——兼谈故障电弧（AFD|AFDD）检测技术的避坑干货

概论：故障电弧检测技术作为电气火灾预防领域公认的本质安全技术，近年来应用越来越广泛，越来越多的国内企业进入这个领域，产品质量参差不齐，应用效果好坏不一，产品价格高低不等，由于很多使用单位对该项技术不了解，导致选用时非常困惑。本文尝试从故障电弧的前世今生做一个简单的梳理、总结。

一、故障电弧的前身

电弧是一种气体放电现象，上世纪30年代开始，欧美国家通过数学模型对电弧的特性进行不断深入的理论研究，通过对电弧发生时伴随的声、光、热、电磁辐射和电流、电压等一系列物理信号的变化，提出了一系列的检测解决方法。这些检测方法在电力成套设备和架空线路等场景的弧光保护得到应用。

这些检测方法通常适用于密闭空间，能有效预测电弧发生点大概范围以及能有效采集故障点的声、光、热等信号的场景，而这些条件在末端长距离的线路检测时并不具备，故障点和检测点往往不在同一个空间。

随着美国最早在航天器内部电路引入故障电弧保护，并将该技术开始规模应用于民用电气安全，随后美国颁布了UL1699-1999标准。

一、故障电弧检测技术在国外的应用情况

美国国家电气规范（NFC）2002版强制规定：

①所有卧室内安装的支路都要安装故障电弧断路器。

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了装置。

美国国家电气规范（NFC）2008版扩大故障电弧保护器的使用范围：

③所有分支电路都要安装故障电弧保护器。

④2014年美国UL474要求销往北美的除湿机必须安装故障电弧保护器。

美国保险商实验室UL及美国国家消防协会NFPA等权威机构一致认为，电弧故障是导致家庭电气火灾的主要诱因，而电弧故障保护技术可有效减少此类事故达75%以上。

2013年欧洲国际电工委员会推出IEC62606-2013故障电弧标准。

IEC60364-4-42强烈建议在以下场所使用故障电弧保护器AFDD

14. 设有卧室的客房
    14. 家庭和日托中心
    14. 养老院
    14. 精神病院
14. 存在易燃结构材料造成的火灾风险场所
    14. 木制建筑物
    14. 木器
    14. 加油站
    14. 仓库
14. 存在火灾扩展构筑物造成的火灾风险场所
    14. 摩天大楼
    14. 研发中心
    14. 实验室

三、国内故障电弧检测技术的应用情况

1. GB14287.4-2014《电气火灾监控系统 第4部分:故障电弧探测器》，2014年6月1日颁布，2015年6月1日开始施行。

2.GB/T 31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》，2014年9月3日发布，2015年4月1日开始实施。

3. 《火灾自动报警系统设计规范》 GB50116-2013规定：

条文说明 高度大于12m的空间场所最大的隐患就是电气火灾，因此设置电气火灾监控系统。照明线路故障引起的火灾占电气火灾的10％左右，此类建筑的顶部较高， 发火灾不容易被发现，也没法在其上面设置其他探测器，只有设置具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器，才能保证对照明线路故障引起的火灾的有效探测。

4. 《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019

5. 江苏地标《建筑电气防火设计标准》DB32/T 3698-2019

6. 山东地标《电气火灾监控系统设计、施工及验收规范》DB37/T 2863-2016

四、国内外应用情况对比

从上面可以看出，欧美在故障电弧检测技术的运用方面领先于国内，原因主要在于：

1.美国开展故障电弧检测技术运用比较早，采用了技术渐进的路线，前期将并联电弧和串联电弧分开处理，降低了技术应用入门难度，提高了客户体验度。后来随着技术发展，才出现现在的combination AFCI。

2.电网系统不一样，美国采用110v电压供电，居民用电往往采用10kv/110V变压器直接入户，供电半径小，负载相对比较单一和固定，系统干扰少。而国内多采用10kv/380v变压器供电，供电范围往往是一个甚至几个小区，有些地方工业用电和居民用电还是用同一个变压器供电。

3.末端用电电器质量不一样，国内很多用电电器EMC质量不过关。而国内电网重视无功补偿，对谐波治理没有硬性要求，电网谐波污染比较大，导致国内故障电弧产品的运行环境比较恶劣。而且国内对用电电器没有规定使用年限报废制度，虽然有些产品标注了使用年限，但实际上基本都是用到报废为止，电器随着使用年限的增加，产品性能会不断劣化。

4.规范的支持力度不一样，美国的保险商协会、消防协会等机构组织通过电气规范对故障电弧技术大力支持，应用范围比较广。而国内规范只给故障电弧的应用划定了一个很小的范围，而且只在高大空间才要求强制安装，大大限制了故障电弧技术的应用和发展。目前只有山东的地标对标欧洲的IEC60364-4-42规范扩大了故障电弧技术的部分应用范围。

5.国内这几年消防体制改革，市场监管力度下降，导致劣质产品泛滥，国内不少厂家只炒作技术概念，不注重产品本身性能，不关注安装场景，用户体验度不好，劣币驱逐了良币，市场进入价格的无序竞争，不利于故障电弧技术的迭代升级。

