西门子电热水器
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2023年2月12日发(作者：)家用电弧故障保护电器发展综述
刘金琰;季慧玉;黄武杰;周积刚
【摘要】电弧故障保护电器（AFDD）能有效防止电弧故障引起的电气火灾。介
绍了AFDD的作用、保护特性及AFDD在国内外发展情况,包括北美、欧洲和中国
标准法规情况及产品应用情况。介绍了电弧故障检测技术及试验设备,并展望了
AFDD的技术及应用发展前景,对行业发展起到了一定的指导作用。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2014(000)011
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】电弧故障保护装置;故障电弧;电气火灾;剩余电流保护;过电流保护
【作者】刘金琰;季慧玉;黄武杰;周积刚
【作者单位】;;;;
【正文语种】中文
【中图分类】TM561
0引言
随着社会发展、科技不断进步和城镇化进程的不断加快，现代化程度越来越高，但
电气设备、通信设备等应用越来越多，家居及办公条件不断得到改善和提高，电气
火灾造成的损失也越来越大。据中国消防年鉴统计，我国电气故障原因引发的火灾
占总火灾损失的33%以上，是发达国家的数倍。从近期国内外火灾成因统计得出，
故障电弧是引起电气火灾的主要成因［1-2］。这是由于目前的传统保护电器，如
断路器、熔断器、剩余电流动作保护器(ResidualCurrentOperatedProtective
Device，RCD)都只能对如过载、短路和接地故障电流提供保护，而对故障电弧无
法检测，因此对故障电弧引起的火灾无法提供保护。这就存在用电保护漏洞，对人
类的财产及生命安全造成极大危害。
电弧故障保护电器(ArcFaultDetectionDevice，AFDD)是新型的防火灾保护电
器，能检测电气线路中的故障电弧，并在引发电气火灾之前切断电路，能有效防止
由于线路绝缘老化或接触不良产生的串联电弧、线路和线路之间以及线路对地之间
故障产生的并联电弧所引发的电气火灾，可以弥补用电保护漏洞。传统保护电器和
AFDD的共同应用，将提供完整的火灾保护措施，对保护人身安全和财产安全具
有重大意义。
1AFDD
1.1故障电弧的类型
在低压供配电线路中，有串联故障电弧、并联故障电弧、接地故障电弧3类故障
电弧。串联电弧故障一般产生于1根导体，串联电弧故障的电流受负载的限制，
均小于负载电流;并联电弧故障是一种短路;接地故障电弧发生于有接地回路的情况
［2-3］。
1.2AFDD的作用
在串联电弧故障发生时，由于没有产生对地剩余电流，因而RCD无法检测到这类
故障;而且串联电弧故障的阻抗降低了负载电流，使得负载电流低于断路器或熔断
器的额定脱扣阈值，传统保护器无法起到保护作用。并联电弧故障的电流虽然较大，
但其偶发性强，持续时间太短，在有些情况下传统保护电器还来不及反应，也无法
起到保护作用。小型断路器(MiniatureCircuitBreaker，MCB)的保护特性如图1
所示。其能对家用线路起很好的保护作用，但过电流保护对电弧故障存在的区域
(图1中阴影部分)就起不到保护作用。AFDD的作用弥补了该漏洞［4］。
图1小型断路器的保护特性
1.3AFDD的保护特性
对于可能由相对地绝缘故障或串联电弧故障产生的小电弧电流(小于额定电流)情况，
由额定电压下电弧电流/分断时间极限值来确定是否断开AFDD。对于可能由相对
地绝缘故障或并联电弧故障产生的大电弧电流(大于额定电流)情况，由额定电压下
在0.5s内允许的最大半波数来确定是否断开AFDD。
2AFDD国内外发展历程
AFDD在美国又称为电弧故障断路器(ArcFaultCircuitInterrupters，AFCI)，是
一种新颖的保护电器。其能检测电气线路中的电弧故障，并在引发电气火灾之前切
断电路，有效防止电弧故障引起的电气火灾。AFDD可以是单一功能的装置(只有
电弧故障保护)，也可以和剩余电流保护、过电流保护组合起来成为一种多功能保
护装置，还可以加上通信和报警功能。因此在配电线路上安装AFDD是减少因电
弧故障引发的电气火灾的有效方法。
2.1在北美的发展情况
2.1.1UL1699《电弧故障断路器》
