新型防火災(zāi)保護(hù)電器發(fā)展趨勢及標(biāo)準(zhǔn)研究*

劉金琰, 周積剛

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063)

新型防火災(zāi)保護(hù)電器發(fā)展趨勢及標(biāo)準(zhǔn)研究*

劉金琰, 周積剛

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063)

介紹了新型防火災(zāi)保護(hù)電器——電弧故障保護(hù)電器國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,提出了國家標(biāo)準(zhǔn)制定的的主要內(nèi)容及產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)。指出應(yīng)開發(fā)并推廣適應(yīng)我國供電類型、用電設(shè)備的電弧故障保護(hù)電器,以提供完整的火災(zāi)保護(hù)措施。

電弧故障保護(hù)電器; 電弧故障斷路器; 電弧發(fā)生器; 屏蔽試驗(yàn); 誤脫扣試驗(yàn)

0 引 言

隨著社會日趨發(fā)展、科技不斷進(jìn)步和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,現(xiàn)代化程度越來越高,電氣設(shè)備、通信設(shè)備等應(yīng)用越來越多,家居及辦公條件不斷改善和提高,電氣火災(zāi)造成的損失也越來越大。據(jù)我國消防年鑒統(tǒng)計(jì),由電氣故障原因引發(fā)的火災(zāi)占總火災(zāi)損失的33%以上,是發(fā)達(dá)國家比例的數(shù)倍。從近期國內(nèi)外火災(zāi)成因統(tǒng)計(jì)得出,故障電弧是引起電氣火災(zāi)的主要成因,這是因?yàn)槟壳暗膫鹘y(tǒng)保護(hù)電器,如斷路器、熔斷器、剩余電流保護(hù)電器都只能檢測過載、短路和接地故障電流的情況;而串聯(lián)電弧的電流一般都小于額定電流,傳統(tǒng)的保護(hù)電器檢測不到;并聯(lián)電弧的電流雖然較大,但其偶發(fā)性強(qiáng),持續(xù)時(shí)間太短,傳統(tǒng)保護(hù)電器還來不及反映,也無法起到保護(hù)作用。因此,存在用電保護(hù)漏洞,對人們的財(cái)產(chǎn)及生命安全造成極大危害。

電弧故障保護(hù)電器(Arc Fault Detection Device,AFDD)是新型的防火災(zāi)保護(hù)電器,能檢測電氣線路中的故障電弧,并在可能引發(fā)電氣火災(zāi)前切斷電路,能有效防止由于線路絕緣老化或接觸不良產(chǎn)生的串聯(lián)電弧、線路和線路之間以及線路對地之間故障產(chǎn)生的并聯(lián)電弧所引發(fā)的電氣火災(zāi),可以彌補(bǔ)用電保護(hù)漏洞。傳統(tǒng)保護(hù)電器和AFDD的配合應(yīng)用,將提供完整的火災(zāi)保護(hù)措施,對保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

1 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

接觸不良,線路老化和破損容易發(fā)生電弧故障。固定家居中可能包含許多潛在的電弧故障發(fā)生,如臺燈插入插座；推動沙發(fā)頂住插座的線纜;門板夾住線纜;或往墻上釘住一幅畫而刺破墻后的電纜絕緣等,都可能引起電弧故障。接線端子沒接牢,打火形成串聯(lián)電弧。故障電弧的特點(diǎn)是溫度高、電流小、持續(xù)時(shí)間短,一旦出現(xiàn)擊穿點(diǎn),則會頻繁出現(xiàn)。電弧放電時(shí)會產(chǎn)生大量的熱,引燃周圍的易燃、易爆品,造成火災(zāi)甚至爆炸。

