低壓配電系統電弧故障火災防范

據應急管理部消防救援局統計：2019年全年接報火災23.3萬(wàn)起，亡1 335人，傷837人，直接財產(chǎn)損失36.12億元；其中已查明原因的住宅火災有52 % 系電氣原因引起。

當發(fā)生電氣火災時(shí)有幾個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：高溫、故障電弧、接地型電弧短路、接地故障電流值迅速增大。很多人認為，在配電干線(xiàn)回路裝設了剩余電流動(dòng)作保護器（RCD）或者是電氣火災監控系統（EFP），就已經(jīng)能夠有效監控和防范電氣線(xiàn)路發(fā)生的火災；其實(shí)不然，在工程實(shí)踐中，往往有裝設了電氣火災監控系統或剩余電流動(dòng)作保護裝置的配電干線(xiàn)回路仍然發(fā)生火災的情況。

電氣火災監控系統中的剩余電流檢測裝置，其工作原理是基于檢測相線(xiàn)與地線(xiàn)或中性線(xiàn)與地線(xiàn)接地型短路所產(chǎn)生的故障電流，是以三根相線(xiàn)與中性線(xiàn)電流矢量和為檢測目標值，當檢測到泄漏電流值超過(guò)報警閾值，則發(fā)出預警信號或由消防控制室控制切斷相關(guān)回路供電電源，達到防范電氣火災的目的。而低壓配電回路中，帶電導體自身斷裂或者因為接觸不良產(chǎn)生的串聯(lián)電弧或者帶電導體（相導體與相導體、相導體與中性線(xiàn)導體）之間的并聯(lián)電弧發(fā)生故障時(shí)，由于沒(méi)有產(chǎn)生對地故障電流，剩余電流檢測裝置無(wú)法檢測這類(lèi)故障。電弧故障產(chǎn)生時(shí)，回路阻抗可能較大，使得故障電流低于配電線(xiàn)路上裝設的微型斷路器或者熔斷器的脫扣設定值，保護電器不動(dòng)作。因此，剩余電流動(dòng)作保護裝置、熔斷器或小型斷路器都不能有效降低電弧引起的火災危險。從圖1電弧故障對比斷路器脫扣曲線(xiàn)可以看出，一部分電弧故障范圍是在斷路器脫扣保護曲線(xiàn)范圍之外。

電弧故障的起因主要有以下幾種，如圖2所示。

當絕緣層破損或連接處不緊固，會(huì )出現局部熱點(diǎn)，使導體附近的絕緣材料發(fā)生炭化并產(chǎn)生高溫電弧，引燃周?chē)橘|(zhì)，導致火災的發(fā)生。此類(lèi)型故障無(wú)法通過(guò)單一的電氣參數進(jìn)行判斷，需要通過(guò)電弧故障檢測技術(shù)檢測電流和電壓波形，在波形發(fā)生畸變并確認為故障電弧時(shí)應迅速斷開(kāi)，從而降低被保護回路發(fā)生電氣火災的可能。

如何判斷電弧故障，首先要了解電弧故障的種類(lèi)。按產(chǎn)生的位置不同，電弧分為串聯(lián)電弧和并聯(lián)電?。?/p>

a. 串聯(lián)電弧一般有兩種成因：一種是由于振動(dòng)等原因引起電極間接觸不良、連接松動(dòng)或接觸處斷裂，即點(diǎn)接觸式串聯(lián)電弧故障，進(jìn)而形成間歇性電弧，電弧的間歇性燃燒會(huì )使導體的熱量集聚，如果不能夠及時(shí)散熱將導致導體過(guò)熱，進(jìn)而引燃導體外層絕緣材料，引發(fā)電氣火災；另一種串聯(lián)電弧則是配電線(xiàn)路年久失修導致線(xiàn)路被腐蝕氧化、電纜絕緣被炭化，或是連接端子銹蝕等問(wèn)題，在絕緣體上形成了炭化通道，由此形成電弧燃熾，即為炭化路徑式串聯(lián)電弧故障。當低壓配電線(xiàn)路中存在絕緣介質(zhì)的腐蝕與炭化問(wèn)題時(shí)，處于損壞斷口處兩端的起始電壓幅值很低，據測量?jì)H有幾百毫伏，但是隨著(zhù)電線(xiàn)絕緣介質(zhì)被逐漸氧化和腐蝕，損壞斷口處兩端的電壓便會(huì )逐步升高，當電壓幅值升高到幾伏時(shí)，氣體間隙便能夠維持電弧穩定的燃熾，電弧產(chǎn)生足夠的能量，進(jìn)而引燃導體外層絕緣材料，最終導致電氣火災的發(fā)生。串聯(lián)電弧故障受到阻抗負載限制，電弧電流一般略低于正常負載電流，這是它的重要特點(diǎn)。

