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              胡宏宇:建筑物末端配电系统的故障电弧怎样防护?(亲“声”解读)

              电力在给人们带来便利的同时,各类由于绝缘故障引起的火灾危害也伴随着我们。根据中国消防年鉴2014年的统计,每年因电气故障引起的火灾占各类火灾数量的30 % 左右,而由电气故障火灾引起的损失比例更是高达40 %。


              为了减少此类危害和提高安全用电的可靠性,熔断器、断路器和剩余电流动作保护器等电气保护装置先后出现,这些装置很大程度上降低了各类由于绝缘故障引起的火灾危害发生风险。但这些以检测电流幅值及电压幅值为判断依据的保护装置,不能全方面地对电气火灾进行防护。


              图1为丹麦保险机构对各类电气火灾的成因分析,从中可以看出,如连接松动、老化及材料故障等是传统断路器等电气保护元件不可有效保护并可引起火灾的电弧类故障。




              1 配电系统的故障电弧分析

              电弧是不同电位的导电体非接触放电的产物,广泛存在于配电系统中。可靠的电弧故障防护建立在对电弧分析的基础上。


              典型的配电系统电弧分析模型如图2所示。根据产生电弧的极间关系有如下分类:串联电弧、并联电弧、接地电弧。




              日常用电中,下列使用中的不安全因素均可引起上述各类故障电弧:


              a. 电气连接不良引起的电弧:由于电气施工及震动等外力作用原因引起的电气紧固连接松动;金属老化或高温退火引起的插拔式连接松动。


              b. 导线单根断裂引起的电弧:由于外力作用或造成的单根导体断裂,导线通电时引起的串联电弧。


              c. 线路绝缘损害引起的线间电弧或与其他导电体间电弧。


              导线由于外力挤压、长期过载、鼠害及其他外界因素造成的绝缘损害,在电压的作用下引起的并联电弧或接地电弧。??


              2 故障电弧防护

              2. 1 电弧故障保护分析

              电弧出现的故障电流通常在 100 A以下,而出现持续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约在150 ~ 500 A之间。如保护元件通常安装符合GB 10963. 1标准的C型曲线16 A的微型断路器,如图6所示,在支路故障电流没有达到160 A时,很难保证断路器在0. 1 s内快速分断故障电流,为电弧故障引起火灾埋下了隐患。




              2. 2 电弧检测与防护

              熔断器、断路器和剩余电流动作保护器等电气保护装置,最大限度地降低了各类由于绝缘故障引起火灾危害发生的风险。但这些以检测电流幅值及电压幅值为判断依据的保护装置不适用于电弧故障,尤其是受阻抗限制的小电流电弧故障。


              电弧是一个物理现象,高阻抗电弧与电晕产生的高频脉冲,在交流配电系统中电弧频率通常叠加在工频电源频率上,如图7所示。




              随着数字电子技术的发展,通过检测系统电流频率来判断电弧故障的保护装置开始引入终端配电系统,致力于消除安全隐患,提高用电的可靠性。


              电弧故障检测历史可以回溯几十年。第一个电弧故障检测专利是在美国1983年获得的。自2001年以来,美国逐步引进AFCI(故障电弧断路器);2005 年在卧室15 / 20 A分支电路中使用AFCI成为国家安装规程中的一项要求;2008 年以来,该要求扩展为包括所有生活空间中的分支电路保护。


              在IEC标准体系中其他国家,也在其电气安装标准(如IEC 60364 - 4)中要求安装使用电弧故障检测保护装置(AFDD),扩展了基于剩余电流动作保护器和过电流保护装置降低电气火灾发生风险的现有保护概念,根据UL标准、IEC(EN)标准各故障类型对应的保护装置情况如图8所示。




              3 电弧故障检测产品原理与产品标准


              3. 1 电弧故障检测装置的基本设计原理

              AFDD的基本工作原理是检测分析电路中电流幅值及频率,鉴别系统中是否存在故障电弧,继而切断故障电路。图9显示了西门子的5SM6AFDD的基本原理框图。


              装置中的两个单独的互感器,分别是用于检测低频(线路频率)信号的电流传感器和用于检测高频信号的高频传感器。电弧故障检测装置(AFDD)工作时,如扫描22 ~24 MHz范围内的电流高频功率,经微控制器判断存在电弧故障时,AFDD即可驱动微型断路器等保护电器分断故障电路。




              3. 2 电弧的甄别

              日常生活中,如电器的接通与开断、气体放电灯、电钻电机类等电器的使用均会使配电系统中产生电弧信号(好弧),为正确地检测到故障电弧(坏弧)的同时,又要保证系统中电器设备的正常运行,以微处理器为核心的微控制器需要从电弧持续时间、系统电流、信号的稳定性对电弧进行初步的整理筛选,进而将查询的疑似电弧信号与处理器内存储的设备运行产生的工作电弧(好弧)模型进行比对。找出系统中的故障电弧(坏弧)。图10概括了AFDD的判断关系,其中心区域面积为故障电弧。




              3. 3 电弧故障检测产品标准

              上世纪90年代故障电弧保护产品AFCI在美国出现后,国际IEC组织也积极地投入到其产品标准的研究制定上,经过成员国的共同努力,2013年发布了IEC 62606 - 2013《General requirements for arc faultdetection devices》产品标准,与IEC同步我国目前相关标准化组织也发布了等同采用IEC标准的JB? /? T 11681- 2013《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》,目前该标准的国标转化过程也在进行中。


              上述标准规范目前适用于最大额定电压不超过240 V,最大额定电流(In)不超过63 A的末端安装的AFDD产品的技术性能和相关检测方法。标准中对串联故障电弧及并联故障电弧的保护分断时间要求如表1和表2所示。




              上述产品标准规定了对不同类型故障电弧的最大动作时间,也规定了在典型负荷使用中产品不能发生误动作:电动机驱动的真空吸尘器;小型开关电源设备;电子调光设备;电动机起动设备;气体放电灯及带电子整流的灯具;手持电动工具等。


              与RCD等电子设备一样,AFDD设备须能承受IEC标准和我国标准要求的相关抗干扰及电磁兼容性试验验证。



              AFDD装置是用于电气装置系统的新型保护装置,有助于有效降低电气火灾风险。全球专业技术人员对电弧故障分析和电弧模型的建模数据库工作一刻也没有停止,使用于更高额定电流的分支电路及三相电流应用提供保护的产品标准的研究已进入尾声。同时对于光伏系统、通讯等直流系统中的直流电弧保护需求也在积极研究中。西门子已有光伏直流电弧检测产品。


              我国一些电气设计规范已提出使用AFDD装置。



              作者:

              胡宏宇,西门子(中国)有限公司,高级工程师,标准法规经理。

              潘毅,西门子(中国)有限公司,产品管理经理。

              钱朝刚,西门子(中国)有限公司,产品经理。


              本文有删减,全文载于《建筑电气》2016年第3期,详文请见杂志。


              版权归《建筑电气》所有。


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