1.2 故障電弧及其危害

故障電弧是由自然或人為原因導致的電氣線路或設備中絕緣老化破損、電氣連接松動、電壓和電流急劇升高等，進而引起空氣擊穿所導致的氣體游離放電現象[6]。根據故障電弧在電路中發生的位置對其進行分類，可分為串聯故障電弧、并聯故障電弧和接地故障電弧，如圖1-1所示。串聯故障電弧的發生位置與負載串聯，電弧電流流過負載，如圖1-1（a）所示；并聯故障電弧是與負載并聯的電弧，其電流流過帶電導體之間，并不流過負載，如圖1-1（b）所示；接地故障電弧的電流從帶電導體流入大地，如圖1-1（c）所示[7]。

圖1-1　三種故障電弧類型發生位置示意圖

在低壓配電系統中，沿著絕緣體部分導電表面及非常接近的兩個電極之間都有可能發生電弧故障。當絕緣體長期受熱或發生偶然性電火花時，容易造成絕緣表面碳化而形成電弧通道。帶電導體接觸接地導體，或者導體絕緣層被尖銳的金屬體割傷同樣也會產生電弧。故障電弧因意外而產生，而且電弧在發生時會產生大量的熱，往往表現為在一段時間內連續或者斷續發生多次，極易使線路的絕緣層過熱分解形成可燃氣體，引燃周圍的可燃物，發生電氣火災。

美國國家消防協會在2008年3月的《牽涉電氣配線及照明設備的住宅建筑物火災》報告中指出：2002—2005年，全美平均估計每年有20 900起牽涉電氣配線及照明設備的住宅建筑火災，大約一半的火災是由故障電弧引起的[8]。美國消防局的年度火災報告顯示，2014—2016年發生電氣火災24 000起，導致310人死亡、850人受傷、8.71億美元損失，其中67%傷亡和損失是由故障電弧導致的[9]。

在我國，據公安部消防局統計，近年來電氣火災占火災比例約為30%，且呈現上升趨勢，電氣火災數量已居各類火災之首。2011—2017年我國電氣火災總數逾60萬起，超過3500人在電氣火災中喪生，經濟損失達100億元以上。而研究表明，故障電弧是電氣火災的重要誘因，由故障電弧引起的電氣火災事故數量要遠多于由導體間金屬性短路引起的電氣火災數量[10]。

現有的電氣保護裝置如斷路器或漏電保護器等可有效防止發生短路、過載或觸電事故，但無法識別故障電弧。因此，故障電弧導致的火災事故更具有隱蔽性，由此導致的安全隱患更為突出。為了實現對故障電弧的有效防護，降低故障電弧引發的火災事故，20世紀90年代，美國首先開始研究故障電弧的檢測與保護技術[5，11-14]，1999年美國安全監測實驗室公司（Underwriters Laboratories Inc，UL）就制定了相應的產品標準，即《故障電弧斷路器》（UL—1699）[15]，并要求特定場所必須安裝故障電弧斷路器。美國國家電氣規程（National Electrical Code，NEC）于1999年提出：家庭臥室插座的供電支路均要使用電弧故障斷路器（Arc Fault Circuit Interrupter，AFCI）；2004年，NEC又進行了一次規定：在美國國內售賣的全部空調設備都一定要裝配具備電弧故障保護功能的空調電源插頭；NEC在2008年進一步要求：在新的家庭住宅中，所有的支路都要使用AFCI。我國自2000年之后開始有相關論文介紹電弧故障的檢測[16-22]，直到2008年之后相關研究文獻逐漸增多，同時市場上出現了一些具有電弧故障保護功能的產品。然而，由于國家尚未制定電弧故障的產品標準，使得產品的性能指標無法進行相關的測試，因此之前國內市場上并沒有完全成熟的電弧故障保護產品。2014年中國消防標準化技術委員會、中國低壓電器標準化技術委員分別制定了《電氣火災監控系統　第四部分：故障電弧探測器》（GB 14287.4—2014）[23]和《故障電弧保護器的一般要求》（GB 31143—2014）[24]兩個產品標準，對故障電弧探測設備與故障電弧保護設備進行了規范。在此期間，國際電工委員會也于2013年頒布了故障電弧保護設備的國際標準，即《故障電弧檢測設備的通用要求》（IEC 62606—2013）[25]。隨著直流光伏的應用越來越普遍，UL公司于2013年也出臺了直流故障電弧檢測標準：《光伏直流故障電弧線路保護標準》（UL—1699B），并于2018年進行了修訂[26]。

上述故障電弧檢測與保護設備的產品標準要求能夠準確檢測出真正的故障電弧，但是有一些負載及其工作條件會對故障電弧的準確檢測產生影響和干擾。在這些情況下，不能發出錯誤檢測信號或者斷開電路，這些負載和工作條件包括電流突變（如電容式啟動電機和鎢絲燈類負載）、正常工作電?。ㄓ兴㈦姍C、電鉆負載和插拔插頭時）、非正弦電流（如可控硅調壓和開關電源負載）、電路間的串擾（如臨近電路發生電弧故障時）、多種負載運行（電流波形頂部非正弦）等。這些干擾性負載和特定運行工況給準確檢測故障電弧帶來了極大困難，因此近些年國內外學者圍繞故障電弧準確檢測進行了大量研究，并產生了很多科研成果。如何準確識別檢測有危害性的故障電弧是解決該問題的關鍵技術問題，近年來關于故障電弧檢測方法的研究已成為電氣安全領域的研究熱點之一。