一、故障電弧的前身

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，上世紀(jì)30年代開始，歐美國(guó)家通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)電弧的特性進(jìn)行不斷深入的理論研究，通過(guò)對(duì)電弧發(fā)生時(shí)伴隨的聲、光、熱、電磁輻射和電流、電壓等一系列物理信號(hào)的變化，提出了一系列的檢測(cè)解決方法。這些檢測(cè)方法在電力成套設(shè)備和架空線路等場(chǎng)景的弧光保護(hù)得到應(yīng)用。

這些檢測(cè)方法通常適用于密閉空間，能有效預(yù)測(cè)電弧發(fā)生點(diǎn)大概范圍以及能有效采集故障點(diǎn)的聲、光、熱等信號(hào)的場(chǎng)景，而這些條件在末端長(zhǎng)距離的線路檢測(cè)時(shí)并不具備，故障點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)往往不在同一個(gè)空間。

隨著美國(guó)最早在航天器內(nèi)部電路引入故障電弧保護(hù)，并將該技術(shù)開始規(guī)模應(yīng)用于民用電氣安全，隨后美國(guó)頒布了UL1699-1999標(biāo)準(zhǔn)。

一、故障電弧檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用情況

美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范（NFC）2002版強(qiáng)制規(guī)定：

①所有臥室內(nèi)安裝的支路都要安裝故障電弧斷路器。

②單相電源線加插頭連接的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)器需要安裝電弧保護(hù)了裝置。

美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范（NFC）2008版擴(kuò)大故障電弧保護(hù)器的使用范圍：

③所有分支電路都要安裝故障電弧保護(hù)器。

④2014年美國(guó)UL474要求銷往北美的除濕機(jī)必須安裝故障電弧保護(hù)器。

美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室UL及美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)NFPA等權(quán)威機(jī)構(gòu)一致認(rèn)為，電弧故障是導(dǎo)致家庭電氣火災(zāi)的主要誘因，而電弧故障保護(hù)技術(shù)可有效減少此類事故達(dá)75%以上。

2013年歐洲國(guó)際電工委員會(huì)推出IEC62606-2013故障電弧標(biāo)準(zhǔn)。

IEC60364-4-42強(qiáng)烈建議在以下場(chǎng)所使用故障電弧保護(hù)器AFDD

14. 設(shè)有臥室的客房
    14. 家庭和日托中心
    14. 養(yǎng)老院
    14. 精神病院
14. 存在易燃結(jié)構(gòu)材料造成的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所
    14. 木制建筑物
    14. 木器
    14. 加油站
    14. 倉(cāng)庫(kù)
14. 存在火災(zāi)擴(kuò)展構(gòu)筑物造成的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所
    14. 摩天大樓
    14. 研發(fā)中心
    14. 實(shí)驗(yàn)室

三、國(guó)內(nèi)故障電弧檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況

1. GB14287.4-2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第4部分:故障電弧探測(cè)器》，2014年6月1日頒布，2015年6月1日開始施行。

2.GB/T 31143-2014《電弧故障保護(hù)電器(AFDD)的一般要求》，2014年9月3日發(fā)布，2015年4月1日開始實(shí)施。

3. 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50116-2013規(guī)定：

條文說(shuō)明 高度大于12m的空間場(chǎng)所最大的隱患就是電氣火災(zāi)，因此設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。照明線路故障引起的火災(zāi)占電氣火災(zāi)的10％左右，此類建筑的頂部較高， 發(fā)火災(zāi)不容易被發(fā)現(xiàn)，也沒(méi)法在其上面設(shè)置其他探測(cè)器，只有設(shè)置具有探測(cè)故障電弧功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，才能保證對(duì)照明線路故障引起的火災(zāi)的有效探測(cè)。

4. 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019

5. 江蘇地標(biāo)《建筑電氣防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB32/T 3698-2019

6. 山東地標(biāo)《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》DB37/T 2863-2016

四、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況對(duì)比

從上面可以看出，歐美在故障電弧檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用方面領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，原因主要在于：

1.美國(guó)開展故障電弧檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用比較早，采用了技術(shù)漸進(jìn)的路線，前期將并聯(lián)電弧和串聯(lián)電弧分開處理，降低了技術(shù)應(yīng)用入門難度，提高了客戶體驗(yàn)度。后來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，才出現(xiàn)現(xiàn)在的combination AFCI。

2.電網(wǎng)系統(tǒng)不一樣，美國(guó)采用110v電壓供電，居民用電往往采用10kv/110V變壓器直接入戶，供電半徑小，負(fù)載相對(duì)比較單一和固定，系統(tǒng)干擾少。而國(guó)內(nèi)多采用10kv/380v變壓器供電，供電范圍往往是一個(gè)甚至幾個(gè)小區(qū)，有些地方工業(yè)用電和居民用電還是用同一個(gè)變壓器供電。