隨著電弧故障事故越來越凸顯,對電弧故障進(jìn)行檢測的要求越來越迫切,針對電弧故障的研究也越來越多。因AFDD可以安裝在各種插座和配電箱內(nèi),既可以供家庭、辦公室使用,也可以在各種大型超市、商場、機(jī)關(guān)、醫(yī)院、工廠、庫房、油庫、加油站、煉油廠、管道石油運(yùn)輸?shù)母骺刂泣c(diǎn)等場合應(yīng)用,還可以安裝在空調(diào)、電加熱器等大功率電器裝置中,即使在汽車、艦船、航空航天器都可以得到使用。采用這種新技術(shù)的電弧故障保護(hù)電器將大量降低家居火災(zāi)中人身傷亡的數(shù)量。

1.2 國外發(fā)展趨勢

國外對于電弧故障的危害認(rèn)識較早,對電弧故障的特性、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入的研究。多年來,電弧故障火災(zāi)預(yù)防技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用一直受到國際上消防和低壓電器領(lǐng)域的普遍關(guān)注。2002年在瑞士召開的第21屆國際電接觸學(xué)術(shù)會議上,有多篇論文特別介紹了電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Interrupter,AFCI)。目前許多國家都在組織制訂相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),并積極開發(fā)新型防護(hù)產(chǎn)品,并把AFCI作為當(dāng)前低壓電器研發(fā)的一個重要方向。利用電弧的電流電壓檢測電弧故障最成功的是AFCI技術(shù)。美國于1993年首次提出AFCI,在AFCI預(yù)防火災(zāi)技術(shù)方面,一直保持領(lǐng)先水平。美國國家電氣規(guī)程(NEC)關(guān)于電弧故障保護(hù)出臺了一系列的強(qiáng)制性規(guī)定。AFCI第一次出現(xiàn)在NEC的1999年版本中,要求家庭臥室中給插座供電的支路都要使用AFCI;經(jīng)過進(jìn)一步的分析,NEC的2000年版本中,要求擴(kuò)展為:臥室所有支路,包括給照明器具、煙霧報(bào)警器和其他電器等供電的支路都要使用AFCI;NEC的2008年版本中,安全要求更進(jìn)一步:在所有新的家庭住宅中,所有的支路都要使用AFCI;在NEC的2011年版的草案中,要求住宅所有單元的15～20 A支路插座都要用組合式AFCI(住宅所有單元包括廚房、起居室、客廳、藏書室、書房、臥室、陽光房、娛樂間、儲藏室、走廊或類似房間和區(qū)域)。隨著北美一些強(qiáng)制性的法令出臺,AFCI產(chǎn)品在民用建筑電氣、飛機(jī)電氣等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。UL 1699《電弧故障斷路器》規(guī)范是AFCI的美國標(biāo)準(zhǔn),于1999年發(fā)布了UL 1699第1版,2006年發(fā)布了第2版,2008年對第2版進(jìn)行了部分修改。目前按UL 1699標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)AFCI的主要廠家有Eaton、GE、Siemens、SquareD、德州儀器等。

美國的AFCI適用于典型的北美配電系統(tǒng)120 V,但這些產(chǎn)品不適于保護(hù)240 V的系統(tǒng)。所以國際電工委員會(IEC)于2007年開始做AFCI標(biāo)準(zhǔn)的前期研究,于2008年正式立項(xiàng)為《電弧故障檢測電器(AFDD)的一般要求》,由國際電工委員會家用和類似設(shè)備分技術(shù)委員會電擊防護(hù)工作組(IEC/SC23E/WG2)負(fù)責(zé)研究240 V系統(tǒng)電弧電流著火點(diǎn)曲線圖、電弧診斷和評估,確定AFDD脫扣曲線,考慮不同的負(fù)載電纜和電器,以避免誤脫扣。IEC已于2013年7月形成一份國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62606:2013《電弧故障檢測電器(AFDD)的一般要求》。

1.3 國內(nèi)發(fā)展趨勢

隨著對電弧故障火災(zāi)危害認(rèn)識的不斷深入和國外各種新型防護(hù)產(chǎn)品的面世,國內(nèi)一些科研院所及企業(yè)相繼開展了相關(guān)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)的研究,主要進(jìn)行了以下工作。

