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電弧故障探測器行業標準

發布時間:2018-02-05瀏覽次數:1617

故障電弧檢測-凱隆電器



1 前言  

對于電氣火災事故,終究以光與熱現象出現。電弧即以的現象展現從弧光至燃燒,如短路、接觸不良、漏電、故障電弧導致的火災。所以,檢測故障電弧屬于對造成電氣火災事故的危險信號實質的一種判斷。  本文基于現階段兩個均在審批階段的標準:消防電子產品標準《電弧故障探測裝置》GB14287.4與低壓電器產品行業標準JB/T XXXX《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》,結合AFD&AFDD產品未來發展之預見對其應用進行探討,希望兩個標準的發布實施對未來我國民眾用電安全提供更強的保障。  

 2 電氣系統中的故障電弧  

電弧是一種氣體游離放電現象,也是一種等離子體。電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動的結果,其中,電子的移動構成電流的主要部分。  

根據電弧產生的機理,電弧可以分為2類:

好弧(插拔電器時產生的弧等)和壞弧(故障電弧)。故障電弧主要是由于電線等電氣絕緣老化、破損、空氣潮濕等引起的氣體擊穿或者電氣連接松動原因造成的。

故障電弧根據電弧電流的強度,可以分為高水平電弧和低水平電弧。故障電弧根據

弧產生的位置又可分為3類,即串型電弧、對地電弧以及并型電弧。  

電弧的特點是溫度很高,電流相對很小,持續時間短,一旦出現擊穿點則會頻繁出現。電弧放電時會產生大量的熱,能引燃周圍的易燃易爆品,進而造成火災甚至爆炸。比如,根據《中國火災統計年鑒》顯示,因電氣原因引發的火災在各類火災中高居榜首,約有30%的火災是由住宅電氣線路老化或配置不合理造成的,并正以平均每年1%的速度持續上升,6.6%的人在使用插座板時曾有被電擊的經歷;美國聯邦航空管理局(FAA)指出電氣故障是無數商業飛機事故的主要問題;軍方也認為電氣故障是造成安全問題和飛機不能準時起飛的重要原因。在引起這些事故的電氣原因中,電弧故障是主要的原因之一,而傳統的熔斷器和電子斷路器不能滿足電弧故障檢測這個要求。

這是因為目前的斷路器主要以檢測過載電流情況為主設計,即以熱保護”(I2Rt)為設計,低水平電弧的電流很小,甚至小于額定電流,因此以熱保護設計的斷路器不會動作;而高水平電弧的電流雖然較大,但是故障電弧其燃弧持續時間往往不足以使傳統斷路器達到保護動作條件,不能做出立即保護動作引發火災事故。  

 3 關于標準  

3.1 國外標準與國內標準情況  在美國,根據CPSC(Consumer Product Safety commission美國消費品安全委員會)1998年的統計,每年由于配電線路老化引起電弧造成的火災超過40000起,造成直接經濟損失達16.8億美元。  

美國州消防署署長全國協會(簡稱NASFM)在后來的電氣火災原因調查研究報告中也指出,故障電弧占電氣火災的83%.

所以,為了有效減少電氣火災,美國電氣規范(NEC2002)210-12(A)(B)要求在新建建筑和老建筑的臥室安裝AFCI斷路器和AFCI墻插座,而所有的空調要安裝AFCI插座。因為安裝后作用明顯,所以NEC2008增加AFCI的使用范圍,(210-12(B))要求,幾乎分支電路都要求安裝故障電弧斷路器AFCI.

美國國家消防協會(NFPA)2003年對安裝AFCI的經濟情況做出了結論:AFCI可以防范大約75%~80%的電氣線路火災,NFPA估算全美住家裝設AFCI包含20年的老房子(每住家平均用175美元成本),所花費的成本與未裝設時預估會發生火災的傷亡和財產損失相比較,總計整個社會(全美約二百萬家庭)AFCI壽命期(20~30)內可以節省幾乎雙倍投入成本的好處,也就是可以給國家節省雙倍的資金,而且還會帶來巨大的社會效益。  

UL1699是美國用于規范AFCI產品的標準,UL 1699發展于20世紀90年代,用以識別由過電流產生的電弧而造成的家庭火災。傳統的斷路器可以對過電流提供保護,然而有研究發現,在沒有過電流發生的情況下,由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發打火,從而引起火災。現在UL1699可用于規范AFCI技術在普通斷路器、墻式安裝插座以及插頭線AFCI(cord AFCI)。  

國際標準方面,2007IEC開始研究該技術,2009年正式確定此產品為電弧故障檢測裝置(AFDD),并開始起草相應的國際標準建議書,而且還預先發布了AFDD的國際標準號IEC 62606.  

