淺析故障電弧探測器在電氣防火中的作用與應用介紹

【摘要】： 分析了重大電氣火災數據。結合目前國內前沿的電氣火災探測技術，重點介紹了故障電弧式電氣火災監控探測器在火災預警系統中的重要作用，給出了基于多種探測技術的電氣火災監控系統的實現方案。

【關鍵詞】：故障電弧式電氣火災監控探測器; 測溫式電氣火災監控探測器; 電氣防火

 

     由最近幾年的火災調查統計結果顯示，我國每年 30% 以上的火災事故是由電氣火災直接引起的，有效地預防電氣火災對于保障人民生命和財產安全具有極為重要的現實意義。目前，我國正大力發展電氣火災監控系統以預防電氣火災?，F階段廣泛使用的預警系統重點是對電氣線路進行監控，監測配電線路的剩余電流和溫度兩類信號，在預防電氣火災發生方面取得了一定成效。但因為探測手段單一，新技術推廣應用力度小，監測范圍面小等原因，致使該措施仍有一定的局限性。為了更好地解決這一問題，通過對大量電氣火災的起火原因進一步分析得知，電氣起火的主 

要部位是電氣線路和用電設備，主要是短路、接觸不良、漏電、過載等故障引起。因此這幾類故障都應作為我們下一階段的防控重點。電氣火災監控系統也應具備應對這種故障的預警能力。國內科研成果“故障電弧式電氣火災監控探測器"對電氣線路和用電設備接觸不良、短路接地故障所產生的電弧具有很高的識別能力。大力推廣并應用這種新技術將對我國的電氣火災預防具有重要的意義。

1重特大電氣火災數據統計分析

     電氣火災發生場所所占比例分析如圖1所示。由圖1可見，工廠發生電氣火災的比例較大， 商業建筑次之，住宅、賓館、寫字樓及其他場所所占比例約為10%。因此，應將工廠、商業建筑、住宅作為電氣火災的重點防護對象。

 

圖 1 電氣火災發生場所比例

1.2電氣火災發生部位

    電氣火災發生部位所占比例分析如圖2所示。由圖2可見，電氣火災可能發生于電氣系統的電氣線路、用電設備、電氣設備及其他部位。電氣線路年久老化、不規范施工等，容易導致電氣火災；用電設備導致的電氣火災所占比例次之。電氣設備有專用的變電所、變電房，且一般有專人管理，火災概率僅占10%。綜上，電氣火災中的防護重點應集中在電氣線路和用電設備兩大部位，以電氣線路的防護為主，以加強用電設備的安全使用、管理為輔，可以避免大部分的電氣火災。

 

圖 2 電氣火災發生部位比例分析

1.3電氣火災起火原因分析

    電氣火災的起火原因主要分為突發性故障和漸變性故障兩種，起火原因所占比例如圖3 所示。突發性故障有短路和雷擊，其中短路原因中相間短路故障和金屬接地性短路故障各占 50% 。突發性故障主要由配電系統解決(如空氣斷路器、漏電斷路器等)，部分配電系統無法處理的突發性故障，如電弧性短路故障可由電氣火災監控系統作為輔助性監控手段，預防突變性故障引發電氣火災。漸變性故障有過熱、接觸不良、過負荷、電氣故障、漏電等。電氣火災監控系統應主要解決漸變性故障，通過采用多種探測技術相配合的方法，對配電系統及用電設備進行全面監視，能很好地避免此類故障，從而減少電氣火災的發生。

 

圖 3 起火原因比例分析

2.1剩余電流式電氣火災監控探測器

    剩余電流式電氣火災監控探測器如圖4所示。

 

圖4 剩余電流式電氣火災監控探測器

     剩余電流為電氣火災發生的主要原因之一，剩余電流式電氣火災探測器通過監測配電回路的剩余電流來預防配電回路的接地性故障，同時對配電線路和用電設備的絕緣進行監測，其次也為配回路判斷正常泄放電流提供了參考依據。

     剩余電流式電氣火災探測器可以對整個配電回路的泄漏電流進行監測。通常布置在一級或二級配電系統中，也可布置到三級配電系統，從而更準確地定位故障部位，為接地故障的排查工作提供便捷。

 

2.2剩余電流式電氣火災監控探測器

     測溫式電氣火災監控探測器如圖 5 所示。

圖5 測溫式電氣火災監控探測器

     過熱也是產生電氣火災的主要原因之一，測溫式電氣火災探測器主要針對過熱故障進行防控。常用的測溫式電氣火災探測器按照其探測區域可分為基于點式的測溫探測器( 如熱電偶、鉑電阻) ，基于線式的測溫探測器( 如光纖感溫、感溫電纜) 和基于面式的測溫探測器( 如紅外熱像儀) 。這些探測器通過監測配電系統中某一配電裝置或用電設備( 配電柜、配電箱、配電線路連接部位、用電設備等) 的溫度變化超標時產生報警信號，從而達到預防電氣火災的目的。其特點是只對監測對象的某一點或局部范圍有效。

