淺談電弧故障探測器在電氣防火中的應(yīng)用

安科瑞任心怡、譚永飛

技術(shù)支持：安科瑞彭峰

摘 要:分析了重大電氣火災數(shù)據(jù)。結(jié)合目前國內(nèi)電氣火災探測技術(shù)， 介紹了故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器在火災預警系統(tǒng)中的重要作用，給出了基于多種探測技術(shù)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞:故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器; 測溫式電氣火災監(jiān)控探測器; 熱解粒子式電氣火災監(jiān)控探測器; 電氣防火

0 引 言

由近幾年的火災調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國 每年 30% 以上的火災事故是由電氣火災直接引起的，有效地預防電氣火災對于保障人民生命和 財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。目前，我國 正大力發(fā)展電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)以預防電氣火災。現(xiàn)階段廣泛使用的預警系統(tǒng)是對電氣線路進 行監(jiān)控，監(jiān)測配電線路的剩余電流和溫度兩類信 號，在預防電氣火災發(fā)生方面取得了一定成效。但因為探測手段單一，新技術(shù)推廣應(yīng)用力度小，監(jiān) 測范圍面小等原因，致使該措施仍有一定的局限 性。為了更好地解決這一問題，通過對大量電氣 火災的起火原因進一步分析得知，電氣起火的主 要部位是電氣線路和用電設(shè)備，主要是短路、接觸 不良、漏電、過載等故障引起。因此這幾類故障都 應(yīng)作為我們下一階段的防控。電氣火災監(jiān)控 系統(tǒng)也應(yīng)具備應(yīng)對這種故障的預警能力。國內(nèi)新的科研成果“故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器”對電氣線路和用電設(shè)備接觸不良、短路、接地故障所產(chǎn)生的電弧具有很高的識別能力。大力推廣并應(yīng)用這種新技術(shù)將對我國的電氣火災預防具有重要的意義［1］。

1 重特大電氣火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析［1］

1.1電氣火災場所分布

廠發(fā)生電氣火災的比例較大， 商業(yè)建筑次之，住宅、賓館、寫字樓及其他場所所 占比例約為 10% 。因此，應(yīng)將工廠、商業(yè)建筑、住宅作為電氣火災的防護對象。

1.2電氣火災發(fā)生部位

電氣火災發(fā)生部位所占比例分析如圖 2 所示。由圖 2 可見，電氣火災可能發(fā)生于電氣系統(tǒng)的電氣線路、用電設(shè)備、電氣設(shè)備及其他部位。電氣線路年久老化、不規(guī)范施工等，容易導致電氣火災; 用電設(shè)備導致的電氣火災所占比例次之。電氣設(shè)備有專用的變電所、變電房，且一般有專人管理， 火災概率僅占約10% 。由圖2 可知，電氣火災中的防護應(yīng)集中在電氣線路和用電設(shè)備兩大部位， 以電氣線路的防護為主，以加強用電設(shè)備的安全使 用、管理為輔，可以避免大部分的電氣火災。

1.3電氣火災起火原因分析

電氣火災的起火原因主要分為突發(fā)性故障和漸變性故障 2 種，起火原因所占比例如圖 3 所示。突發(fā)性故障有短路和雷擊，其中短路原因中相間 短路故障和金屬接地性短路故障各占 50% 。突發(fā)性故障主要由配電系統(tǒng)解決( 如空氣斷路器、漏電斷路器等) ，部分配電系統(tǒng)無法處理的突發(fā)性故障，如電弧性短路故障可由電氣火災監(jiān)控系 統(tǒng)作為輔助性監(jiān)控手段，預防突變性故障引發(fā)電 氣火災。漸變性故障有過熱、接觸不良、過負荷、電氣故障、漏電等。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)主要解 決漸變性故障，通過采用多種探測技術(shù)相配合的 方法，對配電系統(tǒng)及用電設(shè)備進行監(jiān)視，能很 好地避免此類故障，從而減少電氣火災的發(fā)生。

2 預防電氣火災的關(guān)鍵探測技術(shù)

