电气火灾成因分析与剩余电流动作电气火灾监控系统-电力论文发表

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发布时间：2011-06-21 09:01:37  更新时间：2011-06-21 09:01:35

电气火灾成因分析与剩余电流动作电气火灾监控系统
刘少君¹ 石鹏²
摘要：电气短路火灾大多是电弧性短路引起的，因为电弧具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流，使过电流防护电器不能动作或不能及时动作来切断电源，几个安培的电弧的局部高温可高达2000～4000℃，足以引燃附近的可燃物质起火，而电气线路或电气设备的漏电是导致电弧性短路最主要的原因。为预防电弧性短路引起的电气火灾，在一些火灾危险性大、人员密集和火灾损失大、电气线路复杂的公共建筑和工业建筑等场所中设置剩余电流动作电气火灾监控系统就显得极为重要。
关键词：接地故障 电弧性短路起火 剩余电流动作 电气火灾监控系统

我国是电气火灾多发的国家，进入20世纪90年代以来，电气火灾次数一直占据各类火灾首位,接近火灾总数的42％，严重危害国家财产和人民生命安全。由于电气火灾具有突发性、隐蔽性，加之有些电气工程未按照国家规范的规定和设计要求进行施工和安装, 线路敷设混乱，更易造成电气接地故障, 极易引发火灾，装设防火剩余电流动作电气火灾监控系统（以下简称防火RCD）是防范电气火灾最为有效的方法。
一、电气火灾成因分析及防范对策
（一）电气火灾成因分析
我们大家都知道，火灾的发生必须具备起火源、可燃物和氧气三个条件。如果电气装置在设计、施工、监理、竣工验收、运行监督任一环节出现不当、失控，就有可能在建筑物内因电气的原因而引发火灾。电气火灾通常以异常高温、电弧（电火花）的形式出现，其原因一般可归纳为短路起火、连接不良起火和电气装置布置不当起火。
短路起火占电气火灾的多半，短路起火又分为金属性短路起火、电弧性短路起火。
1.金属性短路起火
金属性短路起火是指当不同电位的两个导体接触时，大短路电流通过接触电阻时的发热量（I²Rt）产生高温，若短路防护电器因故未能可靠动作，就有可能引发短路起火。
2.电弧性短路起火
电弧性短路起火主要有带电导体间的电弧性短路起火、接地故障电弧性短路起火和爬电起火三种：
(1)带电导体间的电弧性短路的发生有多种形式，主要是电气线路的两线芯相互接触短路时，线芯未焊死而熔化成团，两熔化金属团收缩脱离接触就有可能建立电弧，雷击产生的瞬态过电压或电网故障产生的暂时过电压也可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧，电弧如果持续存在很容易引发火灾。防范带电导体间的电弧性短路不像接地故障的短路可用剩余电流动作保护装置（RCD）来切断电源，且过电流保护电器也对电流不大的电弧性短路无能为力，难以切断电源，所以，防范带电导体间的电弧性短路一直是个世界性的难题。幸运的是，带电导体间的电弧性短路的发生概率远远低于接地故障电弧性短路的发生概率。
(2)接地故障电弧性短路与带电导体间的电弧性短路有相似之处，唯一不同处在于接地故障电弧性短路发生在电气线路的带电导体与PE线或大地之间。在电气线路短路起火事故中，接地故障电弧性短路引发的火灾概率远高于带电导体间的电弧性短路引发的火灾概率，这首先是因为接地故障概率远大于带电导体间的短路概率，其根本原因之一是带电导体对地的绝缘水平总是低于带电导体之间的绝缘水平，原因之二是电气线路施工时，穿钢管拉电线、电缆时带电导体绝缘外皮与钢管间的摩擦易使绝缘受损，但电线、电缆的带电导体绝缘外皮之间并无相对运动或即使有相对运动其摩擦力也极小，绝缘不会受损。
(3)电弧性短路的起火危险远大于金属性短路，这是因为电弧具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流，使过电流防护电器不能动作或不能及时动作来切断电源，几个安培的电弧的局部高温可高达2000～4000℃，足以引燃附近的可燃物质起火。