3.末端用電電器質(zhì)量不一樣，國(guó)內(nèi)很多用電電器EMC質(zhì)量不過(guò)關(guān)。而國(guó)內(nèi)電網(wǎng)重視無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)諧波治理沒(méi)有硬性要求，電網(wǎng)諧波污染比較大，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)故障電弧產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣。而且國(guó)內(nèi)對(duì)用電電器沒(méi)有規(guī)定使用年限報(bào)廢制度，雖然有些產(chǎn)品標(biāo)注了使用年限，但實(shí)際上基本都是用到報(bào)廢為止，電器隨著使用年限的增加，產(chǎn)品性能會(huì)不斷劣化。

4.規(guī)范的支持力度不一樣，美國(guó)的保險(xiǎn)商協(xié)會(huì)、消防協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)組織通過(guò)電氣規(guī)范對(duì)故障電弧技術(shù)大力支持，應(yīng)用范圍比較廣。而國(guó)內(nèi)規(guī)范只給故障電弧的應(yīng)用劃定了一個(gè)很小的范圍，而且只在高大空間才要求強(qiáng)制安裝，大大限制了故障電弧技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。目前只有山東的地標(biāo)對(duì)標(biāo)歐洲的IEC60364-4-42規(guī)范擴(kuò)大了故障電弧技術(shù)的部分應(yīng)用范圍。

5.國(guó)內(nèi)這幾年消防體制改革，市場(chǎng)監(jiān)管力度下降，導(dǎo)致劣質(zhì)產(chǎn)品泛濫，國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家只炒作技術(shù)概念，不注重產(chǎn)品本身性能，不關(guān)注安裝場(chǎng)景，用戶體驗(yàn)度不好，劣幣驅(qū)逐了良幣，市場(chǎng)進(jìn)入價(jià)格的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，不利于故障電弧技術(shù)的迭代升級(jí)。

故障電弧是電氣火災(zāi)的本質(zhì)安全技術(shù)，是有利于國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)傳感技術(shù)，離開了國(guó)家規(guī)范的支持和市場(chǎng)的監(jiān)管，將極大地限制該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展前景。

五、故障電弧技術(shù)的難點(diǎn)

除了前面提到的電源端（電網(wǎng)）、負(fù)載端（用電電器）和國(guó)外的不同，故障電弧在技術(shù)上還有以下難點(diǎn)。

1.行業(yè)內(nèi)將電弧分為“好弧”和“壞弧”，“壞弧”即故障電弧。這種分類更多地是從電弧帶來(lái)的結(jié)果來(lái)考慮的，而不是從物理特性來(lái)考慮的，引起電氣火災(zāi)的即是所謂的“壞弧”。既然都是電弧，就很難有一個(gè)數(shù)學(xué)物理模型來(lái)準(zhǔn)確地區(qū)分“好弧”和“壞弧”。

在一個(gè)固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路中，可以根據(jù)輸入，通過(guò)數(shù)學(xué)的方法來(lái)判斷輸出是否符合預(yù)期，從而確定線路中是否存在故障電弧，早期故障電弧技術(shù)在航天內(nèi)部電路檢測(cè)中運(yùn)用，就是依據(jù)這一原理。

實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是復(fù)雜的混合負(fù)載，電源端和負(fù)載端的特性可能是不確定的或者變化的，這給故障電弧的判別帶來(lái)了極大的困難。這也是國(guó)外產(chǎn)品雖然應(yīng)用比較早，但在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用效果不如國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的一個(gè)重要原因。

隨著混合負(fù)載的場(chǎng)景越來(lái)越多，故障電弧的技術(shù)路線，也從早期的以數(shù)學(xué)方法為主，發(fā)展到以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型為主。

2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的技術(shù)路線是以海量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。這個(gè)數(shù)據(jù)必須是有效數(shù)據(jù)，僅僅通過(guò)提高采樣率來(lái)提高樣本數(shù)據(jù)量是不夠的。采樣率提高意味著運(yùn)算時(shí)間增加，故障電弧判別的及時(shí)性/靈敏度也會(huì)降低，同時(shí)對(duì)CPU運(yùn)算能力要求也比較高，提高了應(yīng)用成本。

故障電弧檢測(cè)技術(shù)將來(lái)最重要的應(yīng)用形式是最小化的傳感器，盲目地提高采樣率會(huì)極大限制將來(lái)故障電弧技術(shù)的應(yīng)用。

3.大數(shù)據(jù)的來(lái)源，一是實(shí)驗(yàn)室研發(fā)環(huán)境，一是現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。行業(yè)里面有專家的說(shuō)法是很有道理的：看一個(gè)企業(yè)是不是真的做故障電弧產(chǎn)品，首先要看他有沒(méi)有先進(jìn)的電弧研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境都沒(méi)有，那前期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從哪里來(lái)？產(chǎn)品如何持續(xù)迭代？

