一、故障電弧的前身

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，上世紀30年代開始，歐美國家通過數(shù)學模型對電弧的特性進行不斷深入的理論研究，通過對電弧發(fā)生時伴隨的聲、光、熱、電磁輻射和電流、電壓等一系列物理信號的變化，提出了一系列的檢測解決方法。這些檢測方法在電力成套設備和架空線路等場景的弧光保護得到應用。

這些檢測方法通常適用于密閉空間，能有效預測電弧發(fā)生點大概范圍以及能有效采集故障點的聲、光、熱等信號的場景，而這些條件在末端長距離的線路檢測時并不具備，故障點和檢測點往往不在同一個空間。

隨著美國最早在航天器內部電路引入故障電弧保護，并將該技術開始規(guī)模應用于民用電氣安全，隨后美國頒布了UL1699-1999標準。

一、故障電弧檢測技術在國外的應用情況

美國國家電氣規(guī)范（NFC）2002版強制規(guī)定：

①所有臥室內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空氣調節(jié)器需要安裝電弧保護了裝置。

美國國家電氣規(guī)范（NFC）2008版擴大故障電弧保護器的使用范圍：

③所有分支電路都要安裝故障電弧保護器。

④2014年美國UL474要求銷往北美的除濕機必須安裝故障電弧保護器。

美國保險商實驗室UL及美國國家消防協(xié)會NFPA等權威機構一致認為，電弧故障是導致家庭電氣火災的主要誘因，而電弧故障保護技術可有效減少此類事故達75%以上。

2013年歐洲國際電工委員會推出IEC62606-2013故障電弧標準。

IEC60364-4-42強烈建議在以下場所使用故障電弧保護器AFDD

14. 設有臥室的客房
    14. 家庭和日托中心
    14. 養(yǎng)老院
    14. 精神病院
14. 存在易燃結構材料造成的火災風險場所
    14. 木制建筑物
    14. 木器
    14. 加油站
    14. 倉庫
14. 存在火災擴展構筑物造成的火災風險場所
    14. 摩天大樓
    14. 研發(fā)中心
    14. 實驗室

三、國內故障電弧檢測技術的應用情況

1. GB14287.4-2014《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng) 第4部分:故障電弧探測器》，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日開始實施。

3. 《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》 GB50116-2013規(guī)定：

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

4. 《民用建筑電氣設計標準》GB51348-2019

5. 江蘇地標《建筑電氣防火設計標準》DB32/T 3698-2019

6. 山東地標《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)設計、施工及驗收規(guī)范》DB37/T 2863-2016

四、國內外應用情況對比

從上面可以看出，歐美在故障電弧檢測技術的運用方面領先于國內，原因主要在于：

1.美國開展故障電弧檢測技術運用比較早，采用了技術漸進的路線，前期將并聯(lián)電弧和串聯(lián)電弧分開處理，降低了技術應用入門難度，提高了客戶體驗度。后來隨著技術發(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，負載相對比較單一和固定，系統(tǒng)干擾少。而國內多采用10kv/380v變壓器供電，供電范圍往往是一個甚至幾個小區(qū)，有些地方工業(yè)用電和居民用電還是用同一個變壓器供電。

3.末端用電電器質量不一樣，國內很多用電電器EMC質量不過關。而國內電網(wǎng)重視無功補償，對諧波治理沒有硬性要求，電網(wǎng)諧波污染比較大，導致國內故障電弧產(chǎn)品的運行環(huán)境比較惡劣。而且國內對用電電器沒有規(guī)定使用年限報廢制度，雖然有些產(chǎn)品標注了使用年限，但實際上基本都是用到報廢為止，電器隨著使用年限的增加，產(chǎn)品性能會不斷劣化。

4.規(guī)范的支持力度不一樣，美國的保險商協(xié)會、消防協(xié)會等機構組織通過電氣規(guī)范對故障電弧技術大力支持，應用范圍比較廣。而國內規(guī)范只給故障電弧的應用劃定了一個很小的范圍，而且只在高大空間才要求強制安裝，大大限制了故障電弧技術的應用和發(fā)展。目前只有山東的地標對標歐洲的IEC60364-4-42規(guī)范擴大了故障電弧技術的部分應用范圍。

5.國內這幾年消防體制改革，市場監(jiān)管力度下降，導致劣質產(chǎn)品泛濫，國內不少廠家只炒作技術概念，不注重產(chǎn)品本身性能，不關注安裝場景，用戶體驗度不好，劣幣驅逐了良幣，市場進入價格的無序競爭，不利于故障電弧技術的迭代升級。

故障電弧是電氣火災的本質安全技術，是有利于國計民生的基礎傳感技術，離開了國家規(guī)范的支持和市場的監(jiān)管，將極大地限制該項技術的應用和技術發(fā)展前景。

五、故障電弧技術的難點

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

1.行業(yè)內將電弧分為“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的結果來考慮的，而不是從物理特性來考慮的，引起電氣火災的即是所謂的“壞弧”。既然都是電弧，就很難有一個數(shù)學物理模型來準確地區(qū)分“好弧”和“壞弧”。