在短路起火中电弧性接地故障导致火灾的危险最大，根据国外消防资料和我国一些电气短路起火案例的分析，所谓短路起火实际上绝大部分为电弧性接地故障起火。虽然上述带电导体间的电弧性短路因短路电流太小既难以用一般过电流保护电器切断电源，又无法采用剩余电流动作保护装置（RCD）及时切断电源或发出报警信号，但令人庆幸的是最易引发火灾的接地故障，无论是金属性的还是电弧性的，均可采用防火RCD及时切断电源或发出报警信号。原因非常简单：实验室试验结果表明500mA的电弧能量才能引燃附近的可燃物，而剩余电流动作保护装置对接地故障的动作灵敏度完全可以满足要求（切断电源或发出报警信号），采用防火RCD预防接地故障引发的短路起火既简单实用又安全有效，是防范接地故障短路起火最有效的方法。
(二) 电气火灾防范对策
就我国电气火灾的现状而论，防短路起火是防范电气火灾的重中之重。
1.防范爬电起火措施
爬电是发生在导体间的燃弧现象，它不是发生在空气间隙之间，而是发生在设备绝缘的表面上的电弧。爬电是一个缓慢渐进的过程，主要原因在于设备绝缘的表面因冷热变换产生的凝结潮气，使两导体间产生能微弱导电的液膜，“漏电起痕”效应又使两导体间产生的微弱电流的热效应会使液膜中的液体气化，但盐分和导电灰尘、施工未清扫干净的粉尘等却依旧遗留于绝缘的表面。这一过程周而复始，渐变过程达到一定程度，即便绝缘表面没有水份也能导电，电流产生的热量使绝缘表面炭化，逐渐使绝缘失效而发生燃弧现象，若附近有可燃物也就会发生爬电起火，引发火灾。防范爬电起火最主要的手段就是采用抗爬电的绝缘材料，在电气产品设计中适当加大两个不同电位导体间的绝缘表面距离，在电气工程设计中采取措施减少这两个导体间的电位差，尤其是施工安装时注意保持设备绝缘表面的清洁卫生也显得无比重要。
2.防范连接不良起火措施
连接不良起火占电气火灾的不小比例，主要指导体的连接不良。电气设备端子与电气线路之间以及电气线路与线路之间的永久性连接为固定连接；开关两个触头间和插头与插座间的断续的连接为活动连接。无论固定连接还是活动连接，都有可能因连接不良产生高温和电火花而引起火灾。防范连接不良起火的最好方法就是加强消防电气知识的普及、提高电气从业人员的工作责任心、重视合理布置固定插座、选用合格的电气产品。
3.防范电气装置布置不当起火措施
电气装置布置不当起火也是电气火灾成因之一，最常见的就是高温光源布置得太靠近可燃物、宾馆电气设计为片面追求建筑美观将小配电箱安装在客房的木质衣柜内、电感式或电子式镇流器安装在可燃物上等等，不一而足。这种情况下，即使没有发生电气故障，其正常工作时的高温或电火花也可引燃起火，国际电工委员会IEC标准将这种电气火灾称作电气设备热效应引起的火灾。防范电气装置布置不当起火别无他法，必须严格遵守国家《建筑设计防火规范》GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045的相关规定，才能杜绝此类电气火灾。
二、电气火灾监控系统
(一) 电气火灾监控系统的作用
既然可燃物和氧气无法杜绝，那么控制起火源就成为防范电气火灾的关键。
根据以上对电气火灾成因分析及防范对策的描述，我们可以从中发现：
电气火灾中的短路起火、连接不良起火和电气装置布置不当起火以接地故障电弧性短路起火几率最高、危害最大，但可以采用防火RCD予以预防；金属性短路起火应以电气短路保护电器予以防范、带电导体间的电弧性短路起火是个难题，暂无应对措施，好在发生的概率远远低于接地故障电弧性短路起火；至于防范爬电起火、连接不良起火、电气装置布置不当起火均应在事前将问题解决，事后的电气监控很难发现事故隐患。
据此，我们基本可以得出这样一个结论：防范电气火灾的工作重点应放在如何预防和及时发现接地电弧性短路故障。
(二)剩余电流监控系统的实际应用
按照《电气火灾监控系统》GB 14287.1-2006的规定，电气火灾监控系统由以下三部分组成：电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器、测温式电气火灾监控探测器。电气火灾监控系统分剩余电流监控和测温监控两种方式。
笔者认为电气火灾监控系统基本上还是以剩余电流监控为主、测温监控为辅。
干式变压器超温报警信号、油浸变压器轻瓦斯动作报警信号应接入电气火灾监控系统，根据实际建筑工程的需要和所对应电气设备的重要程度，电气线路、配电箱（柜）、电动机、大型设备均可设置测温监控探测器，其温度报警值建议按被保护对象绝缘材料耐热温度下降5ºC设定，本篇论文对测温监控方式不作探讨分析。
对于两级及以上防火RCD的设置，应注意漏电动作脱扣的防火RCD必须做到上下级的选择性配合，参见图1。