(1) 針對電弧火災(zāi)故障電流的隨機(jī)性及正常電弧電流之間相似性,上海電器科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、公安部沈陽消防研究所等搭建了故障實(shí)驗(yàn)平臺,利用高速數(shù)字信號采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電弧產(chǎn)生瞬間的電弧電流/電壓波形,初步采集了一些常用電氣設(shè)備在起動、運(yùn)行和發(fā)生電弧故障時(shí)的電流和電壓波形,為故障電弧的辨識提供一定的樣本,收集了部分故障電弧的數(shù)據(jù)庫。

(2) 對故障電弧進(jìn)行了初步研究,得到了故障電弧的一些重要特征,如發(fā)現(xiàn)在電弧故障的電壓和電流波形中存在高頻噪聲分量;電弧產(chǎn)生后有一個瞬間壓降,由于存在瞬間壓降,電弧電流比同電路中非電弧電流要低;電弧電流上升速率一般比正常電流快;在每半個周期內(nèi),電弧在電流正常零點(diǎn)前熄滅,而后在正常零點(diǎn)后重燃,從而形成了一個接近平坦的零電流區(qū)域(平肩正弦波);電壓波形近似矩形波;在正常電流中時(shí)而突發(fā)電弧現(xiàn)象等。這些特征為電弧故障的識別提供了參考依據(jù)。

(3) 相繼研制了一些電弧故障檢測電器產(chǎn)品。

國內(nèi)有寧波習(xí)羽電子發(fā)展有限公司、杭州鴻世電器有限公司(浙江大學(xué))和巨邦電氣有限公司(綿陽何瑞電子有限公司)等企業(yè)生產(chǎn)電弧故障保護(hù)電器。有些產(chǎn)品按照UL 1699的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)研制;有些按現(xiàn)在正在制訂的國家標(biāo)準(zhǔn)草案的內(nèi)容改進(jìn)產(chǎn)品。有些產(chǎn)品帶過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、電弧保護(hù)、故障記憶等功能;有些產(chǎn)品將故障電弧、剩余電流和過流短路三項(xiàng)檢測保護(hù)功能合為一體,適用于空調(diào)器、微波爐、吸塵器、暖風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)、熱水器等多種家用電器;有些產(chǎn)品是固定安裝的,適用于辦公、住宅的供電保護(hù)。

上海電器科學(xué)研究院一直在同步參與IEC 62606:2013的研究工作,也參加了IEC 62606:2013的特別起草小組。上海電器科學(xué)研究院根據(jù)幾年來對國內(nèi)外AFDD產(chǎn)品的研究工作,于2011年向國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會提出制訂AFDD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的申請,并獲得批準(zhǔn),國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號為20121649-T-604,已于2014年發(fā)布GB/T 31143—2014《電弧故障保護(hù)電器(AFDD)的一般要求》。

2 國家標(biāo)準(zhǔn)制訂的主要內(nèi)容

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能水平

煙霧報(bào)警器、滅火器、緊急逃生梯等都是從家庭火災(zāi)中快速逃生的方法,但是AFDD在火災(zāi)起始階段就阻止火災(zāi)發(fā)生,防患于未然。

AFDD是一種新型電氣防火保護(hù)裝置,它的主要功能是當(dāng)檢測到負(fù)載端產(chǎn)生有害電弧時(shí),短時(shí)間內(nèi)切斷電源,以免發(fā)生電氣火災(zāi)。AFDD利用先進(jìn)的電子技術(shù),采用集成電路、MCU等搭建的控制平臺,實(shí)時(shí)自動控制,技術(shù)含量較高。它既要識別出有害電弧脈沖(如電纜、開關(guān)、接插件等因電線老化、電器故障、負(fù)荷過重、接觸不良等產(chǎn)生易引起電氣火災(zāi)的電弧)迅速將電源切斷,又要將其他正常電弧(如電吹風(fēng)、手電鉆、空氣壓縮機(jī)、吸塵器、電焊機(jī)等產(chǎn)生的電弧脈沖)和干擾脈沖(如節(jié)能燈、調(diào)光調(diào)速開關(guān)、靜電放電、射頻干擾、電涌沖擊、電器裝置等產(chǎn)生的脈沖)區(qū)別開來,不能產(chǎn)生誤動作。AFDD最大的優(yōu)點(diǎn)是電氣火災(zāi)隱患從量變到質(zhì)變之前(即火災(zāi)發(fā)生前)已切斷電源,是一種先進(jìn)的電氣防火產(chǎn)品。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)制訂的目標(biāo)和研發(fā)內(nèi)容