AFCI在美国市场上出现时间并不长，开始在美国航空航天领域使用，防止飞行器
发生火灾。1994年美国消费品安全委员会征集电弧保护技术;1999年，美国保险
商实验室与美国电气制造商协会(NationalElectricalManufactureAssociation，
NEMA)合作起草并出版了UL1699《电弧故障断路器AFCI》标准。UL1699是
规范AFCI产品的美国标准，对产品分类、电弧故障检测试验、误脱扣试验及操作
屏蔽测试等方面做了全面的规定。根据AFCI在线路中的不同安装位置和保护对象，
标准中将AFCI分为5种型式，分别为支路式AFCI、插座式AFCI、组合式AFCI、
移动式AFCI及线缆式AFCI。UL1699于1999年发布了第1版，2006年发布了
第2版，2008年对第2版进行了部分内容的修订。目前，UL1699已成为AFCI
产品设计、生产、检验的重要依据［5］。
2.1.2美国国家电气规程
美国消防协会负责制修订的美国国家电气规程(NationalElectricalCode，
NEC)ANSI/NFPA70，是北美地区建筑电气安全和电气防火的强制性电气安装法
规和实施规范。美国电气火灾比例低，该规范起到了重要的作用。自20世纪90
年代首次提出AFCI产品后，NEC关于电弧故障保护出台了一系列的强制性规定。
1997年，NEC编写组建议在规范中增加使用AFCI的有关条款。NEC1999年版
中将“分支/馈电型”AFCI列入，并规定，由AFCI保护15A及20A卧室插座回
路。经过进一步分析，在NEC2002版将AFCI的保护范围由卧室插座回路扩展到
整个卧室配电回路，包括给照明器具、烟雾报警器和其他电器等供电的支路都要使
用AFCI。NEC2005年版将“组合型”AFCI引入规范。NEC2008年版对安全要
求更进一步，在所有新的家庭住宅中，“组合型”AFCI保护范围由卧室配电回路
扩展至娱乐间、厨房、客厅、起居室、藏书室、小隔间、卧室、阳光房、娱乐室、
储藏室、走廊或类似房间区域的所有单相(120V)15A及20A回路，进一步扩大
了AFCI的应用范围。NEC2011版又对更换墙壁插座提出了要求，规定用带有
AFCI保护功能的插座进行更换［6-8］。美国十几年的应用实践证明，将AFCI技
术引入家居供电系统，大大增强了电气安全性，降低了电气火灾危险。
2.1.3AFCI的应用情况
由于强制性法令NEC的出台及不断修订，5种类型的AFCI产品在北美民用建筑
电气、飞机电气等领域得到了广泛应用。NEMA于2007年发布了《电弧故障断
路器提高了家居安全》白皮书，认为AFCI在火灾起始阶段就阻止其发生，是“防
患于未然”的新技术，AFCI是最有效的建筑物防火装置［9］。
2.2在欧洲的发展情况
2.2.1IEC62606《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》
国际电工委员会(InternationalEletrotechnicalCommission，IEC)于2007年开
始着手AFCI标准的前期研究，于2008年正式立项为《电弧故障保护电器(AFDD)
的一般要求》，由家用和类似设备分技术委员会电击防护工作组
(IEC/SC23E/WG2)负责研究240V系统中电弧电流着火点曲线图、电弧诊断和评
估，确定AFDD脱扣曲线，考虑不同的负载电缆和电器以避免误脱扣。在参考和
借鉴UL1699标准的基础上，于2013年7月形成一份国际标准IEC62606《电
弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》，标准中规定的AFDD属于支路式AFDD
［10-11］。
2.2.2IEC60364-4-42《低压电气装置安全防护热效应保护》
IEC60364-4-42《低压电气装置安全防护热效应保护》第3版正在补充一个修
改单，将增加AFDD应用场所的内容。新增421.7节规定用符合IEC62606的
AFDD自动断开危险电弧，并规定住所中应在卧室、儿童房和易燃的建筑材料内
的电路等终端电路的始端安装AFDD以保证电源在产生故障电弧时自动断开。同
时推荐在谷仓、木材加工车间、造纸工厂，木结构建筑，消防传播结构，危及不可
替代品等位置安装AFDD。将AFDD引入IEC安装规程将会明显减少火灾带来的
