试论电弧故障断路器及故障电弧的辨别

试论电弧故障断路器及故障电弧的辨别

王鲁剑

（国网山东省电力公司东营供电公司山东东营257091）

摘要：社会经济的不断发展以及人们生活质量水平的不断提升对电力系统的安全性和稳定性提出了更高的要求，因此，在电力系统中安装电弧故障断路器是非常必要的。文章中重点探讨了电弧故障断路器的工作原理以及故障电弧的基本特点和相关的测算技术，旨在实现对二者的辨别，为相关工作人员提供有效的指导。

关键词：电弧故障；断路器；故障电弧

就目前情况来看，电弧故障断路器在我国尚属于初级发展阶段，人们对其功能的认识还不够明确，电弧故障断路器和故障电弧探测装置都是为了保证电力系统的稳定性和安全性而存在的，因此，对这二者进行全面的分析是非常必要的。

一、电弧故障断路器的基本工作原理

故障电弧断路器的工作理念最早来源于美国的UL1699标准，它认为，故障电弧断路器（ArcFaultCircuitInterrupters，简称AFCI）是一项电路保护技术，它的主要功能在于提升电力系统的安全性，防止由电路中存在的故障电弧所引起的火灾。故障电弧的存在是非常广泛的，比如生活中常见的电线、插座等。如果使用年份过长都可能存在电弧故障隐患，很容易导致火灾等灾害的发生。曾有调查研究表明，故障电弧是引起家庭火灾的主要原因。

绝缘体也就是不可以导电的物体，当其被强大的电压击穿之后就会出现发出光热的现象，这也就是电弧的“打弧现象”。故障发生的载体类型多样，因此，故障电弧具有极强的突发性和随机性，同时也有一定的稳定性。故障电弧主要有三种基本类型，分别为串联电弧、并联电弧，以及对地电弧。电弧故障所产生的电压是非常大的，因此，常见的漏电保护装置、断路器等电路保护装置对故障电弧的保护作用微乎其微。但是故障电弧断路器可以有效减少故障电弧造成的损失。目前，我国的故障电弧断路器研发工作仍处于初级阶段，目前市场中存在的故障电弧断路器设备基本上是以120V，69HZ负荷为标准进行开发的，针对我国的AC220V，50HZ的配电系统的设备研发目前还是一个比较新的课题。但是，电弧故障断路器在我国有着非常良好的发展前景，相信我国相关工作人员一定会不断加大该方面的科研力度，早日研发出符合我国供电系统标准的故障电弧短路设备。

二、故障电弧

（一）故障电弧的工作原理

电弧是一种离子体，是气体产生的游离放电现象，电弧的温度极高，但是它的电流却很小，而且持续的时间相对较短，一旦电弧中出现了击穿点那么就会经常出现。电弧的产生通常伴随着大量的热能，因此极易引发物体的燃烧，加大火灾发生的风险。电路中的电弧可以被分为正常电弧及故障电弧两种。

加大火灾的发生几率就是故障电弧最主要的负面作用，通常情况下，故障电弧的中心温度可以达到3000-4000摄氏度以上，极高的温度通常会伴随大量金属溶解物质的产生。为了保证电力系统的安全性，故障电弧探测装置的使用是非常必要的。比如目前应用较为广泛的HS-E系列故障电弧探测装置，它可以准确判断相线上故障电弧存在的位置，同时它具有标准的RS485系统，这有利于实现远程的监控工作，增减电力系统的安全性。故障电弧检测设备的应用范围非常广泛，比如一些人群比较密集的工作场所和工作建筑。

故障电弧可分为串联电弧和并联电弧两个类型。当出现并联电弧时，由于产生的电流较大，因此断路器可能会产生一定的保护作用。当导体被断开的空间较小时，电弧就成为了一个与原有负荷相互串联的负载。在发生电路故障的过程中，电压和电流通常不会呈现出单纯的正弦波形，而且它们常会伴随巨大的噪音，电弧故障下的电压及电流的特点如下，首先电弧的幅值会不断降低，而且电流的流量也会比较少，由于电弧故障的随机性，故障电弧的发生时，电弧具有极强的随意性，有时也会出现随机的电弧波形。

（二）故障电弧的测算技术

故障电弧不会持续发生，因此，为了实现准确判断故障电弧的目的，工作人员一定要致力于提升故障电弧检测设备的辨别能力。这首先需要对形成干扰的电压、电流以及这些负载下，电弧发生时的电压和电流的波形性进行全面的探究分析。

比如对电源开关的电弧和电流波形特征进行研究，对调光灯的电弧电路的波形特征进行研究等等。在日常生活中，电源开关的电弧所产生的电压和电流是比较常见的，比如电视、电脑、冰箱、空调器等，它们本质上都是作为负载的开关电源，这类负载在工作过程中所产生的电流通常情况下都具有很大的峰值变化，而且在电弧发生的阶段之内，电流的幅值也会不断的发生变化，部分周期的平肩部位在很长一个阶段之内虽不存在较高的峰值，但是却会出现高频的锯齿。

而调光灯一类的设备在出现电弧现象的过程中，与其正常的工作状态存在的差别并不大，基本具有相似的波形。UL1699标准提出，在调节导通角分别为30度、60度、90度的状态下，电弧故障短路器不应该出现失误性工作。这类设备在产生电弧时的电流特点为，电流的幅值较小，而且电流在进行持续脉冲的过程中会频繁的出现变化而且经常性的出现高频的锯齿波，这种特点可以成为日常生活中对调光灯进行负荷判断的一种标准和依据。

再比如说当吸尘器出现电弧时，它的电流会呈现出电流峰值逐渐较小、电流上升的速率逐渐增大等特点。真空吸尘器在出现电弧时所产生的波形与不发生电弧时的波形基本相近。日常生活中出现电弧的几率是非常大的，因此，掌握电弧出现时电流的特性，可以有效的预防火灾等安全事故的发生，对于保证人们的生命和财产安全具有非常重要的意义。

（三）故障电弧的判断方法

目前，工作人员通常会借用单片机或是DSP等处理系统来判定电器设备是否存在故障电弧，是否存在发生灾害的风险。我国的故障电弧判断和测量的技术目前发展比较缓慢，相关部门和工作人员尚未制定出清晰的故障电弧电流标准。为了进行有效判断，工作人员一定要对负载的特性进行系统性的分析，以此来判断电流是否会持续的发生，这不仅要求人员的专业性，也要求故障电弧断路器设备要具有极高的可靠性和稳定性。

UL1699给出的故障电弧的判断标准是，在0.5秒内，如果有8个半周期的电弧被检测到，那么就一定要跳闸。但是UL1699标准是由美国提出来的，而美国国家的电网是60Hz，8个半周期也就是66.67ms，这与我国的电网标准存在着较大的差别。我国的电网频率是50Hz，因此，8个半周期也就是80ms左右。为了实现对电弧的有效测量，电弧故障判断器需要对电路的电压波形进行全面的检测，因此，它必须要具有完整的控制部件、脱口部件、电压检测部件、剩余电流部件等等构成部分，其中的控制部分需要以微处理器为核心。根据UL1699标准，目前的电弧故障断路器被分为五个基本类型，即支路/馈线式、出口线路式、组合式、线路式以及便携式。

结语

总而言之，为了实现供电的持续性和安全性，一定要推广和安装电弧故障断路器。直接引进其它国家的设备和技术是不科学的，因此一定要注意加大研发力度，使其适应我国电力系统的供电特性及供电设备，促进我国电力事业的进一步发展，提升我国居民的生活质量和水平。

参考文献：

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