能的电源插头。2007年,美国电气制造商协会(NEMA)发布《电弧故障断路器提高家居安全》白皮书,该白皮书认为电弧故障断路器能在火灾起始阶段就阻止其发生,是“防患于未然”的技术。


2014年,美国UL474要求2017年以后销往北美的除湿机必须装配带故障电弧防护功能的保护器。

相比美国对故障电弧断路器的应用,直到2013年欧洲国际电工委员会才推出故障电弧的防护标准:IEC62606-2013《Generalrequirementsforarcfaultdetectiondevices》。亚洲的许多国家对电弧检测和保护的研究相对起步更晚,也正在进行故障电弧防火技术标准起草。


国内相关标准:

随着设计标准GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》的出台,我国相关部门相继制定并发布了与故障电弧检测有关的2个国家标准:GB/T31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》(2015年4月1日实施);GB14287.4-2014《电气火灾监控系统第4部分:故障电弧探测器》(2015年6月1日实施)。


上述标准的技术性能和相关检测方法目前适用于额定电压不超过240V、额定电流(In)不超过63A、末端安装的AFDD产品。


应用场所

•现代大体量建筑、公共集聚场所建筑和高层建筑;

•商场、体育馆、礼堂、影剧院、大型医院、学校;

•电信楼、财贸金融楼、大型办公楼、展览馆、高级酒店;地铁设施、火车站、汽车站、隧道、大型企业厂房等建筑。