新型防火灾保护电器发展趋势及标准研究*

刘金琰, 周积刚

(上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063)

新型防火灾保护电器发展趋势及标准研究*

刘金琰, 周积刚

(上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063)

介绍了新型防火灾保护电器——电弧故障保护电器国内外产业领域现状和发展趋势,提出了国家标准制定的的主要内容及产品的技术难点。指出应开发并推广适应我国供电类型、用电设备的电弧故障保护电器,以提供完整的火灾保护措施。

电弧故障保护电器; 电弧故障断路器; 电弧发生器; 屏蔽试验; 误脱扣试验

0 引 言

随着社会日趋发展、科技不断进步和城镇化进程的不断加快,现代化程度越来越高,电气设备、通信设备等应用越来越多,家居及办公条件不断改善和提高,电气火灾造成的损失也越来越大。据我国消防年鉴统计,由电气故障原因引发的火灾占总火灾损失的33%以上,是发达国家比例的数倍。从近期国内外火灾成因统计得出,故障电弧是引起电气火灾的主要成因,这是因为目前的传统保护电器,如断路器、熔断器、剩余电流保护电器都只能检测过载、短路和接地故障电流的情况;而串联电弧的电流一般都小于额定电流,传统的保护电器检测不到;并联电弧的电流虽然较大,但其偶发性强,持续时间太短,传统保护电器还来不及反映,也无法起到保护作用。因此,存在用电保护漏洞,对人们的财产及生命安全造成极大危害。

电弧故障保护电器(Arc Fault Detection Device,AFDD)是新型的防火灾保护电器,能检测电气线路中的故障电弧,并在可能引发电气火灾前切断电路,能有效防止由于线路绝缘老化或接触不良产生的串联电弧、线路和线路之间以及线路对地之间故障产生的并联电弧所引发的电气火灾,可以弥补用电保护漏洞。传统保护电器和AFDD的配合应用,将提供完整的火灾保护措施,对保护人身安全和财产安全具有重大意义。

1 国内外产业领域现状和发展趋势

1.1 产业现状

接触不良,线路老化和破损容易发生电弧故障。固定家居中可能包含许多潜在的电弧故障发生,如台灯插入插座；推动沙发顶住插座的线缆;门板夹住线缆;或往墙上钉住一幅画而刺破墙后的电缆绝缘等,都可能引起电弧故障。接线端子没接牢,打火形成串联电弧。故障电弧的特点是温度高、电流小、持续时间短,一旦出现击穿点,则会频繁出现。电弧放电时会产生大量的热,引燃周围的易燃、易爆品,造成火灾甚至爆炸。

随着电弧故障事故越来越凸显,对电弧故障进行检测的要求越来越迫切,针对电弧故障的研究也越来越多。因AFDD可以安装在各种插座和配电箱内,既可以供家庭、办公室使用,也可以在各种大型超市、商场、机关、医院、工厂、库房、油库、加油站、炼油厂、管道石油运输的各控制点等场合应用,还可以安装在空调、电加热器等大功率电器装置中,即使在汽车、舰船、航空航天器都可以得到使用。采用这种新技术的电弧故障保护电器将大量降低家居火灾中人身伤亡的数量。

1.2 国外发展趋势

国外对于电弧故障的危害认识较早,对电弧故障的特性、数学模型进行了深入的研究。多年来,电弧故障火灾预防技术的开发和应用一直受到国际上消防和低压电器领域的普遍关注。2002年在瑞士召开的第21届国际电接触学术会议上,有多篇论文特别介绍了电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupter,AFCI)。目前许多国家都在组织制订相应标准,并积极开发新型防护产品,并把AFCI作为当前低压电器研发的一个重要方向。利用电弧的电流电压检测电弧故障最成功的是AFCI技术。美国于1993年首次提出AFCI,在AFCI预防火灾技术方面,一直保持领先水平。美国国家电气规程(NEC)关于电弧故障保护出台了一系列的强制性规定。AFCI第一次出现在NEC的1999年版本中,要求家庭卧室中给插座供电的支路都要使用AFCI;经过进一步的分析,NEC的2000年版本中,要求扩展为:卧室所有支路,包括给照明器具、烟雾报警器和其他电器等供电的支路都要使用AFCI;NEC的2008年版本中,安全要求更进一步: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,要求住宅所有单元的15～20 A支路插座都要用组合式AFCI(住宅所有单元包括厨房、起居室、客厅、藏书室、书房、卧室、阳光房、娱乐间、储藏室、走廊或类似房间和区域)。随着北美一些强制性的法令出台,AFCI产品在民用建筑电气、飞机电气等领域得到了应用。UL 1699《电弧故障断路器》规范是AFCI的美国标准,于1999年发布了UL 1699第1版,2006年发布了第2版,2008年对第2版进行了部分修改。目前按UL 1699标准生产AFCI的主要厂家有Eaton、GE、Siemens、SquareD、德州仪器等。