图1 多级剩余电流保护装置（RCD）保护示意图

二、三级保护的时间配合见表1剩余电流动作保护装置的延时时间的级差配合。

表1 剩余电流动作保护装置的延时时间的级差配合
序号 保护分级 二、三级保护的最大分断时间（s）
一级保护 中级保护 末级保护
1 二级保护 0.3 0.1
2 三级保护 0.5 0.3 0.1
注：延时型剩余电流动作保护装置的延时时间的级差为0.2s
注：延时型剩余电流动作保护装置延时时间的优选值为：0.2，0.4，0.8，1，1.5，2s。

1.为防止接地故障引起电气火灾而设置的脱扣式防火RCD，其上级额定剩余动作电流I△n不应小于下级额定剩余动作电流I△n的3倍，以满足上下级间的电流选择性。防火RCD取值应按下列原则选取：
（1）对于生产、加工、储存可燃物以及多粉尘的火灾危险场所（BE2场所）可取100mA～500mA且不应大于500mA。
（2）对于一般场所可取大于500mA（防火RCD动作电流可取1A或更大）。
（3）防火RCD的额定剩余不动作电流I△no，应不小于被保护电气线路和设备的正常运行时泄漏电流最大值的2倍。
（4）防火RCD的额定剩余不动作电流I△no优选值为额定剩余动作电流I△n的0.5倍，若采用其他值，则应大于额定剩余动作电流I△n的0.5倍。
2.防火RCD报警值不应小于20mA ，不宜大于500mA （系统较小时）或1A（系统较大大）。当回路的自然漏电流较大，不能满足测量要求时，宜采用门槛电平连续可调的剩余电流动作报警器或分段报警方式抵消自然泄漏电流的影响。
三、通过对现行规范的分析进一步讨论防火RCD的正确设计
(一)对现行规范防火RCD设计要求的分析
《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008/7.6.7“建筑物的电源进线或配电干线分支处的接地故障报警应符合下列规定：1住宅、公寓等居住建筑应设置剩余电流动作报警器”、13.12.5“剩余电流检测点宜设置在楼层配电箱（配电系统第二级开关）进线处，当回路容量较小线路较短时，宜设在变电所低压柜的出线端”、《建筑设计防火规范》GB50016-2006/11.2.7“下列场所宜设置漏电火灾报警系统：5按一、二级负荷供电的消防用电设备”。
上述的规定是否恰当，我们可以作一下分析：
住宅、公寓等住宅小区如果有24小时集中监控的值班室，《民规》JGJ16-2008/7.6.7的设计规定无疑是正确的，但如果住宅、公寓楼没有值班室，这条设计规定就值得商榷：防火RCD的接地故障报警信号往何处送？由谁来监控、处理？这种情况下的防火RCD，还是应继续遵守我们国家标准《住宅设计规范》GB50096-1999（2003年版）/6.5.2/7“每幢住宅的总电源进线断路器，应具有漏电保护功能”的设计规定，条文说明明确提出“及时切断电源，防止电气火灾的发生”。
《民规》JGJ16-2008/13.12.5针对民用建筑物将剩余电流检测点工作重点放在楼层配电箱（配电系统第二级开关）进线处无疑是正确的，但有所欠缺。防火RCD剩余电流检测点的设置，一方面应避免到处设置检测点，减少建设单位的投资，另一方面应避免防火RCD剩余电流检测出现监控盲区。解决问题很简单，只要在建筑物低压电源总进线处设置第一级防火RCD即可对整个建筑物的接地故障无一遗漏的实施全面监控，从而消除监控盲区。规范中的这一个漏洞反映我国在防电气火灾和在电气安全技术上的认识与国际水平存在差距。
