浅析故障电弧探测器在电气防火中的应用

摘要：对主要的电气火灾资料进行了分析。针对当前我国电力火灾探测技术的发展现状，着重阐述了电弧型电气火灾监测探测器在消防报警系统中的地位，并提出了一种以各种检测技术为基础的电力火灾监测系统的具体实施方案。

关键词：故障电弧式电气火灾监控探测器; 测温式电气火灾监控探测器; 电气防火

0引言

根据近年来的火灾调查与统计，我国每年发生的火灾事故占30%以上，因此，如何有效地防止电气火灾，对人们的生命财产安全有着十分重要的意义。为了防止电力火灾，我国正在积极开发电力火灾监测系统。目前，普遍应用的电力预警系统主要集中于电力线路的监测，以及对配电线路的剩余电流、温度等信号的监测，在防止电力火灾中起到了一定的作用。但由于检测方法单一、新技术推广和应用不多、监控覆盖面较窄等因素，使得其存在着一些局限。通过对大量电气火灾的原因进行深入的分析，发现主要是电力线路和电力设备，主要由短路、接触不良、漏电、过载等故障所致。所以，这些类型的故障都应该是下一步要做的工作。同时，电力火灾监测系统也应该有相应的报警功能。我国研制的“故障电弧型电气火灾监测探头”，对电线、电力设备接触不良、短路接地故障等故障，具有较高的识别性能。在电力系统中大力推广和运用，对于我国电力系统的火灾防治工作有着重大的现实意义。

1重特大电气火灾数据统计分析

1.1电气火灾场所分布

图1显示了电气火灾现场的比重。从图1可以看出，在工业厂房中，电气火灾的比率更高，其次是商业楼宇，住宅，宾馆，写字楼等，大约10%。所以，应把工厂、商业建筑和住宅作为重点保护对象。

1.2电气火灾发生部位

图2显示了电气火灾的构成比例。从图2可以看出，电气火灾可以在电气设备、电气设备和其它地方发生。电线年久老化，施工不规范，易引发电气火灾；其次是使用电器引起的电器火灾。电力设施有专门的变电所、变电所，通常由专门的人员来管理，发生火灾的几率只有10%。因此，对电力系统的安全保护要着重于电力系统的电力系统和电力系统的电力系统的保护，同时要加强对电力系统的安全使用和管理，才能有效地防止电力系统的火灾。

1.3电气火灾起火原因分析

电力火灾的原因有两类，一是突发故障，二是逐步失效，二是失火。在突发故障中，有50%的故障是由相间短路引起的，也有50%是由金属接地引起的。突发故障主要通过配电网（例如空气断路器、漏电断路器等）来解决，一些突发的突发故障，比如电弧短路，可以通过电力火情监测系统来进行辅助监测，防止突发故障引起的电气火灾。渐变故障有过热，接触不良，负载过大，电气故障，漏电等。电力火灾监测系统应该以逐步变差为重点，采用多种检测技术，对电力系统和电力设备进行全方位监测，可有效地防止这种故障，降低电气火灾的发生。

2预防电气火灾的关键探测技术

2.1剩余电流式电气火灾监控探测器

剩余电流是造成电网火灾的主要原因，监测剩余电流，可有效预防配电线路的接地故障，监测电网和电网的绝缘情况，以确定配回路是否正常放电。

利用剩余电流式的电子火警探测器，对整个电网进行全面的漏电监测。通常配置在一、二次配电网中，或在三级配电网中，能准确定位故障并检测接地故障。

2.2剩余电流式电气火灾监控探测器

过热也是引起电器火灾的一个重要因素，温度计的电子火灾探测器主要是为了防止发生过热故障。目前，常见的测温型电子火警探测器，根据检测范围，可以将其划分为以热电偶、铂电阻为基础的测温探测器，如光纤温度传感器、传感电缆，以及以平面为基础的温度检测器（如红外线热象仪）。这些检测器通过监控配电系统内的配电设备或用电设备（配电柜、配电箱、配电线路连接部位、用电设备）的温度变化超过一定值时，会发出报警信号，以防止电器起火。它的特征是只有在特定的点或者区域内才能起作用。

点式测温检测器通常布置在一、二次配电柜或配电柜的电缆与配电装置的连接处，用以监控电力接触点的温度变化；它还可以安装在配电柜或配电箱顶部，以监控全柜内的温度变化；也可以设置在关键设备、重要线路上容易发生过热的故障部位。

基于线性测温的检测器通常设置在电缆敷设的桥架、地下电缆管道和竖井中，以监测电缆敷设的温度。还可以安装在变压器、电动机等较大的变、配电设备、电力设备等容易产生过热的地方。

表面型测温检测器通常使用的是红外测温技术，它的工作原理是：所有温度超过零下的物体都会不断地将红外辐射能量释放到周围的空间，而目标的红外辐射强度和波长分布与其表面的温度有很大的关系，所以可以通过测量目标的红外辐射来获得它的温度。利用多个红外检测元件构成的矩阵，可以有效地解决红外热成像问题。这种类型的检波器通常价格较高，适用于对安全性、可靠性有较高要求的配电装置或电力装置。