2.1剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器

剩余電流為電氣火災發(fā)生的主要原因之一，剩余電流式電氣火災探測器通過監(jiān)測配電回路的剩余電流來預防配電回路的接地性故障，同時對配電線路和用電設(shè)備的絕緣進行監(jiān)測，其次也為配電回路判斷正常泄放電流提供了參考依據(jù)。

剩余電流式電氣火災探測器可以對整個配電回路的泄漏電流進行監(jiān)測。通常布置在一j或二級配電系統(tǒng)中，也可布置到三級配電系統(tǒng)，從而定位故障部位，為接地故障的排查工作提供便捷。

2.2測溫式電氣火災監(jiān)控探測器

過熱也是產(chǎn)生電氣火災的主要原因之一，測溫式電氣火災探測器主要針對過熱故障進行防控。常用的測溫式電氣火災探測器按照其探測區(qū)域可分為基于點式的測溫探測器( 如熱電偶、鉑電阻) ，基于線式的測溫探測器( 如光纖感溫、感溫電纜) 和基于面式的測溫探測器( 如紅外熱像儀) 。這些探測器通過監(jiān)測配電系統(tǒng)中某一配電裝置或用電設(shè)備( 配電柜、配電箱、配電線路連接部位、用電設(shè)備等) 的溫度變化超標時產(chǎn)生報警信號，從而達到預防電氣火災的目的。其特點是只對監(jiān)測對象的某一點或局部范圍有效。

基于點式測溫探測器一般布置在一J、二級配電柜或配電箱內(nèi)的電纜和配電設(shè)備連接處，用于監(jiān)測電氣接點處的溫度變化; 也可布置于配電柜或配電箱的頂端，用于監(jiān)測整個柜子的溫度變化; 還可布置在系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵線路易出現(xiàn)過溫的故障點。

基于線式測溫探測器一般布置在敷設(shè)線纜的橋架、地下電纜管道、豎井等處，用于對敷設(shè)線纜的溫度進行監(jiān)控。也可布置于大型的變配電設(shè)備、用電設(shè)備等易發(fā)生過熱的部位，如變壓器、電動機等。

基于面式測溫探測器一般采用紅外測溫技術(shù)，其工作原理為: 一切溫度高于零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)射出紅外輻射能量，物體紅外能量輻射的大小及波長的分布與其表面的溫度有著密切關(guān)系，因此通過對物體自身輻射紅外能量的測量就能得到其溫度。紅外熱像儀就是由多個紅外探測傳感器組成的矩陣實現(xiàn)的。這類探測器一般價格比較高，適合配置于安全級別和可靠性要求較高的配電裝置或用電設(shè)備。

2.3熱解粒子式電氣火災監(jiān)控探測器

熱解粒子顧名思義就是物質(zhì)受熱時分解出的粒子，粒子是由能夠以自由狀態(tài)存在的小物質(zhì)組成。無論何種原因引起的電氣火災，都體現(xiàn)為 導體發(fā)熱。低壓配電柜內(nèi)發(fā)生電氣故障時主要的 發(fā)熱體是電線與保護電器，在低壓配電柜內(nèi)發(fā)熱 分解出的粒子主要是煙粒子及氣體粒子。利用粒 徑分析儀器進行相關(guān)試驗，發(fā)現(xiàn)試驗材料( 電線與保護電器) 存在臨界熱解溫度。低于該溫度， 熱解產(chǎn)生的煙氣量低，無法進行可靠探測; 當受熱溫度高于該臨界溫度后，煙氣開始加劇析出。電線及保護電器材料的臨界溫度一般在 150 ℃ ～ 220 ℃ 。通過光學煙密度計，測量該溫度區(qū)間的煙粒子濃度響應(yīng)范圍為0． 02% obs / m ～ 0． 52% obs / m。目前可對該范圍煙粒子濃度進行早期探測的主要 是吸氣式探測器和激光探測器，但這兩種設(shè)備的 探測原理均由激光或 LED 作為光源，探測器直接根據(jù)散射的狀況作為火災判定的依據(jù)，無法避免 灰塵、水汽等原因引起的誤報，即使加裝過濾器也 無法有效避免。試驗同時發(fā)現(xiàn)，當試驗材料受熱 達到 150 ℃ 后，就會發(fā)出一種燒膠皮、燒塑料的難聞氣味，主要是電線因過熱燒焦絕緣外皮所散發(fā) 的味道，氣味的出現(xiàn)甚至早于煙粒子的析出。低 壓配電柜內(nèi)發(fā)生電氣故障時主要的發(fā)熱體是電線 與保護電器，發(fā)出難聞氣味的也主要是電線的聚氯乙烯( PVC) 絕緣外皮及保護電器的絕緣護套 ( ABS 材料) 。熱解粒子式電氣火災監(jiān)控探測器是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，該技術(shù)不但可以進 行配電柜內(nèi)電氣火災的早期探測，還能很好地解 決配電柜內(nèi)灰塵的干擾問題［2］。