故障电弧是电气火灾的本质安全技术，是有利于国计民生的基础传感技术，离开了国家规范的支持和市场的监管，将极大地限制该项技术的应用和技术发展前景。

五、故障电弧技术的难点

除了前面提到的电源端（电网）、负载端（用电电器）和国外的不同，故障电弧在技术上还有以下难点。

1.行业内将电弧分为“好弧”和“坏弧”，“坏弧”即故障电弧。这种分类更多地是从电弧带来的结果来考虑的，而不是从物理特性来考虑的，引起电气火灾的即是所谓的“坏弧”。既然都是电弧，就很难有一个数学物理模型来准确地区分“好弧”和“坏弧”。

在一个固定拓扑结构的线路中，可以根据输入，通过数学的方法来判断输出是否符合预期，从而确定线路中是否存在故障电弧，早期故障电弧技术在航天内部电路检测中运用，就是依据这一原理。

实际的现场环境是复杂的混合负载，电源端和负载端的特性可能是不确定的或者变化的，这给故障电弧的判别带来了极大的困难。这也是国外产品虽然应用比较早，但在国内的运用效果不如国内产品的一个重要原因。

随着混合负载的场景越来越多，故障电弧的技术路线，也从早期的以数学方法为主，发展到以数据驱动型为主。

2.数据驱动型的技术路线是以海量的数据为基础。这个数据必须是有效数据，仅仅通过提高采样率来提高样本数据量是不够的。采样率提高意味着运算时间增加，故障电弧判别的及时性/灵敏度也会降低，同时对CPU运算能力要求也比较高，提高了应用成本。

故障电弧检测技术将来最重要的应用形式是最小化的传感器，盲目地提高采样率会极大限制将来故障电弧技术的应用。

3.大数据的来源，一是实验室研发环境，一是现场的规模化应用。行业里面有专家的说法是很有道理的：看一个企业是不是真的做故障电弧产品，首先要看他有没有先进的电弧研发实验室，如果实验环境都没有，那前期的基础数据从哪里来？产品如何持续迭代？

 4.电弧信号在低频段区分度不高，国内外的主流技术方案都是采用双互感器方案，低频互感器用来采集判断基本的电弧信息，高频互感器用来提高电弧判别的准确性。有的方案将频段定在3-5MHz，有的定在10-12MHz，有的甚至将信号频段定在GHz段。频段提高，虽然区分度会提升，但信号的衰减也越严重，而故障电弧产品的安装点往往远离故障点，如果中间还有接头的话，信号衰减将更加严重，在实际现场很有可能检测不到电弧信号，所以不能牺牲场景来盲目地提高检测频段，不是频段越高越好。

5.高频信号的传输机理有别于低频信号，有两个常见的试验现象能部分地说明高频信号传输的复杂性。

①将几个故障电弧探测器在线路串联起来，在末端用电弧发生器拉弧，观察到的试验现象并不是所有的探测器都报警响应，甚至每次试验报警响应的探测器都不一样。

②将两台故障电弧探测器并联连接，在其中一路拉弧，如果产品的串扰特性处理不过关的话，观察到的现象可能是：拉弧支路不响应（注意！不是报警响应，而是不响应），旁路探测器报警响应。

这两个现象和我们常识的信号传输认知不同。高频信号是通过信号谐振还是某种方式的信号耦合传输的呢？所以很多厂家认为做故障电弧产品，只要请一个好的算法工程师或者大学请个软件工程师就可以搞定，这是把故障电弧检测技术想的太简单了。事实上，故障电弧检测技术是结合了软硬件技术、材料技术、现代通讯技术等在内的前沿性高科技技术，需要有持续迭代的技术能力，绝对不是有些厂家的做法，弄个算法，做个线路板就可以万事大吉了。

也有些厂家没有去研究信号传输机理，就忙不迭地推出所谓的三相故障电弧产品，这不是产品创新，这是对行业技术发展的扼杀。

6.需要对应用场景有深刻的了解。

好产品都是通过持续迭代来的，不是靠顿悟来的。目前有国内厂家针对现场开发了环境自适应技术、多频点技术、基于复杂判据的“鸡尾酒疗法”技术等，都是通过规模应用而开发的适应现场需求的先进技术手段，推动着故障电弧检测技术不断地优化迭代。所以，如果大家在市场上突然看到一家公司或者某个大学教授，宣传自己一次性彻底解决了故障电弧的灵敏度和准确性两大问题的时候，你应该让子弹先飞一会儿，去了解一下这个公司或机构的研发实力和技术积淀，再去做判断。

总结：故障电弧检测技术，是一项面向未来、有利于国计民生的前沿性技术，在电气火灾预防、保护人们生命财产安全领域有着光明的应用前景。但它同时也是一项融合软硬件技术、新型材料技术、现代通讯技术等在内的新型高科技技术。本文通过回顾故障电弧技术的发展，列举了该技术发展中的几个难点问题，借此提升无论是使用单位还是产品生产厂家对该技术的认知，普及故障电弧技术的推广应用。