在國內,早在二十世紀七八十年代,我國電氣行業中就有一些工程技術人員對故障電弧危害具有一定認識,但由于當時技術條件限制及對危害認識的不足未能開展相關研究工作。進入九十年代,不少業內人士關注美國相關故障電弧技術及產品的發展,直至2000年初國內才有少數技術人員開展實質性研究工作。

2010年全國低壓電器標準化委員會(SAC/TC189)其項目組開始對AFDD進行研究和相關試驗,同時持續進行國際標準的跟蹤和研究。2013年,低壓電器標準化委員會將《電弧故障保護電器(AFDD)一般要求》納入年內國家標準制修訂計劃項目。如今,故障電弧探測裝置已成為消防產業及低壓電器行業關注的焦點技術之一。

經過國家相關部門多年努力,現階段兩個均在審批階段的標準:消防電子產品標準GB14287.4《電弧故障探測裝置》與低壓電器產品行業標準JB/T XXXX《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》預計年內都有望發布實施。   

3.2 國內消防標準和行標的一般區別與融合特征  

 3.2.1 一般區別   

GB14287相關標準由公安部提出,歸口到全國消防標準化技術委員會火災探測和報警分技術委員會(SAC/TC113/SC6);JB/T XXXX-XXXX《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》由中國電器工業協會提出,由全國低壓電器標準化技術委員會(SAC/TC189)歸口。   標準簡稱的區別:所屬于消防標準GB14287.4《電弧故障探測裝置》簡稱為“AFD(Arcing Fault Detectors)”;低壓電器產品標準中《電弧故障檢測裝置》簡稱為AFDD(Arc Fault Detection Device)   

                                              

標準應用范圍的區別:GB14287.4歸屬于消防產品標準,即電氣火災監控系統第四部分:故障電弧探測裝置,該標準適用于民用建筑中10kV及其以下電氣線路中安裝使用的故障電弧探測裝置(AFD);行標“AFDD”適用于家用和類似用途的交流電路的電弧故障檢測裝置。

標準對產品功能要求的區別:GB14287.4“AFD”以實現探測故障電弧報警為主要目的;行業標準“AFDD”以檢測電弧故障并可立即斷開保護電路為主要目的。其主要細節區別如下:

對于GB14287.4“AFD”中從對故障電弧報警功能的要求來看,其作為電氣火災監控探測器的一種類型顯而易見,例如標準中對報警功能明確提出以下幾點:   

(1)被探測線路內若在1s內發生11個及其以上半周期的故障電弧,探測器應在30s內發出聲、光報警信號和控制信號,聲光報警信號應能保持,直至手動清除。

(2)探測器應設有一組控制輸出,在檢測到電弧故障時,控制輸出應在1s內動作。

(3)探測器在誤報警試驗過程中,不應發出報警和控制信號。

(4)探測器在負載抑制性試驗過程中,探測器應在30s內發出報警和控制信號。   在《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》中從結構類型分類可見,“AFDD”以檢測電弧故障并可立即斷開保護電路為主要目的應用。

例如在其范圍提出幾個重要內容。   

AFDD由制造商指定:   

(1)作為在規定的條件下能斷開被保護電路的帶有斷開機構的單一裝置;   

(2)或作為一種與保護電器組合在一起的單一裝置;   

(3)或作為獨立單元,與已聲明的保護電器(CBRCCBRCBO)現場組裝的AFDD.   

整體式的保護裝置應是符合GB 10963.1CB或符合GB 16916.1GB 16917.1GB 22794RCD.   

