電弧故障保護(hù)器在低壓電氣裝置的應(yīng)用

周 佺, 戴天鷹

[1.ABB(中國)有限公司 武漢分公司, 湖北 武漢 430060;2.ABB(中國)有限公司 上海分公司, 上海 200023]

0 引 言

依據(jù)每年的消防年鑒等不完全統(tǒng)計,電氣火災(zāi)從2013年以后已經(jīng)成為我國火災(zāi)首因,占火災(zāi)總數(shù)的1/3以上。如2017年前10個月的統(tǒng)計,因電氣引發(fā)的火災(zāi)共有7.4萬起,造成370人死亡,226人受傷,直接財產(chǎn)損失11.2億元。

建筑物中電氣設(shè)備、電氣回路電弧故障引發(fā)的火災(zāi)給人們帶來生命危險和財產(chǎn)損失。電氣火災(zāi)的具體原因可歸咎于電線受損、連接松動和設(shè)備缺陷引起的電氣裝置故障等,最終導(dǎo)致電弧故障,并引起火災(zāi)。因此,低壓電氣裝置的電弧故障防護(hù)成為當(dāng)前低壓電氣設(shè)計的關(guān)注熱點。電弧故障保護(hù)器(Arc Fault Dection Device,AFDD)是在檢測到電弧故障時,通過斷開電路來降低燃弧故障影響的保護(hù)設(shè)備,能夠?qū)﹄娀」收线M(jìn)行全面防護(hù)。

1 電弧故障起因

電氣裝置在腐蝕性環(huán)境或振動環(huán)境中遭到嚙齒動物破壞、設(shè)備自身有缺陷、安裝不當(dāng)均會導(dǎo)致絕緣破損。電流通過導(dǎo)線受損部分時,電流密度增加,由于電流熱效應(yīng)積累,造成絕緣層的溫度過熱,使該部位的銅氧化并隨之融化,出現(xiàn)碳化導(dǎo)電通道,隨后形成電弧。

電弧故障按其發(fā)生部位可分成接地電弧故障、并聯(lián)電弧故障和串聯(lián)電弧故障3種不同類型。

(1) 接地電弧故障。故障電流將從導(dǎo)線流入大地,形成泄漏電流回路。低壓配電系統(tǒng)常用的剩余電流保護(hù)器(RCD)可以檢測此泄漏電流,從而切斷電源,避免泄漏電流引發(fā)的電弧,降低火災(zāi)風(fēng)險。

(2) 并聯(lián)電弧故障。電流從負(fù)載并聯(lián)的導(dǎo)線之間通過,沒有接地泄漏電流,RCD檢測不到,無法進(jìn)行保護(hù);并聯(lián)電弧故障電流值超過75 A,但遠(yuǎn)低于直接短路電流,不會使斷路器或熔斷器可靠動作。

(3) 串聯(lián)電弧故障。電流從斷開點的一條導(dǎo)線流過并通過負(fù)載,沒有接地泄漏電流,RCD檢測不到,無法進(jìn)行保護(hù);串聯(lián)電弧故障電流通常為5～30 A,無法讓線路過流保護(hù)的斷路器或熔斷器動作。

綜上,傳統(tǒng)的RCD僅可保護(hù)到接地電弧故障,而對串聯(lián)電弧故障和并聯(lián)電弧故障無法進(jìn)行有效的保護(hù)。

2 AFDD的原理及應(yīng)用特點

為了更好地實現(xiàn)接地故障電弧、串聯(lián)電弧、并聯(lián)電弧的有效保護(hù),ABB公司研發(fā)專業(yè)的AFDD,同時將小型斷路器(MCB)、帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器(RCBO)集成AFDD,實現(xiàn)對過電流、接地故障和電弧故障的有效保護(hù)。

S-ARC1是集成MCB的一體化AFDD,分?jǐn)嗄芰? kA或10 kA,能夠同時提供短路、過載、接地電弧故障、并聯(lián)電弧故障、串聯(lián)電弧故障和過壓造成的火災(zāi)保護(hù)。

S-ARC1基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由PCB部件和機(jī)械執(zhí)行器組成。PCB部件由開關(guān)電源供電,采用高頻和低頻傳感器持續(xù)檢測高達(dá)10 MHz頻率范圍內(nèi)的線路電流,然后將參數(shù)傳給微控制器(MCU),MCU內(nèi)的專門電弧故障算法對參數(shù)進(jìn)行分析比對,一旦檢測存在電弧故障的特征,MCU立即觸發(fā)帶晶閘管的電子執(zhí)行器,讓脫扣桿跳閘,從而切斷電源。MCU同時還輸出信號給LED燈指示報警。機(jī)械執(zhí)行器包括脫扣桿(由MCU驅(qū)動用于電弧故障保護(hù))、磁脫扣器(用于短路保護(hù))和雙金屬片(用于過載保護(hù))。