危险［12］。
2.2.3AFDD的应用情况
目前，欧洲仅有西门子于2013年6月上市了电弧故障检测模块(ArcFault
Detecton，AFD)与MCB或带过电流保护的剩余电流动作断路器(Residual
CurrentOperatedCircuitBreakerwithIntegralOverCurrentProtection，
RCBO)组合的AFDD产品。根据电气装置的配置，将AFD单元与RCBO或MCB
组合，分别兼有电弧故障保护和剩余电流保护、过电流保护功能，对人、工厂和设
备提供最大的保护。
2.3在中国的发展情况
2.3.1JB/T11681—2013《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》
为了引领国内开展AFDD的产品研发，2011年根据当时的研究结果，在参考和借
鉴UL1699标准以及国际标准草案的基础上，制订了一份行业标准JB/T11681—
2013《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》。目前，该标准已发布，并宣布于
2014年7月1日实施。
2.3.2GB/TXXXX《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》
随着国内对电弧故障火灾危害认识的不断深入及国外AFDD的面世，近两年国内
一些科研院所及企业相继开展了相关基础理论及应用技术的研究。参加了国际标准
IEC62606的起草工作，提交了中国的研究结果。上海电器科学研究院在上述工作
的基础上，组织制订了国家标准GB/TXXXX《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要
求》，2013年底完成了报批。标准规定的主要内容包括AFDD分类、电弧电流/
着火时间极限值;AFDD的串联电弧故障试验、并联电弧故障试验、误脱扣、电弧
电流屏蔽试验等技术要求和试验方法。标准规定AFDD分为3种型式:具有断开机
构的单一装置，能在规定条件下断开被保护电路;或与保护电器组合在一起的单一
装置;或作为独立单元与声明的保护电器现场组装。所组合的保护电器应符合
GB10963.1的MCB或符合GB16916.1、GB16917.1、GB22794的RCD。可
按电气装置的配置选择产品类型［13］。
2.3.3GB14287.4《电气火灾监控系统第4部分故障电弧探测装置》
电气火灾监控系统作为一个服务型系统，强调“只报警不切断”的系统理念。电气
火灾监控系统中应用的AFD在发现电弧故障时不切断电源，而是与电气火灾监控
设备进行数据交换，将报警信息、报警时间、电弧故障相关检测数据上传至监控设
备，由监控设备结合其他检测装置的上传数据，集中进行分析和判断。GB
14287.4规定的AFD适用于民用建筑中10kW及其以下电气线路中安装使用。
但由于目前的电弧故障检测技术只能检测单相220V、额定电流小于63A线路中
的电弧故障，所以AFD更多地用于监控末端供电线路及用电负载。
GB14287.4规定的AFD与JB/T11681—2013和GB/TXXXX规定的AFDD的
区别在于，GB14287.4规定的AFD以监控报警为主要目的，对是否驱动开关电
器动作以断开电路未作明确要求，而JB/T11681—2013和GB/TXXXX规定的
AFDD以检测电弧故障断电为主要目的，防止火灾的发生。
2.3.4GB16895.2—2005《建筑物电气装置第4－42部分安全防护热效应保护》
由于GB16895.2—2005是等同于采用IEC60364-4-42:2001，近期将根据IEC
60364-4-42最新修订内容来对国家标准进行修订，预期增加AFDD的相关内容，
包括新增AFDD安装场所和安装位置。
2.3.5《民用建筑电气防火设计规范》
根据住房和城乡建设部建标［2009］88号要求，公安部消防局于2009年组织制
订了《民用建筑电气防火设计规范》，并于2011年12月完成了该标准的报批稿，
目前等待批准发布。该规范主要针对工程建设中电气设计提出，适用于一般民用建
筑内供配电装置、低压配电系统、配电线路、用电设备及特殊场所电气设备和线路