可以預見“AFD”在未來應用中更多依據建筑設計規范中對消防安全要求的考慮,需采用“AFD”。與此同時,隨著“AFDD”技術的成熟化,未來該類產品將勢必與漏電斷路器一樣在我國被普及應用。簡而言之,消防標準中“AFD”要求比行業標準應用要求更為明確。   

3.2.2 融合特征   

無論是消防的“AFD”還是行業標準“AFDD”均是針對故障電弧的保護裝置。兩個標準均相應參考UL1699《電弧故障斷路器(AFCI)》中的有關試驗方法。消防的“AFD”產品與“AFDD”本身具有融合的特征,只是在針對采用符合的標準相應要求上有所區別。

在《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》章節“4分類中:

4.4選擇性AFDD”指出,選擇性AFDD是一種在某些條件下不會脫扣,而允許其下端AFDD脫扣的AFDD同時在其章節“4分類:

4.1根據結構類型分:4.1.3由符合附錄DAFD單元與符合一個或多個標準GB 10963.1GB 16916.1GB 16917.1GB 22794的相關保護電器現場組裝的AFDD其中所述的AFD單元這里指的是電弧故障檢測單元(arc fault detection unit),是AFDD的一部分,確保檢測和辨別危險的接地電弧故障、并弧故障和串弧故障的功能;并驅動開關電器動作以斷開電路。

相比較GB14287.4中要求探測器(AFD)應在規定時間內發出聲、光報警信號和控制信號而言,聲光報警信號應能保持,直至手動清除。可見,GB14287.4“AFD”以監控報警為主要目的,對是否驅動開關電器動作以斷開電路未作明確要求,而行標“AFDD”以檢測斷電為主要目的,對是否提供報警功能未作要求。   

4 產品應用   

隨著人們對故障電弧認識的加深,相當一部分人意識到對故障電弧的防范已刻不容緩,建議加快推廣使用故障電弧保護裝置。例如,在古建筑群、古村落、商業老街、風景區、博物館等重要建筑物中作為防火安全優先考慮產品。未來,隨著故障電弧檢測技術的進一步發展與應用的不斷擴大,隨之該類產品消費的價格水平能夠惠及我國千家萬戶滿足普通家庭安全用電需求。   

江蘇凱隆電氣有限公司作為消防電氣及低壓電器產品研發與制造企業,參與了行業標準會議及探討,并在行業內率先推出電弧故障檢測裝置,包括電弧故障探測器、電弧故障斷路器及監控系統方案。   

(1)電弧故障探測器(AFD)   CKAT系列電弧故障檢測裝置見圖3,產品符合GB14287.2GB14287.4標準。   

該產品由AFD單元結合小型斷路器設計,能對低壓配電分支線路中可能由電弧、漏電及過流三大導致電氣事故隱患進行報警防范與保護。產品具有LCD實時數據顯示、漏電報警值可設置、可選擇限流功能、無線組網及電能計量管理功能。產品可作為支路總保護使用。   

(2)電弧故障斷路器(AFCI),最大應用額定電流63A及以下,能及時切斷負載供電線路中產生短路、過載、電弧及漏電故障電源。產品具有LED狀態指示、故障記憶、負載(>2A)LED指示功能、漏電警示功能,能夠實現無線組網及電能管理功能。產品符合GB16917.1AFDD行業標準。   

(3)監控系統

1)采用RF無線網絡的AFD火災隱患監控系統;   

2)WIFI+LCD室內電氣監測系統;   

3)智能化網絡系統平臺。   

采用在原有具備短路、過載、漏電等保護功能基礎上增加具有故障電弧防護功能的保護電器或裝置,在終端電氣火災事故防御上又增設了一道屏蔽防護網。   

5 結束語   

在民用、工業、交通等領域內都一定程度的存在著電弧威脅。由于電弧的能量大,對設備、人員的危害很大,但是目前的熔斷器、斷路器等保護裝置只能對過流、短路等情況進行檢測和保護,不能起到對電弧檢測和保護的作用。因此,電弧檢測和保護的需要很迫切,意義非常大,既有社會效益,也有經濟效益,而且其應用的領域非常廣泛。   

目前,國內有幾所高校在開展對故障電弧的研究,同時只有少數幾家企業在電弧保護方面取得了一些成果,隨著人們對電弧故障危害的認識及行業應用推廣的加深,在家庭用電以及航空航天領域的電弧保護還有待進一步發展。【凱隆電器



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