2.3热解粒子式电气火灾监控探测器

热解颗粒，顾名思义，是物质在加热时被分解的颗粒，而颗粒则是由更细小的颗粒，它们可以以自由的形式存在。不管是什么原因造成的，都是由导线产生的热量所表现出来的。在低压配电柜中，当发生电气故障时，主要的发热体是导线和保护设备，在低压配电柜中产生的热量以烟颗粒和气体颗粒为主。通过对实验数据的分析，得出了测试材料（导线和保护设备）存在的临界热解温度。在此温度以下，热解过程中会产生非常低的烟气，不能进行有效的检测；在超过此临界温度的情况下，烟气中的沉淀现象会更加严重。电线和电气防护材料的临界温度通常为150~220摄氏度。在此温度范围内，用光学烟雾密度仪测定了烟雾颗粒的浓度，其反应范围为0.02% obs/m~0.52% obs/m。在此区域，可以用来探测烟雾颗粒的浓度，而激光探测器和吸气探测器都是以 LED为光源，探测器以散射状态为基础，无法避免灰尘、水汽等因素造成的误报警，即使安装了滤网也无法避免。实验中还发现，在加热到150摄氏度的时候，会有一股烧胶皮、烧塑料的臭味，这是因为电线的温度太高，导致绝缘层被烧焦，而且这种臭味比烟雾颗粒的沉淀更快。在低压配电柜中，电线和保护电器是主要的发热器，而电线的 PVC绝缘外壳和保护设备的外壳（ABS材料）是产生难闻气味的。微粒热解电子火警探测器是基于这一技术发展起来的一项新技术，它不仅能够对配电柜内部的电气火灾进行早期检测，而且能够有效地消除粉尘对配电柜的影响。

热解微粒型电气火灾监测探测器通常安装在一、二、三的低压配电柜、大型数据中心的网络机柜、通讯基站的主要通讯设备机柜内，弥补了配电设备的监测不足，有利于对配电设备的电气火灾进行早期预警。

2.4故障电弧式电气火灾监控探测器

短路和接触不良也是引起电气火灾的重要因素，大多数短路故障可以通过配电网的功能来解决，但也有一些是通过短路引起的。目前，我国电力市场上的电力市场还存在着一些盲点，无法对这些问题进行有效的监控和保护，其主要原因是由于短路接触面或线路阻抗会限制其短路电流，从而导致断路器无法正常工作。该故障具有很大的危险性，会导致配电线路的绝缘材料快速炭化，引起燃烧，或者因局部温度过高，引起短路附近的可燃物，引起电气火灾。故障电弧型电气火灾监测探测器是一种能对故障电弧进行识别的电子火灾检测设备，它便于与已有的电气火灾监测系统相连接，可以对被监视的线路、设备的电压、电流、故障电弧等进行实时监测，当故障电弧监测超过警戒阈值时，可以及时发出警报。该技术能有效地弥补目前电力火灾检测技术存在的缺陷，并能通过对故障电弧进行早期报警或切断电源，有效地降低由于电弧故障造成的电气火灾。

3故障电弧式电气火灾监控探测器的重要性

3.1故障电弧探测器的保护特性

 由于断路器的工作原理是对短路过载进行监测，所以常规的保险丝和空气开关无法达到对故障电弧的探测，而故障电弧具有极低的电流（通常超过0.5 A）就会引起火灾。当出现小电流并伴有故障电弧时，由于电流值低于保护设备的热保护工作电流，因此，该保护设备将不工作，当出现大电流并出现故障电弧时，由于电弧持续的时间较短，无法使常规的断路器保护动作，从而引起电气火灾。故障电弧检测一般采用检测电压、电流频域、时间域的特征，对故障电弧进行检测，对电流的影响很小，与常规断路器的特点不同。图8显示了断路器与故障电弧检测器的保护性能差异

3.2故障电弧探测器的作用和意义

在低压配电网中，故障电弧主要有三种类型：串联故障电弧、并联故障电弧、接地故障电弧。串联故障电弧是指导线机械断裂、接头松动、插头接触不良等原因造成的。并联电弧是一种与负荷并联的短路电弧。并联电弧电流是由绝缘破坏的程度和线路阻抗的强度所决定的，而且常常是间断的。因此，常规的过流和残余电流保护设备无法对串联或并联电弧进行检测。当带电导线接地或由于绝缘损伤而与地金属导体接触时，会产生接地故障。由于故障电弧的大小与接地电阻的大小有直接关系，常规的电力保护设备可能无法发现故障，但由于故障电弧探测器具有识别以上3种类型的故障电弧，所以通过广泛的普及，可以有效防止由故障电弧引起的电气火灾。