美国的AFCI适用于典型的北美配电系统120 V,但这些产品不适于保护240 V的系统。所以国际电工委员会(IEC)于2007年开始做AFCI标准的前期研究,于2008年正式立项为《电弧故障检测电器(AFDD)的一般要求》,由国际电工委员会家用和类似设备分技术委员会电击防护工作组(IEC/SC23E/WG2)负责研究240 V系统电弧电流着火点曲线图、电弧诊断和评估,确定AFDD脱扣曲线,考虑不同的负载电缆和电器,以避免误脱扣。IEC已于2013年7月形成一份国际标准IEC 62606:2013《电弧故障检测电器(AFDD)的一般要求》。

1.3 国内发展趋势

随着对电弧故障火灾危害认识的不断深入和国外各种新型防护产品的面世,国内一些科研院所及企业相继开展了相关基础理论及应用技术的研究,主要进行了以下工作。

(1) 针对电弧火灾故障电流的随机性及正常电弧电流之间相似性,上海电器科学研究院、西安交通大学、浙江大学、公安部沈阳消防研究所等搭建了故障实验平台,利用高速数字信号采集系统实时记录电弧产生瞬间的电弧电流/电压波形,初步采集了一些常用电气设备在起动、运行和发生电弧故障时的电流和电压波形,为故障电弧的辨识提供一定的样本,收集了部分故障电弧的数据库。

(2) 对故障电弧进行了初步研究,得到了故障电弧的一些重要特征,如发现在电弧故障的电压和电流波形中存在高频噪声分量;电弧产生后有一个瞬间压降,由于存在瞬间压降,电弧电流比同电路中非电弧电流要低;电弧电流上升速率一般比正常电流快;在每半个周期内,电弧在电流正常零点前熄灭,而后在正常零点后重燃,从而形成了一个接近平坦的零电流区域(平肩正弦波);电压波形近似矩形波;在正常电流中时而突发电弧现象等。这些特征为电弧故障的识别提供了参考依据。

(3) 相继研制了一些电弧故障检测电器产品。

国内有宁波习羽电子发展有限公司、杭州鸿世电器有限公司(浙江大学)和巨邦电气有限公司(绵阳何瑞电子有限公司)等企业生产电弧故障保护电器。有些产品按照UL 1699的标准开发研制;有些按现在正在制订的国家标准草案的内容改进产品。有些产品带过流保护、短路保护、欠压保护、过压保护、电弧保护、故障记忆等功能;有些产品将故障电弧、剩余电流和过流短路三项检测保护功能合为一体,适用于空调器、微波炉、吸尘器、暖风机、干燥机、热水器等多种家用电器;有些产品是固定安装的,适用于办公、住宅的供电保护。

上海电器科学研究院一直在同步参与IEC 62606:2013的研究工作,也参加了IEC 62606:2013的特别起草小组。上海电器科学研究院根据几年来对国内外AFDD产品的研究工作,于2011年向国家标准化管理委员会提出制订AFDD产品标准的申请,并获得批准,国家标准计划编号为20121649-T-604,已于2014年发布GB/T 31143—2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》。

2 国家标准制订的主要内容

2.1 标准的技术性能水平

烟雾报警器、灭火器、紧急逃生梯等都是从家庭火灾中快速逃生的方法,但是AFDD在火灾起始阶段就阻止火灾发生,防患于未然。

AFDD是一种新型电气防火保护装置,它的主要功能是当检测到负载端产生有害电弧时,短时间内切断电源,以免发生电气火灾。AFDD利用先进的电子技术,采用集成电路、MCU等搭建的控制平台,实时自动控制,技术含量较高。它既要识别出有害电弧脉冲(如电缆、开关、接插件等因电线老化、电器故障、负荷过重、接触不良等产生易引起电气火灾的电弧)迅速将电源切断,又要将其他正常电弧(如电吹风、手电钻、空气压缩机、吸尘器、电焊机等产生的电弧脉冲)和干扰脉冲(如节能灯、调光调速开关、静电放电、射频干扰、电涌冲击、电器装置等产生的脉冲)区别开来,不能产生误动作。AFDD最大的优点是电气火灾隐患从量变到质变之前(即火灾发生前)已切断电源,是一种先进的电气防火产品。

