1.2 故障电弧及其危害

故障电弧是由自然或人为原因导致的电气线路或设备中绝缘老化破损、电气连接松动、电压和电流急剧升高等，进而引起空气击穿所导致的气体游离放电现象[6]。根据故障电弧在电路中发生的位置对其进行分类，可分为串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧，如图1-1所示。串联故障电弧的发生位置与负载串联，电弧电流流过负载，如图1-1（a）所示；并联故障电弧是与负载并联的电弧，其电流流过带电导体之间，并不流过负载，如图1-1（b）所示；接地故障电弧的电流从带电导体流入大地，如图1-1（c）所示[7]。

图1-1　三种故障电弧类型发生位置示意图

在低压配电系统中，沿着绝缘体部分导电表面及非常接近的两个电极之间都有可能发生电弧故障。当绝缘体长期受热或发生偶然性电火花时，容易造成绝缘表面碳化而形成电弧通道。带电导体接触接地导体，或者导体绝缘层被尖锐的金属体割伤同样也会产生电弧。故障电弧因意外而产生，而且电弧在发生时会产生大量的热，往往表现为在一段时间内连续或者断续发生多次，极易使线路的绝缘层过热分解形成可燃气体，引燃周围的可燃物，发生电气火灾。

美国国家消防协会在2008年3月的《牵涉电气配线及照明设备的住宅建筑物火灾》报告中指出：2002—2005年，全美平均估计每年有20 900起牵涉电气配线及照明设备的住宅建筑火灾，大约一半的火灾是由故障电弧引起的[8]。美国消防局的年度火灾报告显示，2014—2016年发生电气火灾24 000起，导致310人死亡、850人受伤、8.71亿美元损失，其中67%伤亡和损失是由故障电弧导致的[9]。

在我国，据公安部消防局统计，近年来电气火灾占火灾比例约为30%，且呈现上升趋势，电气火灾数量已居各类火灾之首。2011—2017年我国电气火灾总数逾60万起，超过3500人在电气火灾中丧生，经济损失达100亿元以上。而研究表明，故障电弧是电气火灾的重要诱因，由故障电弧引起的电气火灾事故数量要远多于由导体间金属性短路引起的电气火灾数量[10]。

现有的电气保护装置如断路器或漏电保护器等可有效防止发生短路、过载或触电事故，但无法识别故障电弧。因此，故障电弧导致的火灾事故更具有隐蔽性，由此导致的安全隐患更为突出。为了实现对故障电弧的有效防护，降低故障电弧引发的火灾事故，20世纪90年代，美国首先开始研究故障电弧的检测与保护技术[5，11-14]，1999年美国安全监测实验室公司（Underwriters Laboratories Inc，UL）就制定了相应的产品标准，即《故障电弧断路器》（UL—1699）[15]，并要求特定场所必须安装故障电弧断路器。美国国家电气规程（National Electrical Code，NEC）于1999年提出：家庭卧室插座的供电支路均要使用电弧故障断路器（Arc Fault Circuit Interrupter，AFCI）；2004年，NEC又进行了一次规定：在美国国内售卖的全部空调设备都一定要装配具备电弧故障保护功能的空调电源插头；NEC在2008年进一步要求：在新的家庭住宅中，所有的支路都要使用AFCI。我国自2000年之后开始有相关论文介绍电弧故障的检测[16-22]，直到2008年之后相关研究文献逐渐增多，同时市场上出现了一些具有电弧故障保护功能的产品。然而，由于国家尚未制定电弧故障的产品标准，使得产品的性能指标无法进行相关的测试，因此之前国内市场上并没有完全成熟的电弧故障保护产品。2014年中国消防标准化技术委员会、中国低压电器标准化技术委员分别制定了《电气火灾监控系统　第四部分：故障电弧探测器》（GB 14287.4—2014）[23]和《故障电弧保护器的一般要求》（GB 31143—2014）[24]两个产品标准，对故障电弧探测设备与故障电弧保护设备进行了规范。在此期间，国际电工委员会也于2013年颁布了故障电弧保护设备的国际标准，即《故障电弧检测设备的通用要求》（IEC 62606—2013）[25]。随着直流光伏的应用越来越普遍，UL公司于2013年也出台了直流故障电弧检测标准：《光伏直流故障电弧线路保护标准》（UL—1699B），并于2018年进行了修订[26]。

上述故障电弧检测与保护设备的产品标准要求能够准确检测出真正的故障电弧，但是有一些负载及其工作条件会对故障电弧的准确检测产生影响和干扰。在这些情况下，不能发出错误检测信号或者断开电路，这些负载和工作条件包括电流突变（如电容式启动电机和钨丝灯类负载）、正常工作电弧（有刷电机、电钻负载和插拔插头时）、非正弦电流（如可控硅调压和开关电源负载）、电路间的串扰（如临近电路发生电弧故障时）、多种负载运行（电流波形顶部非正弦）等。这些干扰性负载和特定运行工况给准确检测故障电弧带来了极大困难，因此近些年国内外学者围绕故障电弧准确检测进行了大量研究，并产生了很多科研成果。如何准确识别检测有危害性的故障电弧是解决该问题的关键技术问题，近年来关于故障电弧检测方法的研究已成为电气安全领域的研究热点之一。