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)制訂的目標(biāo)

與國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62606:2013同步制訂國家標(biāo)準(zhǔn),預(yù)期達(dá)到當(dāng)前國際水平。

2.2.2 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容包括電纜試品碳化通道形成的試驗(yàn)方法、電弧發(fā)生器的構(gòu)成、串聯(lián)電弧試驗(yàn)方法、并聯(lián)電弧試驗(yàn)方法、屏蔽試驗(yàn)和誤脫扣試驗(yàn)。

AFDD基本原理是使用微處理器對負(fù)載電流半周進(jìn)行采樣,再對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對,如果符合電弧的特性,就被認(rèn)定為一個故障電弧,當(dāng)0.5 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)了10個或8個以上的故障電弧就及時(shí)斷電,以避免電氣火災(zāi)的發(fā)生。很多的負(fù)載電流與故障電弧電流的樣式非常接近,所以要識別故障電弧,就需要知道其他負(fù)載的電流軌跡,準(zhǔn)確判斷故障電弧。經(jīng)過對大量電弧波形的研究,發(fā)現(xiàn)所有電弧都具有一些共同的特性,這些特征可作為判別故障電弧的依據(jù)之一。

電弧的一般特征還不足以用來判別正常電弧和故障電弧,因?yàn)閷τ谝种菩载?fù)載,其起動和停止時(shí)可能產(chǎn)生類似電弧特征的信號,并且不同的負(fù)載的特征也不盡相同。因此,判別故障電弧還需要區(qū)分不同的負(fù)載特征,將負(fù)載特征與電弧特征作為判別的依據(jù)。

制訂標(biāo)準(zhǔn)研究的核心內(nèi)容如下:

(1) 電纜試品碳化通道形成的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法基于對用于電氣裝置通用電纜中導(dǎo)線的精確切割,以及對導(dǎo)線的高壓預(yù)處理,從而導(dǎo)致導(dǎo)線區(qū)域碳化,模擬導(dǎo)線的絕緣老化情況。

(2) 電弧發(fā)生器的構(gòu)成。電弧發(fā)生器由一個固定電極和一個移動電極構(gòu)成,使電弧條件具有重復(fù)性。當(dāng)接入電路中時(shí),兩個電極分開至一個合適的距離,以便在電極間產(chǎn)生穩(wěn)定的燃弧。

(3) 串聯(lián)電弧試驗(yàn)方法。AFDD應(yīng)在其額定電流及以下電流進(jìn)行試驗(yàn),在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)斷開故障電弧。試驗(yàn)方法模擬電路中突然出現(xiàn)串聯(lián)電弧故障、接入帶串聯(lián)電弧故障負(fù)載、閉合串聯(lián)電弧故障時(shí)的情況。

(4) 并聯(lián)電弧試驗(yàn)方法。若燃弧電流在0.5 s內(nèi)符合規(guī)定的半波數(shù)量,AFDD應(yīng)斷開故障電弧。試驗(yàn)方法模擬限流并聯(lián)電弧、切割電纜并聯(lián)電弧試驗(yàn)、接地電弧故障時(shí)的情況。

(5) 屏蔽試驗(yàn)。由AFDD檢測的信號可能被屏蔽,從而不能被AFDD檢測到,直接導(dǎo)致電氣裝置內(nèi)部電弧引發(fā)的危險(xiǎn)不能及時(shí)得到消除,在這種情況下,AFDD在降低火災(zāi)危險(xiǎn)方面是無用的。因此,AFDD通過屏蔽試驗(yàn)是很重要的。