在一個固定拓撲結構的線路中，可以根據(jù)輸入，通過數(shù)學的方法來判斷輸出是否符合預期，從而確定線路中是否存在故障電弧，早期故障電弧技術在航天內部電路檢測中運用，就是依據(jù)這一原理。

實際的現(xiàn)場環(huán)境是復雜的混合負載，電源端和負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了極大的困難。這也是國外產(chǎn)品雖然應用比較早，但在國內的運用效果不如國內產(chǎn)品的一個重要原因。

隨著混合負載的場景越來越多，故障電弧的技術路線，也從早期的以數(shù)學方法為主，發(fā)展到以數(shù)據(jù)驅動型為主。

2.數(shù)據(jù)驅動型的技術路線是以海量的數(shù)據(jù)為基礎。這個數(shù)據(jù)必須是有效數(shù)據(jù)，僅僅通過提高采樣率來提高樣本數(shù)據(jù)量是不夠的。采樣率提高意味著運算時間增加，故障電弧判別的及時性/靈敏度也會降低，同時對CPU運算能力要求也比較高，提高了應用成本。

故障電弧檢測技術將來最重要的應用形式是最小化的傳感器，盲目地提高采樣率會極大限制將來故障電弧技術的應用。

3.大數(shù)據(jù)的來源，一是實驗室研發(fā)環(huán)境，一是現(xiàn)場的規(guī)模化應用。行業(yè)里面有專家的說法是很有道理的：看一個企業(yè)是不是真的做故障電弧產(chǎn)品，首先要看他有沒有先進的電弧研發(fā)實驗室，如果實驗環(huán)境都沒有，那前期的基礎數(shù)據(jù)從哪里來？產(chǎn)品如何持續(xù)迭代？

 4.電弧信號在低頻段區(qū)分度不高，國內外的主流技術方案都是采用雙互感器方案，低頻互感器用來采集判斷基本的電弧信息，高頻互感器用來提高電弧判別的準確性。有的方案將頻段定在3-5MHz，有的定在10-12MHz，有的甚至將信號頻段定在GHz段。頻段提高，雖然區(qū)分度會提升，但信號的衰減也越嚴重，而故障電弧產(chǎn)品的安裝點往往遠離故障點，如果中間還有接頭的話，信號衰減將更加嚴重，在實際現(xiàn)場很有可能檢測不到電弧信號，所以不能犧牲場景來盲目地提高檢測頻段，不是頻段越高越好。

5.高頻信號的傳輸機理有別于低頻信號，有兩個常見的試驗現(xiàn)象能部分地說明高頻信號傳輸?shù)膹碗s性。

①將幾個故障電弧探測器在線路串聯(lián)起來，在末端用電弧發(fā)生器拉弧，觀察到的試驗現(xiàn)象并不是所有的探測器都報警響應，甚至每次試驗報警響應的探測器都不一樣。

②將兩臺故障電弧探測器并聯(lián)連接，在其中一路拉弧，如果產(chǎn)品的串擾特性處理不過關的話，觀察到的現(xiàn)象可能是：拉弧支路不響應（注意！不是報警響應，而是不響應），旁路探測器報警響應。

這兩個現(xiàn)象和我們常識的信號傳輸認知不同。高頻信號是通過信號諧振還是某種方式的信號耦合傳輸?shù)哪?？所以很多廠家認為做故障電弧產(chǎn)品，只要請一個好的算法工程師或者大學請個軟件工程師就可以搞定，這是把故障電弧檢測技術想的太簡單了。事實上，故障電弧檢測技術是結合了軟硬件技術、材料技術、現(xiàn)代通訊技術等在內的前沿性高科技技術，需要有持續(xù)迭代的技術能力，絕對不是有些廠家的做法，弄個算法，做個線路板就可以萬事大吉了。

也有些廠家沒有去研究信號傳輸機理，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，這是對行業(yè)技術發(fā)展的扼殺。

6.需要對應用場景有深刻的了解。

好產(chǎn)品都是通過持續(xù)迭代來的，不是靠頓悟來的。目前有國內廠家針對現(xiàn)場開發(fā)了環(huán)境自適應技術、多頻點技術、基于復雜判據(jù)的“雞尾酒療法”技術等，都是通過規(guī)模應用而開發(fā)的適應現(xiàn)場需求的先進技術手段，推動著故障電弧檢測技術不斷地優(yōu)化迭代。所以，如果大家在市場上突然看到一家公司或者某個大學教授，宣傳自己一次性徹底解決了故障電弧的靈敏度和準確性兩大問題的時候，你應該讓子彈先飛一會兒，去了解一下這個公司或機構的研發(fā)實力和技術積淀，再去做判斷。

總結：故障電弧檢測技術，是一項面向未來、有利于國計民生的前沿性技術，在電氣火災預防、保護人們生命財產(chǎn)安全領域有著光明的應用前景。但它同時也是一項融合軟硬件技術、新型材料技術、現(xiàn)代通訊技術等在內的新型高科技技術。本文通過回顧故障電弧技術的發(fā)展，列舉了該技術發(fā)展中的幾個難點問題，借此提升無論是使用單位還是產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對該技術的認知，普及故障電弧技術的推廣應用。