《建规》GB50016-2006/11.2.7/5针对一、二级负荷供电的消防用电设备提出设置防火RCD。但很多消防电气设备平时不投运，配电线路敷设、防火处理也非常注意，配电线路的截面更因考虑消防电气设备过载时会坚持运行的缘故而放大一级，且消防电气设备一旦选定，基本不允许有改变，所以发生故障的概率极低；反倒是GB50016-2006未要求的大量非消防电气设备，由于量大面广，又由于建筑装修变动大，且可能装修设计人员对原建筑工程的电气设计了解不够充分，容易产生过载、漏电等一系列故障，引发电气火灾的可能性较大。所以，防火RCD所针对的重点对象，应该是敷设条件比较恶劣、装修变化比较大、成束电缆数量比较多的非消防供配电线路。一、二级负荷供电的消防用电确实很重要，但笔者认为非消防电气设备设防火RCD的理由和迫切性更胜于消防电气设备。
(二) 防火RCD的正确设计
无人值班的小型建筑物或住宅、公寓等居住建筑，防火RCD应作用于电气线路的保护电器使其跳闸，一般在其总电源进线设置一级防火RCD即可。
有人值班的建筑物可以采用防火RCD进行报警，从而避免大面积停电引发诸多不良后果，也可根据实际情况作用于电气线路的保护电器使其跳闸。小型建筑物设置一级防火RCD报警即可；大型建筑物一般至少设置两级防火RCD，第一级防火RCD设置在建筑物低压电源总进线处，第二级防火RCD宜设置在楼层配电箱(配电系统第二级开关)进线处，也可以根据建筑物的规模大小设置三级防火RCD。据一些接地电弧电气火灾现场反映，在建筑物起火冒烟前个把小时，电弧引起的电压波动就已经开始使灯光闪烁。说明接地电弧性短路故障到烤燃附近可燃物，再到最后火势蔓延需经历一段比较长的时间，有人值班就可以在防火RCD报警后有充足的时间用仪表（例如钳形电流表）查出故障点，避免大面积停电引发其他不良后果。
四、结束语
防火剩余电流动作电气火灾监控系统是一个联网的整体装置，是一个完整的系统，非以往分散设置的单个剩余电流报警装置或传统剩余电流断路器所能胜任，且这些设备必须采用国家消防电子产品质量监督检验中心检测合格的产品，以确保质量和安全。为了预防电气火灾和减少火灾危害，很多场合设置电气火灾监控系统是极其必要的，且应注意做到防火RCD的控制器应安装在建筑物的消防控制室或值班室内，由消防控制室或值班室统一管理，其导线选择、线路敷设、供电电源及接地，也应与火灾自动报警系统要求相同。
参考文献
[1] 《建筑设计防火规范》GB50016-2006
[2] 《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
[3] 《剩余电流动作保护装置的安装和运行》GB13955-2005
[4] 《电气火灾监控系统第1部分：电气火灾监控设备》GB14287.1-2005
[5] 《住宅设计规范》GB50096-1999（2003年版）
[6] 《低压电气装置的设计安装和检验》（第二版）北京：中国电力出版社．中国航空规划设计研究院 王厚余编著，（2007年）