 4.電弧信號(hào)在低頻段區(qū)分度不高，國(guó)內(nèi)外的主流技術(shù)方案都是采用雙互感器方案，低頻互感器用來(lái)采集判斷基本的電弧信息，高頻互感器用來(lái)提高電弧判別的準(zhǔn)確性。有的方案將頻段定在3-5MHz，有的定在10-12MHz，有的甚至將信號(hào)頻段定在GHz段。頻段提高，雖然區(qū)分度會(huì)提升，但信號(hào)的衰減也越嚴(yán)重，而故障電弧產(chǎn)品的安裝點(diǎn)往往遠(yuǎn)離故障點(diǎn)，如果中間還有接頭的話，信號(hào)衰減將更加嚴(yán)重，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)很有可能檢測(cè)不到電弧信號(hào)，所以不能犧牲場(chǎng)景來(lái)盲目地提高檢測(cè)頻段，不是頻段越高越好。

5.高頻信號(hào)的傳輸機(jī)理有別于低頻信號(hào)，有兩個(gè)常見的試驗(yàn)現(xiàn)象能部分地說(shuō)明高頻信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)雜性。

①將幾個(gè)故障電弧探測(cè)器在線路串聯(lián)起來(lái)，在末端用電弧發(fā)生器拉弧，觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象并不是所有的探測(cè)器都報(bào)警響應(yīng)，甚至每次試驗(yàn)報(bào)警響應(yīng)的探測(cè)器都不一樣。

②將兩臺(tái)故障電弧探測(cè)器并聯(lián)連接，在其中一路拉弧，如果產(chǎn)品的串?dāng)_特性處理不過(guò)關(guān)的話，觀察到的現(xiàn)象可能是：拉弧支路不響應(yīng)（注意！不是報(bào)警響應(yīng)，而是不響應(yīng)），旁路探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)。

這兩個(gè)現(xiàn)象和我們常識(shí)的信號(hào)傳輸認(rèn)知不同。高頻信號(hào)是通過(guò)信號(hào)諧振還是某種方式的信號(hào)耦合傳輸?shù)哪?？所以很多廠家認(rèn)為做故障電弧產(chǎn)品，只要請(qǐng)一個(gè)好的算法工程師或者大學(xué)請(qǐng)個(gè)軟件工程師就可以搞定，這是把故障電弧檢測(cè)技術(shù)想的太簡(jiǎn)單了。事實(shí)上，故障電弧檢測(cè)技術(shù)是結(jié)合了軟硬件技術(shù)、材料技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)等在內(nèi)的前沿性高科技技術(shù)，需要有持續(xù)迭代的技術(shù)能力，絕對(duì)不是有些廠家的做法，弄個(gè)算法，做個(gè)線路板就可以萬(wàn)事大吉了。

也有些廠家沒(méi)有去研究信號(hào)傳輸機(jī)理，就忙不迭地推出所謂的三相故障電弧產(chǎn)品，這不是產(chǎn)品創(chuàng)新，這是對(duì)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的扼殺。

6.需要對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景有深刻的了解。

好產(chǎn)品都是通過(guò)持續(xù)迭代來(lái)的，不是靠頓悟來(lái)的。目前有國(guó)內(nèi)廠家針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)了環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)、多頻點(diǎn)技術(shù)、基于復(fù)雜判據(jù)的“雞尾酒療法”技術(shù)等，都是通過(guò)規(guī)模應(yīng)用而開發(fā)的適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求的先進(jìn)技術(shù)手段，推動(dòng)著故障電弧檢測(cè)技術(shù)不斷地優(yōu)化迭代。所以，如果大家在市場(chǎng)上突然看到一家公司或者某個(gè)大學(xué)教授，宣傳自己一次性徹底解決了故障電弧的靈敏度和準(zhǔn)確性兩大問(wèn)題的時(shí)候，你應(yīng)該讓子彈先飛一會(huì)兒，去了解一下這個(gè)公司或機(jī)構(gòu)的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)積淀，再去做判斷。

總結(jié)：故障電弧檢測(cè)技術(shù)，是一項(xiàng)面向未來(lái)、有利于國(guó)計(jì)民生的前沿性技術(shù)，在電氣火災(zāi)預(yù)防、保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。但它同時(shí)也是一項(xiàng)融合軟硬件技術(shù)、新型材料技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)等在內(nèi)的新型高科技技術(shù)。本文通過(guò)回顧故障電弧技術(shù)的發(fā)展，列舉了該技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，借此提升無(wú)論是使用單位還是產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對(duì)該技術(shù)的認(rèn)知，普及故障電弧技術(shù)的推廣應(yīng)用。