故障電弧保護裝置在工程中的應用

由于國內相對應的故障電弧探測器產品較少，在如何實施此條規范問題上產生了一些混亂。施工圖審查單位要求按規范實施，但由于設計人員對故障電弧保護認識不足及符合規范的產品稀缺，以致此條規定難以實施。隨著相關產品制造標準的出臺，目前已具備了電弧故障保護器（AFDD）的設計、生產和使用條件。

筆者試從電弧故障引起火災的起因、電弧故障保護裝置的特性和國內外技術發展現狀出發，就其在工程中的應用，提出參考意見，供廣大設計人員參考。

現有建筑電氣火災的防護方式及局限性  

1 建筑電氣火災防護方式

建筑電氣火災防護方式主要分為以下兩大類。

a. 建筑消防系統：包括火災自動報警系統、應急照明及疏散指示系統、防排煙系統、消火栓與自動滅火系統等。

其中大多設施注重火災初期的逃生及滅火，電氣火災探測報警系統主要是采用剩余電流式電氣火災探測器系統及溫度電氣火災探測器。

b. 建筑電氣保護開關：包括熔斷器、斷路器、剩余電流保護器等。剩余電流電保護器（包括剩余電流探測器）是通過對剩余電流的檢測來實現對人身觸電及火災的防護。熔斷器、斷路器主要是在電路發生短路或嚴重過負荷時保護電路，預防過流引起高溫導致火災的發生。

2 現有配電保護開關對電弧故障保護的局限性

剩余電流保護器（RCD）可以通過檢測電器裝置內的泄漏電流和由電痕化電流引起的對地燃弧而有效減少火災危險。

然而事實上，RCD、熔斷器或小型斷路器（MCB）不能減少由帶電導體之間的串聯電弧或并聯電弧引起的電氣火災危害。串聯電弧發生時，由于沒有產生對地泄漏電流，因而RCD無法檢測到這類故障，而且串聯電弧的故障阻抗降低了負載電流，使得電流低于MCB或熔斷器的脫扣閥值。

在相線與中性導體之間產生并聯電弧時，電流受限于裝置的阻抗，最嚴重的情況是偶發間隙電弧，傳統的斷路器并不是為此目的而設計的，也難以保護此類故障。

   電弧故障保護分析  

電弧的故障電流通常在 100 A以下，而持續穩定電弧的故障電流多在10 A以下，對于這類故障電流，常規的以電流幅值為判斷依據的過流保護器是不能完全保護的。

以我國現代住宅中的常規終端插座支路為例，插座處的預期短路電流一般在150 ~ 500 A之間，保護開關通常安裝額定電流為16 A、附帶RCD的C型曲線的微型斷路器。在不發生對地泄漏的情況下，回路故障電流小于160 A時，很難保證斷路器在0. 1 s內瞬動切斷故障電流，為電弧故障引起火災留下了隱患。

   國外相關標準及應用  

國外使用故障電弧保護裝置的時間并不長，美國最早開始使用的故障電弧斷路器（AFCI）也只有20年左右。AFCI經在住宅中使用后，被認為對電氣火災防護有效，1999年美國UL制定并頒布了故障電弧保護的第一部標準：UL 1699（故障電弧斷路器標準）。

美國國家電氣規范（NEC）2002版制定了故障電弧保護使用的強制性規定（NEC 2002 - 210. 12 A、B）：

①所有在臥室內安裝的支路，都要安裝故障電弧斷路器，以保護整條支路；

②單相電源線加插頭連接的室內空氣調節器需要安裝電弧保護裝置。NEC 2008（210. 12B）版擴大了故障電弧斷路器使用范圍，要求所有分支電路都要安裝故障電弧斷路器。

2003年，美國國家消防協會（NFPA）對安裝故障電弧斷路器作出了以下結論：故障電弧斷路器可以防范75 % ~ 80 % 的電氣線路火災。

2004年8月1日后，美國要求在市場銷售的家用空調必須帶具有電弧保護功能的電源插頭。2007年，美國電氣制造商協會（NEMA）發布《電弧故障斷路器提高家居安全》白皮書，該白皮書認為電弧故障斷路器能在火災起始階段就阻止其發生，是“防患于未然”的技術。

2014年，美國UL 474要求2017年以后銷往北美的除濕機必須裝配帶故障電弧防護功能的保護器。

相比美國對故障電弧斷路器的應用，直到2013年歐洲國際電工委員會才推出故障電弧的防護標準：IEC 62606 - 2013《General requirements for arc fault detection devices》。亞洲的許多國家對電弧檢測和保護的研究相對起步更晚，也正在進行故障電弧防火技術標準起草。

   國內相關標準  

隨著設計標準GB 50116 - 2013《火災自動報警系統設計規范》的出臺，我國相關部門相繼制定并發布了與故障電弧檢測有關的2個國家標準：

GB / T  31143 - 2014《電弧故障保護電器（AFDD）的一般要求》（2015年4月1日實施）；

GB14287. 4 - 2014《電氣火災監控系統第4部分：故障電弧探測器》（2015年6月1日實施）。

上述標準的技術性能和相關檢測方法目前適用于額定電壓不超過240 V、額定電流（In）不超過63 A、末端安裝的 AFDD產品。

   國內外故障電弧保護技術發展現狀  

在國外，美國最先提出了電弧防護技術，伊頓、西門子、德州儀器、施耐德、GE公司也相應推出了故障電弧防護產品（AFCI），但是這些產品僅適用于北美電網AC120 60 Hz，而且產品的高誤報率也阻礙了故障電弧產品的發展。

韓國KESCO公司推出了AFCI產品，但也僅生產適用于120 V 60 Hz線路的產品，不適合中國國情。

在國內，研究適用于中國市場的故障電弧保護產品也剛剛起步，有十幾家公司正在進行產品的開發，雖然大多還沒有成熟的產品推出市場，但已有一些公司從故障電弧的起因出發，通過對故障電弧檢測信號源、低壓配電線路系統傳輸函數、故障電弧信號衰減理論、可靠性、采樣互感器等一些列研究與試驗，找出了故障電弧的有效判據，開發出了高可靠性AFDD產品。