故障电弧检测器不仅可以监测电力线路，而且还可以监测电力设备，它涵盖了所有有可能引发电气火灾的地方。同时，故障电弧型火灾监测探测器是一种能够有效预防短路电弧、接触不良等故障的新型电子火灾检测设备，它具有故障报警与保护双重作用，具有其它保护设备无法取代的优点，是当前电气火灾监测技术中检测技术的重要组成部分。

重要的附加内容。故障电弧检波器将会在电力防火中起到重要的保护作用。

故障电弧检测技术在国外早已被广泛推广和使用，在控制电气火灾方面取得了良好的成效。典型产品是《电弧故障断路器》 UL 1699标准的断路器 AFCI。我国的这项技术还处在起步阶段。国家 GB14287-4-2014标准的颁布，将有利于迅速推广和进入国内的应用市场，从而使我国的电气火灾控制能力得到进一步提高。

4故障电弧探测器安装使用及注意事项

4.1故障电弧探测器的安装与使用

故障电弧检测器通常设置在配电线路的端部或电力设备的电源侧。电力系统的主要保护对象为电力系统的电力系统和电力系统。一般推荐在最终用户的配电柜或某些高功率电器的电源上。

故障电弧式电气火灾监控探测器隶属于电气火灾监控系统，其本身具备监控报警功能，同时也能满足接入现有电气火灾监控网络的要求。

4.2故障电弧式电气火灾监控探测器的注意事项

故障电弧型火警探测器的基本工作原理是通过对电回路中的电流和电压的特征点进行检测，以区别正常电弧与故障电弧，需要在被监控线路上的某个回路发生故障时，检测器可以识别出故障电弧的特性，所以在被保护线路上安装故障电弧探测器时，要尽可能地减少故障电弧探测器的分支。电气火灾的早期通常为一个点，随后逐步向内扩展，在小区域、多点布置时，采用了故障电弧检测器。在检测到电弧故障的情况下，可以在报警的过程中及时切断故障点的电源，不会对其它电力设备造成任何影响。

5安科瑞故障电弧探测器

5.1概述

故障电弧探测器对接入线路中的故障电弧（包括故障并联电弧、故障串联电弧）进行有效的检测，当检测到线路中存在引起火灾的故障电弧时，可以进行现场的声光报警，并将报警信息传输给电气火灾监控设备，以实现预警火灾发生的目的。

故障电弧集中显示单元适用于工业与民用建筑中10KW及其以下的电气线路，其保护线路长度不宜大于100米。产品遵循国标GB 14287.4-2014。

5.2 应用场合

适用于医院、养老院、学校、商业建筑、宾馆、工厂、库房、图书馆、办公室、家庭住宅、以及娱乐场所等等领域。

5.3 系统结构

5.4 系统功能

1）该系统可采集多个检测器的剩余电流、温度信息，报警时发出声、光报警信号，并将“报警”指示灯点亮，显示报警位置和报警类型，并记录报警的时间，声光报警持续不断，直到按下“复位”键或触摸屏上的“复位”键，对检测器进行远距离重置。还可以通过触摸屏幕上的“消声”按钮来手动地去除声音警报。

2)在被监控环路发出警报时，该控制输出继电器关闭，用以对被保护的线路或其它装置进行控制。

3)通信故障警报：在监测装置和接收到的任何一个检测器之间出现通信失败或检测器自身出现故障时，在监视器屏幕上对应的检测器会出现故障提示，并在该装置上亮起黄色的“故障”指示灯，并发出故障警报。电源故障报警：在主电源或后备电源出现故障时，该系统还会发出声音和光亮报警信号，并能显示故障信息。

4）当发生剩余电流、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。

5结束语

为了保证电力火灾的正常工作，必须运用各种检测技术对可能发生的电气火灾进行监测，并对容易发生电气火灾的区域进行广泛的布控；电力线路和电力设备是易发生电气火灾的主要场所，应当将其列为重点监控对象；而由短路、接触不良、接地等故障引起的电弧是电气线路和用电设备电气火灾的重要因素，是当前电气防火工作中的一个空白。因此，应积极大力推广故障电弧型电气火灾监测探头，减少其发生。

参考文献

［1］邬洲雄，刘汉宁，刘庆瑞．故障电弧探测装置的研究及发展趋势[J].低压电器，2014( 5) : 5-7． 

［2］余颖，顾伟国．电气火灾监控系统的应用[J].现代建筑电气，2013( 9) : 11-15． 

［3］李宁宁． 低压配电柜电气火灾监控新技术研究[J].建筑电气，2014( 7) : 26-28． 

［4］GREGORY G D，WONG K，DVORAKR E． More about arc-fault circuit interrupters  [J].IEE Transactions on Industry App Lictions，2004，40( 4) : 1006-1011． 

［5］ 周积刚，刘金琰．电弧故障断路器检测技术及相关标准［J］． 低压电器，2013( 22) : 50-56．

［6］ 张天福.浅谈故障电弧式电气火灾监控探测器在电气防火中的作用.电器与能效管理技术，2015No.21