     基于點式測溫探測器一般布置在一級、二級配電柜或配電箱內的電纜和配電設備連接處，用于監測電氣接點處的溫度變化; 也可布置于配電柜或配電箱的頂端，用于監測整個柜子的溫度變化; 還可布置在系統中關鍵設備和關鍵線路易出現過溫的故障點。

     基于線式測溫探測器一般布置在敷設線纜的橋架、地下電纜管道、豎井等處，用于對敷設線纜的溫度進行監控。也可布置于大型的變配電設備、用電設備等易發生過熱的部位，如變壓器、電動機等。

     基于面式測溫探測器一般采用紅外測溫技術，其工作原理為: 一切溫度高于零度的物體都在不停地向周圍空間發射出紅外輻射能量，物體紅外能量輻射的大小及波長的分布與其表面的溫度有著密切關系，因此通過對物體自身輻射紅外能量的測量就能得到其溫度。紅外熱像儀就是由多個紅外探測傳感器組成的矩陣實現的。這類探測器一般價格比較高，適合配置于安全級別和可靠性要求較高的配電裝或用電設備。

 

2.3熱解粒子式電氣火災監控探測器

     熱解粒子式電氣火災監控探測器如圖 6 所示。

 

圖6熱解粒子式電氣火災監控探測器

     熱解粒子顧名思義就是物質受熱時分解出的粒子，粒子是由能夠以自由狀態存在的較小物質組成。無論何種原因引起的電氣火災，都體現為導體發熱。低壓配電柜內發生電氣故障時主要的發熱體是電線與保護電器，在低壓配電柜內發熱分解出的粒子主要是煙粒子及氣體粒子。利用粒徑分析儀器進行相關試驗，發現試驗材料( 電線與保護電器) 存在臨界熱解溫度。低于該溫度，熱解產生的煙氣量極低，無法進行可靠探測; 當受熱溫度高于該臨界溫度后，煙氣開始加劇析出。電線及保護電器材料的臨界溫度一般在 150 ℃ ～220 ℃。通過光學煙密度計，測量該溫度區間的煙粒子濃度響應范圍為0． 02% obs/m ～ 0． 52% obs/m。前可對該范圍煙粒子濃度進行早期探測的主要吸氣式探測器和激光探測器，但這兩種設備的探測原理均由激光LED 作為光源，探測器直接根據散射的狀況作為火災判定的依據，無法避免灰塵、水汽等原因引起的誤報，即使加裝過濾器也無法有效避免。試驗同時發現，當試驗材料受熱達到 150 ℃后，就會發出一種燒膠皮、燒塑料的難聞氣味，主要是電線因過熱燒焦絕緣外皮所散發的味道，氣味的出現甚至早于煙粒子的析出。低壓配電柜內發生電氣故障時主要的發熱體是電線與保護電器，發出難聞氣味的也主要是電線的聚氯乙烯( PVC) 絕緣外皮及保護電器的絕緣護套( ABS料) 。熱解粒子式電氣火災監控探測器是在此基礎上開發的新技術，該技術不但可以進行配電柜內電氣火災的早期探測，還能很好地解決配電柜內灰塵的干擾問題。 

     熱解粒子式電氣火災監控探測器一般配置于一級或二級的低壓配電柜內、大型數據中心的網絡機柜內、通訊基站的重要通信設備機柜內等，對配電設備監控的空白，有助于實現配電設備發生電氣火災的早期預警。

 

2.4故障電弧式電氣火災監控探測器

    故障電弧式電氣火災監控探測器如圖7所示。

 

圖7 故障電弧式電氣火災監控探測器

     短路和接觸不良也是產生電氣火災的主要原因，大部分短路性故障可以由配電系統功能解決，還有一部分短路性故障表現為短路產生故障電弧?，F階段的配電系統還存在一定的盲區，不能對此類故障進行有效地監測與防護，主要原因是短路接觸面或產生故障電弧的線路阻抗限制了短路電流的大小，常使斷路器達不到動作條件。這種故障危害性非常大，致使配電線路的絕緣物質迅速碳化起火，或由于局部高溫引燃故障點周圍的易燃物質從而產生電氣火災。故障電弧式電氣火災監控探測器是一種能夠識別故障電弧的電氣火災探測裝置，方便接入現有電氣火災監控系統，能實時監測被監控線路或設備的電壓、電流及故障電弧數據，可在故障電弧監測值超出報警閾值后立即發出報警信號。這種技術可以有效彌補現有電氣火災探測技術的不足，通過提前預警或切斷故障電源從而有效減少因故障電弧引起的電氣火災。

 

3.1故障電弧探測器的保護特性

     傳統的熔斷器和空氣斷路器不能滿足故障電弧檢測的要求，這是因為斷路器主要是以檢測短路過載電流為目的，故障電弧具備在很小電流的情況下( 一般大于 0． 5A) 就引發火災的可能性。對于小電流并伴隨著有故障電弧發生的情況，因電流值達不到保護裝置熱保護的動作電流值，故保護裝置不會動作，對于大電流并伴隨有故障電弧發生的情況，因燃弧持續的時間短，不足以傳統斷路器保護動作，從而引發電氣火災。通常，故障電弧探測器主要是采用檢測電壓、電流頻域和時域的特征來識別故障電弧，保護動作受電流的大小影響較小，其特性有別于傳統斷路器。斷路器和故障電弧探測器保護特性的區別如圖 8所示