(6) 誤脫扣試驗(yàn)。該試驗(yàn)涉及某些不同類型的負(fù)載,以檢查AFDD在正常燃弧下不脫扣。此類誤脫扣試驗(yàn)的難點(diǎn)在于受制于所使用的負(fù)載,負(fù)載的多樣性是巨大的,每年將有新型負(fù)載(主要是電子)產(chǎn)生新型信號導(dǎo)致誤脫扣。此類試驗(yàn)的再現(xiàn)性也很困難,如有可能,引入幾個等效的常規(guī)試驗(yàn),如針對電涌電流的誤脫扣試驗(yàn)。

目前,最大的技術(shù)難點(diǎn)是識別出有害電弧脈沖(如電纜、開關(guān)、接插件等因電線老化、電器故障、負(fù)荷過重、接觸不良等產(chǎn)生易引起電氣火災(zāi)的電弧)與其他正常電弧(如電吹風(fēng)、手電鉆、空氣壓縮機(jī)、吸塵器、電焊機(jī)等產(chǎn)生的電弧脈沖)和干擾脈沖(如節(jié)能燈、調(diào)光調(diào)速開關(guān)、靜電放電、射頻干擾、電涌沖擊、電器裝置等產(chǎn)生的脈沖)等,以免AFDD出現(xiàn)誤動作。

3 結(jié) 語

AFDD的市場化生產(chǎn)還處于起步階段。目前有個別電弧故障斷路器產(chǎn)品問世,都是在參考國外標(biāo)準(zhǔn)或各自小規(guī)模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。由于缺少完整、全面且符合我國負(fù)載特點(diǎn)的故障電弧和正常電弧模式以及特征參數(shù)數(shù)據(jù),這些產(chǎn)品在應(yīng)用中不可避免地發(fā)生誤動作或不動作現(xiàn)象,尤其由于國內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)剛發(fā)布,尚無開展該產(chǎn)品的認(rèn)證工作,造成產(chǎn)品良莠不齊,還難以評估其有效性。

AFDD可大量使用于住宅、商場、辦公樓、車間等各種建筑的終端,與剩余電流保護(hù)電器配合使用,將提供完整的火災(zāi)保護(hù)措施。AFDD市場容量很大,目前該類產(chǎn)品在國內(nèi)市場上屬于空白,但市場前景良好。GB/T 31143—2014彌補(bǔ)國內(nèi)該項(xiàng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的空缺,待相關(guān)檢測認(rèn)證細(xì)則出臺后,AFDD產(chǎn)品將有著廣闊的市場前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 趙長征,邸曼,高偉.電氣火災(zāi)防治與調(diào)查技術(shù)[M].沈陽:遼寧大學(xué)出版社,2011.

[2] 陳德桂.低壓電弧故障斷路器——一種新型低壓保護(hù)電器[J].低壓電器,2007(3):1-4.

[3] IEC 62606:2013 General requirements for arc fault detection device[S].

[4] UL 1699:2008 Arc-fault circuit-interrupters[S].

The Development Trend and Standard Research of New Type Fire Protection Device

LIU Jinyan, ZHOU Jigang

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

This paper introduced the present situation and development trend of arc fault detection device (AFDD) at home and abroad.The main contents and product technical features of the national standards were proposed.It is pointed out that the AFDD which is suitable for our power supply type and electric equipments should be developed and generalized in order to provide the complete measures for fire protection.

arc fault detection device(AFDD); arc fault circuit breaker; arc generator; masking test; unwanted tripping test

劉金琰(1966—),女,教授級高級工程師,從事終端電器標(biāo)準(zhǔn)化工作。

上海智能電網(wǎng)用戶端設(shè)備與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(13DZ2280800)

TM 561

B

1674-8417(2015)01-0005-04

2014-10-10

周積剛(1943—),男,教授級高級工程師,從事低壓電器的研發(fā)工作。