电弧故障保护器在低压电气装置的应用

周 佺, 戴天鹰

[1.ABB(中国)有限公司 武汉分公司, 湖北 武汉 430060;2.ABB(中国)有限公司 上海分公司, 上海 200023]

0 引 言

依据每年的消防年鉴等不完全统计,电气火灾从2013年以后已经成为我国火灾首因,占火灾总数的1/3以上。如2017年前10个月的统计,因电气引发的火灾共有7.4万起,造成370人死亡,226人受伤,直接财产损失11.2亿元。

建筑物中电气设备、电气回路电弧故障引发的火灾给人们带来生命危险和财产损失。电气火灾的具体原因可归咎于电线受损、连接松动和设备缺陷引起的电气装置故障等,最终导致电弧故障,并引起火灾。因此,低压电气装置的电弧故障防护成为当前低压电气设计的关注热点。电弧故障保护器(Arc Fault Dection Device,AFDD)是在检测到电弧故障时,通过断开电路来降低燃弧故障影响的保护设备,能够对电弧故障进行全面防护。

1 电弧故障起因

电气装置在腐蚀性环境或振动环境中遭到啮齿动物破坏、设备自身有缺陷、安装不当均会导致绝缘破损。电流通过导线受损部分时,电流密度增加,由于电流热效应积累,造成绝缘层的温度过热,使该部位的铜氧化并随之融化,出现碳化导电通道,随后形成电弧。

电弧故障按其发生部位可分成接地电弧故障、并联电弧故障和串联电弧故障3种不同类型。

(1) 接地电弧故障。故障电流将从导线流入大地,形成泄漏电流回路。低压配电系统常用的剩余电流保护器(RCD)可以检测此泄漏电流,从而切断电源,避免泄漏电流引发的电弧,降低火灾风险。

(2) 并联电弧故障。电流从负载并联的导线之间通过,没有接地泄漏电流,RCD检测不到,无法进行保护;并联电弧故障电流值超过75 A,但远低于直接短路电流,不会使断路器或熔断器可靠动作。

(3) 串联电弧故障。电流从断开点的一条导线流过并通过负载,没有接地泄漏电流,RCD检测不到,无法进行保护;串联电弧故障电流通常为5～30 A,无法让线路过流保护的断路器或熔断器动作。

综上,传统的RCD仅可保护到接地电弧故障,而对串联电弧故障和并联电弧故障无法进行有效的保护。

2 AFDD的原理及应用特点

为了更好地实现接地故障电弧、串联电弧、并联电弧的有效保护,ABB公司研发专业的AFDD,同时将小型断路器(MCB)、带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)集成AFDD,实现对过电流、接地故障和电弧故障的有效保护。

S-ARC1是集成MCB的一体化AFDD,分断能力为6 kA或10 kA,能够同时提供短路、过载、接地电弧故障、并联电弧故障、串联电弧故障和过压造成的火灾保护。

S-ARC1基本结构如图1所示,由PCB部件和机械执行器组成。PCB部件由开关电源供电,采用高频和低频传感器持续检测高达10 MHz频率范围内的线路电流,然后将参数传给微控制器(MCU),MCU内的专门电弧故障算法对参数进行分析比对,一旦检测存在电弧故障的特征,MCU立即触发带晶闸管的电子执行器,让脱扣杆跳闸,从而切断电源。MCU同时还输出信号给LED灯指示报警。机械执行器包括脱扣杆(由MCU驱动用于电弧故障保护)、磁脱扣器(用于短路保护)和双金属片(用于过载保护)。

图1 S-ARC1基本结构

根据标准IEC 62606:2003[1]和IEC 60898-1:2015[2],S-ARC1脱扣曲线如图2所示。

图2 S-ARC1脱扣曲线

图2中,根据电弧故障电流大小分成3个区间。

(1) 电弧故障电流低于额定电流的区域,发生高阻值的串联电弧故障,MCB的短路和过载保护无法检测,通过AFDD的串联电弧保护功能检测并跳闸。

(2) 电弧故障电流在额定电流和磁脱扣可靠动作电流之间的区域,为并联电弧故障的典型值,MCB过载保护可检测,但是动作时间长,切断电源为时已晚,火灾已经发生。通过AFDD可提早发现此类型电弧故障,在100 ms左右切断电源。

(3) 电弧故障电流值超过磁脱扣电流的区域,是低阻抗的短路故障,由MCB的磁脱扣快速动作切断电源。

标准IEC 60364-4-42:2010[3]中规定,在以下条件下推荐安装AFDD。

(1) 有床铺的房间内,如家中和日托中心、养老院、精神病院、旅馆、医院等。

(2) 存在以下因素造成的火灾风险场所,加工或存放的材料,如仓房、木器堆积,加油站;易燃结构材料,如木制建筑物;火灾扩散构筑物,如高层建筑、易燃建筑物、强制通风系统。

(3) 含有不可替代货物的场所,如博物馆、研发中心、实验室。

德国是欧洲首个针对DIN VDE 0100-420中描述的应用提出强制安装AFDD规定的国家,自2017年12月18日起执行。标准要求在包含住宿和生活设备的房间,如家中和日托中心、无障碍公寓、存在火灾风险的场所以及含有不可替代货物的场所等,需在低于16 A的单相交流系统中的终端电路中强制安装AFDD;而在有床铺的房间、有火灾扩散构筑物的场所及终端电路中有用于高负载需求的电器电源插座,推荐使用AFDD。

目前,我国已发布AFDD产品的推荐性标准GB/T 31143—2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》,等同标准IEC 62606:2013,成为AFDD产品的制造和试验的依据,为电弧故障防护产品在建筑物电气装置的应用标准作铺垫。

S-ARC1型电弧故障保护器如图3所示。

图3 S-ARC1型电弧故障保护器

S-ARC1型电弧故障保护器优点如下:

(1) MCB和电弧故障保护器集成一体。相比传统的AFDD串联在MCB下面或把AFDD设计成附件拼装到MCB的产品,可减小现场连接带来的安全隐患。

(2) 体积紧凑。2个标准模数宽度,节省终端配电箱安装空间。

(3) 带有LED指示灯,可以快速故障诊断,减少停机维护时间。

3 AFDD选型应用案例

ABB公司的一体化S-ARC1系列AFDD选型按照MCB的选型要求,主要技术参数如表1所示。

住宅中推荐AFDD产品应用于卧室的照明和插座回路。AFDD产品住宅应用方案如图4所示。

该方案采用带过电流保护的剩余电流动作断路器GSH201为其下所有回路提供接地故障保护和接地电弧故障保护,卧室的照明和插座分回路上采用一体化电弧故障保护器S-ARC1,直接替代传统的MCB,提供过电流保护、串联电弧和并联电弧故障保护。

表1 主要技术参数

图4 AFDD产品住宅应用方案

4 结 语

电弧故障引起的电气火灾隐患已成为当前不容忽视的问题,低压电气装置的电弧故障防护成为设计的热点。S-ARC1系列电弧故障保护电器提供可靠、有效的解决方案,为建筑物的电弧故障保驾护航。