火災監(jiān)控探測器一般配置于一J或二級的低壓配電柜內(nèi)、大型數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)機柜內(nèi)、通訊基站的重要通信設(shè)備機柜內(nèi)等，填補了對配電設(shè)備監(jiān)控的空白，有助于實現(xiàn)配電設(shè)備發(fā)生電氣火災的早期預警。

2.4故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器

短路和接觸不良也是產(chǎn)生電氣火災的主要原因，大部分短路性故障可以由配電系統(tǒng)功能解決， 還有一部分短路性故障表現(xiàn)為短路產(chǎn)生故障電 弧。現(xiàn)階段的配電系統(tǒng)還存在一定的盲區(qū)，不能 對此類故障進行有效地監(jiān)測與防護，主要原因是 短路接觸面或產(chǎn)生故障電弧的線路阻抗限制了短 路電流的大小，常使斷路器達不到動作條件。這 種故障危害性非常大，致使配電線路的絕緣物質(zhì) 迅速碳化起火，或由于局部高溫引燃故障點周圍 的易燃物質(zhì)從而產(chǎn)生電氣火災。故障電弧式電氣 火災監(jiān)控探測器是一種能夠識別故障電弧的電氣 火災探測裝置，方便接入現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)， 能實時監(jiān)測被監(jiān)控線路或設(shè)備的電壓、電流及故 障電弧數(shù)據(jù)，可在故障電弧監(jiān)測值超出報警閾值 后立即發(fā)出報警信號。這種技術(shù)可以有效彌補現(xiàn) 有電氣火災探測技術(shù)的不足，通過提前預警或切 斷故障電源從而有效減少因故障電弧引起的電氣 火災。

3 故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器的重要性

3.1故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器的保護特性

傳統(tǒng)的熔斷器和空氣斷路器不能滿足故障電弧檢測的要求，這是因為斷路器主要是以檢測短路和過載電流為目的，故障電弧具備在很小電流的情況下( 一般大于 0． 5A) 就引發(fā)火災的可能性。對于小電流并伴隨著有故障電弧發(fā)生的情況，因電流值達不到保護裝置熱保護的動作電流值，故保護裝置不會動作，對于大電流并伴隨有故障電弧發(fā)生的情況，因燃弧持續(xù)的時間短，不足以使傳統(tǒng)斷路器保護動作，從而引發(fā)電氣火災。通常，故障電弧探測器主要是采用檢測電壓、電流頻 域和時域的特征來識別故障電弧，保護動作受電 流的大小影響較小，其特性有別于傳統(tǒng)斷路器。

3.2故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器的作用及意義

在低壓配電終端線路中常見的有 3 類故障電弧: 串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧、接地故障電弧。串聯(lián)故障電弧是由于一根導體發(fā)生機械斷裂、接頭處松開或插頭接觸不好等產(chǎn)生，其故障電弧與負載是串聯(lián)的。并聯(lián)故障電弧是一種短路電弧故障，故障電弧往往是與負載并聯(lián)的。并聯(lián)電弧電流決定于絕緣損壞程度和線路阻抗的大小，并且往往是間隙性的故障［4］。因而，一般的過電流和剩余電流保護裝置是不能檢測串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障的。接地故障電弧發(fā)生于帶電導線接地或因絕緣損壞與接地金屬導體接觸的情況。故障電弧電流的大小與接地電阻大小有關(guān)，一般的電氣保護裝置有時會檢測不到故障，而故障電弧探測器具備識別上述 3 類故障電弧的能力，因此通過廣泛推廣故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器，可以很好地預防故障電弧引發(fā)的電氣火災。