 

 

圖 8 斷路器和故障電弧探測器保護特性

 

3.2故障電弧探測器的作用和意義

     在低壓配電終端線路中常見的有 3 類故障電弧: 串聯故障電弧、并聯故障電弧、接地故障電弧。串聯故障電弧是由于一根導體發生機械斷裂、接頭處松開或插頭接觸不好等產生，其故障電弧與負載是串聯的。并聯故障電弧是一種短路電弧故障，故障電弧往往是與負載并聯的。并聯電弧電流決定于絕緣損壞程度和線路阻抗的大小，并且往往是間隙性的故障。因而，一般的過電流和剩余電流保護裝置是不能檢測串聯和并聯電弧故障的。接地故障電弧發生于帶電導線接地或因絕緣損壞與接地金屬導體接觸的情況。故障電弧電流的大小與接地電阻大小有關，一般的電氣保護裝置有時會檢測不到故障，而故障電弧探測器具備識別上述 3類故障電弧的能力，因此通過廣泛推廣故障電弧式電氣火災監控探測器，可以很好地預防故障電弧引發的電氣火災。 

     故障電弧探測器既可用于電氣線路的監控，也可用于對用電設備的監控，覆蓋了可能發生電氣火災的絕大數部位。同時故障電弧式火災監控探測器作為一種新型的電氣火災探測裝置，可以有效地對短路性電弧故障和接觸不良故障進行防控，兼有故障報警和保護兩種功能，其電弧故障保護功能是其他保護電器不可替代的，也是目前電氣火災監控系統中探測技術的 

重要補充。故障電弧探測器將在電氣火災防護中發揮巨大的作用。

     故障電弧探測技術在國外很早就得到了廣泛地推廣和應用，并且取得了很好的電氣火災防控效果。典型的產品有故障電弧斷路器 AFCI，產品標準為 UL 1699《電弧故障斷路器》。該技術在國內的應用目前還處于初始階段。我國GB 14287． 4—2014 的正式發布有助于該項技術快速推廣并走向國內應用市場，進一步提升我國電氣火災的防控水平。

 

4.1故障電弧探測器的安裝與使用

     故障電弧探測器一般安裝于配電線路的末端，或者是用電設備的供電端。主要保護對象是配電線路和用電設備。通常情況下建議安裝在終端用戶配電箱的入戶端，或者一些大功率用電設備的供電端。公共照明部分典型設置示例如圖9-11所示。

 

     故障電弧式電氣火災監控探測器隸屬于電氣火災監控系統，其本身具備監控報警功能，同時也能滿足接入現有電氣火災監控網絡的要求。含有故障電弧探測器的電氣火災監控網絡示意圖如圖9所示。

 

4.2故障電弧式電氣火災監控探測器的注意事項

     故障電弧式電氣火災探測器的基本探測原理是通過監測電氣回路中電流和電壓特征點的方法來區分故障電弧和正常電弧，這就要求被監測線路中某一回路產生故障電弧時的電流特征參數能被探測器區分，因此，安裝故障電弧探測器的被保護線路的分支應盡量少。電氣火災產生的初期一般是一個點，然后逐漸擴大到面，故障電弧探測器適合小范圍多點布設。當探測到故障電弧發生時，發出報警的同時還可立即斷開故障點的供電電源，不影響其他用電設備。

 

5.1概述

    故障電弧探測器對接入線路中的故障電?。òü收喜⒙撾娀?、故障串聯電?。┻M行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災的故障電弧時，可以進行現場的聲光報警，并將報警信息傳輸給電氣火災監控設備，以實現預警火災發生的目的。

    故障電弧集中顯示單元適用于工業與民用建筑中10KW及其以下的電氣線路，其保護線路長度不宜大于100米。產品遵循國標GB 14287.4-2014。

 

5.2 應用場合

      適用于醫院、養老院、學校、商業建筑、賓館、工廠、庫房、圖書館、辦公室、家庭住宅、以及娛樂場所等等領域。

 

5.3 系統結構

 

5.4 系統功能

      1）監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位"按鈕或觸摸屏的“復位"按鍵遠程對探測器實現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。

 

      2）當被監測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

      3）通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

 

      4）當發生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

 

5.5配置方案

 

要使電氣火災監控系統有效地運行，需要應用多種探測技術監測可能引發電氣火災的故障信息，同時應在易產生電氣火災的場所廣泛布控; 電氣線路、用電設備為電氣火災發生的重災區，應作為重點監控對象加以保護; 而因短路、接觸不良、接地性等故障產生的故障電弧又是電氣線路、用電設備發生電氣火災的主要原因，也是目前電氣防火領域的空白。所以，故障電弧式電氣火災監控探測器應得到積極、大力的推廣，從而有效地減 少電氣火災的發生。

 

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