故障电弧保护装置在工程中的应用

由于国内相对应的故障电弧探测器产品较少，在如何实施此条规范问题上产生了一些混乱。施工图审查单位要求按规范实施，但由于设计人员对故障电弧保护认识不足及符合规范的产品稀缺，以致此条规定难以实施。随着相关产品制造标准的出台，目前已具备了电弧故障保护器（AFDD）的设计、生产和使用条件。

笔者试从电弧故障引起火灾的起因、电弧故障保护装置的特性和国内外技术发展现状出发，就其在工程中的应用，提出参考意见，供广大设计人员参考。 

        现有建筑电气火灾的防护方式及局限性  

1 建筑电气火灾防护方式

建筑电气火灾防护方式主要分为以下两大类。

a. 建筑消防系统：包括火灾自动报警系统、应急照明及疏散指示系统、防排烟系统、消火栓与自动灭火系统等。

其中大多设施注重火灾初期的逃生及灭火，电气火灾探测报警系统主要是采用剩余电流式电气火灾探测器系统及温度电气火灾探测器。

b. 建筑电气保护开关：包括熔断器、断路器、剩余电流保护器等。剩余电流电保护器（包括剩余电流探测器）是通过对剩余电流的检测来实现对人身触电及火灾的防护。熔断器、断路器主要是在电路发生短路或严重过负荷时保护电路，预防过流引起高温导致火灾的发生。

2 现有配电保护开关对电弧故障保护的局限性

剩余电流保护器（RCD）可以通过检测电器装置内的泄漏电流和由电痕化电流引起的对地燃弧而有效减少火灾危险。

然而事实上，RCD、熔断器或小型断路器（MCB）不能减少由带电导体之间的串联电弧或并联电弧引起的电气火灾危害。串联电弧发生时，由于没有产生对地泄漏电流，因而RCD无法检测到这类故障，而且串联电弧的故障阻抗降低了负载电流，使得电流低于MCB或熔断器的脱扣阀值。

在相线与中性导体之间产生并联电弧时，电流受限于装置的阻抗，最严重的情况是偶发间隙电弧，传统的断路器并不是为此目的而设计的，也难以保护此类故障。

电弧的故障电流通常在 100 A以下，而持续稳定电弧的故障电流多在10 A以下，对于这类故障电流，常规的以电流幅值为判断依据的过流保护器是不能完全保护的。

以我国现代住宅中的常规终端插座支路为例，插座处的预期短路电流一般在150 ~ 500 A之间，保护开关通常安装额定电流为16 A、附带RCD的C型曲线的微型断路器。在不发生对地泄漏的情况下，回路故障电流小于160 A时，很难保证断路器在0. 1 s内瞬动切断故障电流，为电弧故障引起火灾留下了隐患。

国外使用故障电弧保护装置的时间并不长，美国最早开始使用的故障电弧断路器（AFCI）也只有20年左右。AFCI经在住宅中使用后，被认为对电气火灾防护有效，1999年美国UL制定并颁布了故障电弧保护的第一部标准：UL 1699（故障电弧断路器标准）。

美国国家电气规范（NEC）2002版制定了故障电弧保护使用的强制性规定（NEC 2002 - 210. 12 A、B）：

①所有在卧室内安装的支路，都要安装故障电弧断路器，以保护整条支路；

②单相电源线加插头连接的室内空气调节器需要安装电弧保护装置。NEC 2008（210. 12B）版扩大了故障电弧断路器使用范围，要求所有分支电路都要安装故障电弧断路器。

2003年，美国国家消防协会（NFPA）对安装故障电弧断路器作出了以下结论：故障电弧断路器可以防范75 % ~ 80 % 的电气线路火灾。

2004年8月1日后，美国要求在市场销售的家用空调必须带具有电弧保护功能的电源插头。2007年，美国电气制造商协会（NEMA）发布《电弧故障断路器提高家居安全》白皮书，该白皮书认为电弧故障断路器能在火灾起始阶段就阻止其发生，是“防患于未然”的技术。

2014年，美国UL 474要求2017年以后销往北美的除湿机必须装配带故障电弧防护功能的保护器。

相比美国对故障电弧断路器的应用，直到2013年欧洲国际电工委员会才推出故障电弧的防护标准：IEC 62606 - 2013《General requirements for arc fault detection devices》。亚洲的许多国家对电弧检测和保护的研究相对起步更晚，也正在进行故障电弧防火技术标准起草。

随着设计标准GB 50116 - 2013《火灾自动报警系统设计规范》的出台，我国相关部门相继制定并发布了与故障电弧检测有关的2个国家标准：

GB / T  31143 - 2014《电弧故障保护电器（AFDD）的一般要求》（2015年4月1日实施）；

GB14287. 4 - 2014《电气火灾监控系统第4部分：故障电弧探测器》（2015年6月1日实施）。

上述标准的技术性能和相关检测方法目前适用于额定电压不超过240 V、额定电流（In）不超过63 A、末端安装的 AFDD产品。

在国外，美国最先提出了电弧防护技术，伊顿、西门子、德州仪器、施耐德、GE公司也相应推出了故障电弧防护产品（AFCI），但是这些产品仅适用于北美电网AC120 60 Hz，而且产品的高误报率也阻碍了故障电弧产品的发展。

韩国KESCO公司推出了AFCI产品，但也仅生产适用于120 V 60 Hz线路的产品，不适合中国国情。

在国内，研究适用于中国市场的故障电弧保护产品也刚刚起步，有十几家公司正在进行产品的开发，虽然大多还没有成熟的产品推出市场，但已有一些公司从故障电弧的起因出发，通过对故障电弧检测信号源、低压配电线路系统传输函数、故障电弧信号衰减理论、可靠性、采样互感器等一些列研究与试验，找出了故障电弧的有效判据，开发出了高可靠性AFDD产品。

以天津中力公司产品为例，该公司的FADD故障电弧检测器件（Fault Arc Detection Device）是按照国家标准并借鉴国际标准（IEC）研发的。FADD按功能分为二级配电电弧监测和末级配电电弧保护两类。

其中末级配电电弧保护的产品又可细分为单一保护型和多重保护型两种。单一保护型产品具有电弧保护功能，多重保护型产品则具备多种保护功能。FADD外形如图2所示

具有二级配电电弧监测功能的FADD主要安装在配电柜或配电箱中，对整个后端线路进行防护，满足GB 50116 - 2013《火灾自动报警系统设计规范》要求，具有安装方便、剩余电流监测更准确、系统可拓展、管理功能强等特点。二级配电箱中故障电弧检测用FADD在配电箱内安装示例，如图3所示。

具有末级配电电弧保护功能的FADD有预报准确率高、多种保护功能、通用性强、应用范围广、电流规格全等特点。末端回路用FADD在配电箱内安装示例如图4所示。