2.2 标准制订的目标和研发内容

2.2.1 标准制订的目标

与国际标准IEC 62606:2013同步制订国家标准,预期达到当前国际水平。

2.2.2 研究内容

研究内容包括电缆试品碳化通道形成的试验方法、电弧发生器的构成、串联电弧试验方法、并联电弧试验方法、屏蔽试验和误脱扣试验。

AFDD基本原理是使用微处理器对负载电流半周进行采样,再对采样的数据进行分析比对,如果符合电弧的特性,就被认定为一个故障电弧,当0.5 s内发现了10个或8个以上的故障电弧就及时断电,以避免电气火灾的发生。很多的负载电流与故障电弧电流的样式非常接近,所以要识别故障电弧,就需要知道其他负载的电流轨迹,准确判断故障电弧。经过对大量电弧波形的研究,发现所有电弧都具有一些共同的特性,这些特征可作为判别故障电弧的依据之一。

电弧的一般特征还不足以用来判别正常电弧和故障电弧,因为对于抑制性负载,其起动和停止时可能产生类似电弧特征的信号,并且不同的负载的特征也不尽相同。因此,判别故障电弧还需要区分不同的负载特征,将负载特征与电弧特征作为判别的依据。

制订标准研究的核心内容如下:

(1) 电缆试品碳化通道形成的试验方法。该试验方法基于对用于电气装置通用电缆中导线的精确切割,以及对导线的高压预处理,从而导致导线区域碳化,模拟导线的绝缘老化情况。

(2) 电弧发生器的构成。电弧发生器由一个固定电极和一个移动电极构成,使电弧条件具有重复性。当接入电路中时,两个电极分开至一个合适的距离,以便在电极间产生稳定的燃弧。

(3) 串联电弧试验方法。AFDD应在其额定电流及以下电流进行试验,在规定的时间内断开故障电弧。试验方法模拟电路中突然出现串联电弧故障、接入带串联电弧故障负载、闭合串联电弧故障时的情况。

(4) 并联电弧试验方法。若燃弧电流在0.5 s内符合规定的半波数量,AFDD应断开故障电弧。试验方法模拟限流并联电弧、切割电缆并联电弧试验、接地电弧故障时的情况。

(5) 屏蔽试验。由AFDD检测的信号可能被屏蔽,从而不能被AFDD检测到,直接导致电气装置内部电弧引发的危险不能及时得到消除,在这种情况下,AFDD在降低火灾危险方面是无用的。因此,AFDD通过屏蔽试验是很重要的。

(6) 误脱扣试验。该试验涉及某些不同类型的负载,以检查AFDD在正常燃弧下不脱扣。此类误脱扣试验的难点在于受制于所使用的负载,负载的多样性是巨大的,每年将有新型负载(主要是电子)产生新型信号导致误脱扣。此类试验的再现性也很困难,如有可能,引入几个等效的常规试验,如针对电涌电流的误脱扣试验。

目前,最大的技术难点是识别出有害电弧脉冲(如电缆、开关、接插件等因电线老化、电器故障、负荷过重、接触不良等产生易引起电气火灾的电弧)与其他正常电弧(如电吹风、手电钻、空气压缩机、吸尘器、电焊机等产生的电弧脉冲)和干扰脉冲(如节能灯、调光调速开关、静电放电、射频干扰、电涌冲击、电器装置等产生的脉冲)等,以免AFDD出现误动作。

3 结 语

AFDD的市场化生产还处于起步阶段。目前有个别电弧故障断路器产品问世,都是在参考国外标准或各自小规模试验的基础上设计的。由于缺少完整、全面且符合我国负载特点的故障电弧和正常电弧模式以及特征参数数据,这些产品在应用中不可避免地发生误动作或不动作现象,尤其由于国内产品标准刚发布,尚无开展该产品的认证工作,造成产品良莠不齐,还难以评估其有效性。

AFDD可大量使用于住宅、商场、办公楼、车间等各种建筑的终端,与剩余电流保护电器配合使用,将提供完整的火灾保护措施。AFDD市场容量很大,目前该类产品在国内市场上属于空白,但市场前景良好。GB/T 31143—2014弥补国内该项产品标准的空缺,待相关检测认证细则出台后,AFDD产品将有着广阔的市场前景和较好的经济效益。

[1] 赵长征,邸曼,高伟.电气火灾防治与调查技术[M].沈阳:辽宁大学出版社,2011.

[2] 陈德桂.低压电弧故障断路器——一种新型低压保护电器[J].低压电器,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

刘金琰(1966—),女,教授级高级工程师,从事终端电器标准化工作。

上海智能电网用户端设备与系统工程技术研究中心项目(13DZ2280800)

TM 561

B

1674-8417(2015)01-0005-04

2014-10-10

周积刚(1943—),男,教授级高级工程师,从事低压电器的研发工作。