圖1 S-ARC1基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62606:2003[1]和IEC 60898-1:2015[2],S-ARC1脫扣曲線如圖2所示。

圖2 S-ARC1脫扣曲線

圖2中,根據(jù)電弧故障電流大小分成3個區(qū)間。

(1) 電弧故障電流低于額定電流的區(qū)域,發(fā)生高阻值的串聯(lián)電弧故障,MCB的短路和過載保護(hù)無法檢測,通過AFDD的串聯(lián)電弧保護(hù)功能檢測并跳閘。

(2) 電弧故障電流在額定電流和磁脫扣可靠動作電流之間的區(qū)域,為并聯(lián)電弧故障的典型值,MCB過載保護(hù)可檢測,但是動作時間長,切斷電源為時已晚,火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生。通過AFDD可提早發(fā)現(xiàn)此類型電弧故障,在100 ms左右切斷電源。

(3) 電弧故障電流值超過磁脫扣電流的區(qū)域,是低阻抗的短路故障,由MCB的磁脫扣快速動作切斷電源。

標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364-4-42:2010[3]中規(guī)定,在以下條件下推薦安裝AFDD。

(1) 有床鋪的房間內(nèi),如家中和日托中心、養(yǎng)老院、精神病院、旅館、醫(yī)院等。

(2) 存在以下因素造成的火災(zāi)風(fēng)險場所,加工或存放的材料,如倉房、木器堆積,加油站;易燃結(jié)構(gòu)材料,如木制建筑物;火災(zāi)擴(kuò)散構(gòu)筑物,如高層建筑、易燃建筑物、強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。

(3) 含有不可替代貨物的場所,如博物館、研發(fā)中心、實驗室。

德國是歐洲首個針對DIN VDE 0100-420中描述的應(yīng)用提出強(qiáng)制安裝AFDD規(guī)定的國家,自2017年12月18日起執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)要求在包含住宿和生活設(shè)備的房間,如家中和日托中心、無障礙公寓、存在火災(zāi)風(fēng)險的場所以及含有不可替代貨物的場所等,需在低于16 A的單相交流系統(tǒng)中的終端電路中強(qiáng)制安裝AFDD;而在有床鋪的房間、有火災(zāi)擴(kuò)散構(gòu)筑物的場所及終端電路中有用于高負(fù)載需求的電器電源插座,推薦使用AFDD。

目前,我國已發(fā)布AFDD產(chǎn)品的推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31143—2014《電弧故障保護(hù)電器(AFDD)的一般要求》,等同標(biāo)準(zhǔn)IEC 62606:2013,成為AFDD產(chǎn)品的制造和試驗的依據(jù),為電弧故障防護(hù)產(chǎn)品在建筑物電氣裝置的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)作鋪墊。

S-ARC1型電弧故障保護(hù)器如圖3所示。

圖3 S-ARC1型電弧故障保護(hù)器

S-ARC1型電弧故障保護(hù)器優(yōu)點如下:

(1) MCB和電弧故障保護(hù)器集成一體。相比傳統(tǒng)的AFDD串聯(lián)在MCB下面或把AFDD設(shè)計成附件拼裝到MCB的產(chǎn)品,可減小現(xiàn)場連接帶來的安全隱患。

(2) 體積緊湊。2個標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)寬度,節(jié)省終端配電箱安裝空間。

(3) 帶有LED指示燈,可以快速故障診斷,減少停機(jī)維護(hù)時間。

3 AFDD選型應(yīng)用案例

ABB公司的一體化S-ARC1系列AFDD選型按照MCB的選型要求,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

住宅中推薦AFDD產(chǎn)品應(yīng)用于臥室的照明和插座回路。AFDD產(chǎn)品住宅應(yīng)用方案如圖4所示。

該方案采用帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器GSH201為其下所有回路提供接地故障保護(hù)和接地電弧故障保護(hù),臥室的照明和插座分回路上采用一體化電弧故障保護(hù)器S-ARC1,直接替代傳統(tǒng)的MCB,提供過電流保護(hù)、串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧故障保護(hù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖4 AFDD產(chǎn)品住宅應(yīng)用方案

4 結(jié) 語

電弧故障引起的電氣火災(zāi)隱患已成為當(dāng)前不容忽視的問題,低壓電氣裝置的電弧故障防護(hù)成為設(shè)計的熱點。S-ARC1系列電弧故障保護(hù)電器提供可靠、有效的解決方案,為建筑物的電弧故障保駕護(hù)航。