中的电气防火设计。该规范报批稿在7.2.3中规定“建筑物高度大于12m、舞厅、
演播厅舞台等类似场所上方设置的照明灯具线路，应设置故障电弧式电气火灾监控
探测器或起同等作用的断路器。其他供电线路的末端配电箱内宜设置具有故障电弧
探测功能的保护装置。”在7.2.2中规定“经营电器产品场所、网吧、宾馆内电冰
箱和电热水器等类似长期使用插座供电的场所，应使用防火电弧故障监控报警功能
的插座，或插座前端设置类似电弧故障保护装置。”AFD和AFDD在民用建筑中
的使用，会从源头上预防电气火灾事故关。
2.3.6AFDD产品应用情况
目前，国内企业生产的AFDD，有些产品按照UL1699的标准开发研制;有些按正
在制订的国家标准草案的内容进行改进的产品。某些产品将故障电弧、剩余电流和
过流短路3项检测保护功能合为一体，适用于空调器、微波炉、吸尘器、暖风机、
干燥机、热水器等多种家用电器;某些产品是固定安装的，适用于办公、住宅的供
电保护。这些产品部分已完成研制，准备批量生产;部分已在高校、厂区办公楼试
运行。
从上述可以看出，无论从产品生产、应用，还是产品标准、规范的制订，国家已经
把AFDD纳入国家发展规划中。
3故障电弧的检测技术
3.1故障电弧的典型特征
(1)由于低压电弧故障发生在低电压、电流受限的环境下，电弧的发生往往是时断
时续的，没有周期特性，所以故障电弧的电流波形中含有丰富的高频噪声。
(2)故障电弧上有电压降。对于回路中存在负载的情况，当发生电弧故障时，回路
电流通常比无电弧故障时要小。
(3)故障电弧的电流上升速度通常比正常状态要大。
(4)由于故障电弧在电流过零前后存在一个熄灭和重新燃弧的过程，所以每半个周
期都存在电流接近为零的区域，称为“电流零区”。
(5)故障电弧电压波形接近矩形，在电流零区变化率较其他时间大，在电流过零时
最大。
(6)故障电弧经常是零星的、间歇的。
(7)即使相邻的工频周期，故障电弧的电流波形也往往不相同，具有很强的随机性。
3.2故障电弧的检测技术
终端电路用电弧故障保护电器主要采用基于电压、电流波形的电弧检测方法，因此
AFDD的检测技术就是如何提取电弧波形的特征，并识别正常电弧与故障电弧的
差异，确保AFDD正确动作。电弧故障检测首先采用电流传感器检测电路中的电
压或电流信号，将检测到的信号进行变换放大、滤波，经滤波器处理后的高频信号
或低频信号输入微处理器，由微处理器按预先设定的算法进行计算和判断，并与存
贮器的数据进行对比，如判断为电弧故障，则发出脱扣信号，使AFDD分断。
目前从国内、外公司的研究成果来看，根据电弧特征的提取方式和数据处理方式不
同，检测技术主要分为:检测故障电弧典型频谱的电弧故障检测系统;小波变换“三
周期算法”判断的电弧故障检测系统;差值－均方根法;神经网络的电弧故障检测系
统;波形比较法;基于分形学的电弧故障检测方法等［14］。
随着电力电子技术在家电产品的广泛应用，一些电器正常工作时往往受到具有开关
特性的控制电路影响，流经回路的电流也会具有高频成分和“电流零区”。其电压、
电流特性与电弧故障的典型特性相似，给故障电弧检测工作带来了难度。开发适合
中国市场的AFDD最大的难点在于如何识别出有害电弧脉冲(如电缆、开关、接插
件等因电线老化、电器故障、负荷过重、接触不良等产生易引起电气火灾的电弧)
与其他正常电弧(如电吹风、手电钻、空气压缩机、吸尘器、电焊机等产生的电弧
脉冲)和干扰脉冲(如节能灯、调光调速开关、静电放电、射频干扰、浪涌冲击、电
器装置等产生的脉冲)，避免AFDD出现“拒动”和“误动”。
4AFDD试验装置的研制
要检测电弧故障首先需检测到电弧，然后考虑如何判断是否为故障电弧。一般认为，
电器的正常开关、插头插拔等操作引起的电弧属正常电弧;而触头松动、绝缘老化、
击穿、接地故障等引起的电弧视为故障电弧。少数AFDD生产企业和上海电器科
学研究院已经根据标准要求研制了3类AFDD试验设备。试验装置的研制在一定
程度上推动了AFDD产品的发展，并有效提高了自主研发AFDD产品的品质。
4.1碳化路径电弧试验设备
该设备主要模拟受损导线周围绝缘物质碳化形成碳化路径，及电流通过碳化路径起
弧的电气特性。碳化路径电弧试验设备主要功能是使试验导线测试点产生碳化路径，
然后接入测试负载进行碳化燃烧起火试验。设备配备开路电压7kV、短路电流30
mA和开路电压2kV、短路电流300mA的电源以及转换控制电路，对AFDD的