故障電弧探測器既可用于電氣線路的監(jiān)控，也可用于對用電設(shè)備的監(jiān)控，覆蓋了可能發(fā) 生電氣火災的絕大數(shù)部位。同時故障電弧式火 災監(jiān)控探測器作為一種新型的電氣火災探測裝 置，可以有效地對短路性電弧故障和接觸不良 故障進行防控，兼有故障報警和保護兩種功能， 其電弧故障保護功能是其他保護電器不可替代的，也是目前電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)中探測技術(shù)的重要補充。故障電弧探測器將在電氣火災防護中發(fā)揮巨大的作用。

故障電弧探測技術(shù)在國外很早就得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，并且取得了很好的電氣火災防控效果。典型的產(chǎn)品有故障電弧斷路器 AFCI，產(chǎn)品標準為UL 1699《電弧故障斷路器》。該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用目前還處于初始階段。我國GB 14287． 4— 2014 的正式發(fā)布有助于該項技術(shù)快速推廣并走向國內(nèi)應(yīng)用市場，進一步提升我國電氣火災的防控水平。

4 故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器安裝使用及注意事項

4.1故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器的安裝及使用

故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器一般安裝于配電線路的末端，或者是用電設(shè)備的供電端。主要保護對象是配電線路和用電設(shè)備。通常情況下建議安裝在終端用戶配電箱的入戶端，或者一些大功率用電設(shè)備的供電端。典型的故障電弧式電氣火災探測器的電氣接線圖如圖 所示。

故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器隸屬于電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，其本身具備監(jiān)控報警功能，同時也能滿足接入現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的要求。

4.2故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器的注意事項

故障電弧式電氣火災探測器的基本探測原理是通過監(jiān)測電氣回路中電流和電壓特征點的方法來區(qū)分故障電弧和正常電弧，這就要求被監(jiān)測線路中某一回路產(chǎn)生故障電弧時的電流特征參數(shù)能被探測器區(qū)分，因此，安裝故障電弧探測器的被保護線路的分支應(yīng)盡量少。

電氣火災產(chǎn)生的初期一般是一個點，然后逐漸 擴大到面，故障電弧探測器適合小范圍多點布設(shè)。當探測到故障電弧發(fā)生時，發(fā)出報警的同時還可立 即斷開故障點的供電電源，不影響其他用電設(shè)備。

5 安科瑞故障電弧式保護器選型

5.1故障電弧產(chǎn)品外形

5.2AAFD系列電氣火災監(jiān)控探測器的功能：

1.監(jiān)測單相回路的故障電??；

2.通過對電氣線路的實時監(jiān)測能及時、準確的發(fā)現(xiàn)電氣線路中的故障和異常狀態(tài)，可幫助用戶迅速查明電氣故障發(fā)生的區(qū)域，以便及時消除電氣火災隱患；

3.具有聲光報警功能；

4.本探測器尺寸小巧、安裝方便，采用標準35mm導軌安裝；

5.具有故障電弧模擬發(fā)生功能，可以通過模擬故障電弧對本機進行性能測試；

6.具有通用485總線接口，采用標準Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，信號兼容性強。

5.3故障電弧探測器技術(shù)參數(shù)

6 結(jié) 語

要使電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)有效地運行，需要應(yīng)用多種探測技術(shù)監(jiān)測可能引發(fā)電氣火災的故障信 息，同時應(yīng)在易產(chǎn)生電氣火災的場所廣泛布控; 電氣線路、用電設(shè)備為電氣火災發(fā)生的重災區(qū)，應(yīng)作為監(jiān)控對象加以保護; 而因短路、接觸不良、接地性等故障產(chǎn)生的故障電弧又是電氣線路、用 電設(shè)備發(fā)生電氣火災的主要原因，也是目前電氣防火領(lǐng)域的空白。所以，故障電弧式電氣火災監(jiān)控探測器應(yīng)得到大力的推廣，從而有效地減少電氣火災的發(fā)生。

審核編輯：鄢孟繁