串联电弧性能进行测试。
4.2切割电缆(导线)试验设备
该设备主要模拟电气线路产生并联电弧，且电弧故障电流达不到断路器动作值时的
电气特性。按标准要求测量在0.5s内电弧的半波数，对AFDD的并联电弧故障性
能进行测试。
4.3电弧发生器
该设备主要模拟电气线路发生接触不良故障时的电气特性，通过控制两个电极缓慢
接触/分离，或频繁快速接触/分离，使试验回路产生电弧故障。该设备主要功能是
发生串联电弧故障，对AFDD的串联电弧故障性能进行测试。
4.4振动电弧试验台
试验中AFDD连接到振动电弧试验台，AFDD的相线端子与振动电弧试验台的柱
头螺栓和接线片的铜线相接。振动平台的频率为30～60Hz。利用振动电弧试验
台完成AFDD常规试验中的脱扣试验验证。
5电弧故障保护技术发展和应用前景
5.1AFDD应用发展前景
AFDD作为一种新型的电气火灾和安全保护电器，电弧故障保护功能是其他保护
电器不可替代的。将补充过电流保护装置和剩余电流保护装置的不足，与现有的过
电流保护装置和剩余电流保护装置构成完善的电气火灾保护系统，有效减少电气火
灾的发生。
随着国内对低压电气安全和电弧故障保护的重视程度逐渐提高，我国已有多家企业
在研制AFDD，有的企业研制的产品已取得了UL认证，并进入美国市场，同时在
国内的学校宿舍、住宅、办公楼等场所试运行，取得了一定效果。AFDD相关的
产品标准、防火设计规范已经制订，为产品提供了统一、完整、明确和合理的技术
要求和试验方法。2009年修订的《消防法》以国家主席第六号令正式施行，其中
特别强调国家鼓励、支持消防科学研究和技术创新，推广使用先进的消防和应急救
援技术、设备。这些无疑将进一步促进我国AFDD的研制、普及和推广。
该产品和技术推广成功后，可广泛用于家庭、企事业单位、宾馆、商务楼、娱乐场
所等，在出现电弧故障时，自动断开电路，防止因线路电弧火花而造成火灾。未来
随着技术的成熟还可推广到汽车、飞机等领域，可见AFDD技术的市场潜力巨大，
可推动用电安全、供电安全和降低火灾事故，大幅度降低由电弧故障导致的电气火
灾发生的数量和几率，将会带来巨大的社会和经济效益。
5.2电弧故障保护技术发展与展望
目前，家用及类似用途AFCI已在美国广泛应用，汽车领域用的类似保护装置也在
开发中。在航空和航天器的电气网络中，电缆束的电弧通道问题已存在20～30年，
由两种情况引起:一种为湿电弧通道，是由于清洁剂渗入到电缆束内，逐步破坏了
电缆的绝缘;另一种为干电弧通道，是由于电缆绝缘表面的机械损伤。由于现代航
空电气设备中采用了大量的电子装置，而这些电子装置存在的电流波形和电弧故障
非常相似，因而区别这些信号难度比家用电弧故障保护装置更为复杂。AFDD向
工业和商业用途发展，负载的种类更是多样化，如电弧炉、电焊机等有各种使用特
征，因而以不同用途类别来开发AFDD是可能选择的一种方案。
目前，对电弧故障检测技术的研究基本还停留在电弧发生后再检测。多信息技术的
融合是电弧故障检测发展的一个主要方向，运用神经网络、模糊数学等先进的信息
融合理论，综合弧光、噪声、辐射、温度变化、电流电压变化等信息，必将有利于
对电弧故障实施快速、有效地检测。另外，能否有效地对电弧故障实施预警，即在
电弧发生之前实现电弧故障检测，将是电弧故障检测的一个新课题。有研究表明，
电弧燃弧前，空气会被击穿从而产生超声波，通过对超声波的检测可以达到电弧故
障预警的目的［15］。
6结语
目前，用于住宅的家用AFDD已逐渐推广，飞机配电线路的AFDD技术也很成熟，
汽车领域的类似保护装置在开发中，同时AFDD也向工业和商业用途发展，负载
类型更是多样化。
未来需做好以下3方面，才能促进AFDD的迅猛发展。
(1)完善电弧检测算法。由于电弧波形的复杂性，目前的算法或多或少都存在不同
程度的缺陷，所以可通过对具体试验数据的分析来尝试新的算法，或综合已有的算
法来更好地解决电弧判断的问题。
(2)解决产品误动作率高的问题。防止误动作是AFDD技术的重要课题。若AFDD
误动作而影响电器设备的正常运行，那就失去了保护电路的意义。只有很好解决了
这一问题，AFDD才能得到市场认可。
(3)开发不同用途的AFDD。
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