故障電弧探測裝置_LAFD201型故障電弧探測器

b. 并聯(lián)電弧故障是一種短路電弧故障，它的產(chǎn)生也有兩個(gè)方面的原因：一方面是由于外力因素使相線(xiàn)與中性線(xiàn)之間的絕緣破損、開(kāi)裂，進(jìn)而造成相線(xiàn)和中性線(xiàn)之間的電弧故障，即點(diǎn)接觸式并聯(lián)電弧故障；另一方面是由于電線(xiàn)長(cháng)期捆扎在一起，導線(xiàn)腐蝕老化導致相線(xiàn)和中性線(xiàn)之間的絕緣層出現炭化，形成炭化通道，進(jìn)而導致兩導線(xiàn)之間形成電弧，即炭化路徑式并聯(lián)電弧故障。這種情況在工程中經(jīng)?？梢钥吹?，并聯(lián)電弧故障的電流波形同樣受到負載影響，但電流幅值要明顯大于負載電流，并聯(lián)電弧故障產(chǎn)生的能量也要大于串聯(lián)電弧故障，很容易在故障點(diǎn)形成導電通道，使金屬導體過(guò)熱并引燃可燃物，甚至能夠使金屬電極發(fā)生熔化。它的特點(diǎn)是其電流幅值大于正常線(xiàn)路的負載電流，但可能達不到傳統過(guò)流保護裝置的磁脫扣閾值，有可能在回路切斷前已產(chǎn)生了燃弧現象。

接地電弧也是并聯(lián)故障電弧的一種。對于TN系統，由于接地電弧產(chǎn)生的故障電流是通過(guò)PE線(xiàn)流回電源側，常用的剩余電流動(dòng)作保護斷路器（RCD）可以對此故障電弧提供保護。

電弧故障火災越來(lái)越被人們所認識，更多的技術(shù)應用到電弧故障檢測中，并伴隨著(zhù)產(chǎn)品標準的完善，市面上推出了電弧故障保護器（AFDD）。

美國NEC 2017版210.12條要求住宅單元（如廚房、家庭娛樂(lè )室、餐廳、起居室、客廳等）的單相末端單相支路應配備電弧故障保護電器，并在2008年開(kāi)始在全美普及并強制實(shí)施。IEC 60364 - 4 - 42：2010 + AMD1：2014 CSV《Low?voltage electrical installations — Part 4 - 42：Protection for safety — Protection against thermal effects》推薦在睡眠場(chǎng)所、高火災風(fēng)險場(chǎng)所、火災易蔓延場(chǎng)所及危及無(wú)法取代物品場(chǎng)所的交流末端回路加裝電弧故障保護電器。

最新發(fā)布的GB 51348 - 2019《民用建筑電氣設計標準》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《民標》）7.6.6條規定：宜在商場(chǎng)、超市，以及儲存可燃物品的庫房，人員密集場(chǎng)所的照明、插座回路安裝AFDD。針對規范條款中的“人員密集場(chǎng)所”，《中華人民共和國消防法》、GB 35181 - 2017《重大火災隱患判定方法》、GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》（2018年版）等文件、規范也有相關(guān)的定義，特指賓館、飯店、公共娛樂(lè )場(chǎng)所、體育場(chǎng)館，學(xué)校的教學(xué)樓、圖書(shū)館、食堂和集體宿舍，以及民用機場(chǎng)航站樓等面積較大、同一時(shí)間聚集人數較多的場(chǎng)所，涉及范圍極廣?！睹駱恕?3.5.5條規定：設置了電氣火災監控系統的檔口式家電商場(chǎng)、批發(fā)市場(chǎng)等場(chǎng)所的末端配電箱應設置電弧故障火災探測器或限流式電氣防火保護器。

如何有效選擇AFDD的應用場(chǎng)景，首先應從火災危險性考慮。根據應急管理部消防救援局的數據統計，2019年居民住宅火災數雖然只占總數的44.8 %，但造成的死亡人數占總數的78.3 %，遠超其他場(chǎng)所亡人的總和，尤其是各類(lèi)家用電器、電氣線(xiàn)路等引發(fā)的火災越來(lái)越突出。同時(shí)，隨著(zhù)我國人口老齡化的加快，火災亡人的老齡人口所占比重已從2009年的29 % 上升至2019年的36.2 %，遠高于老齡人口占總人口16.2 %的比重，而住宅火災中該比例更達到42.9 %，癱瘓、殘疾、精神病人等群體的比重達到44.3 %。由此可見(jiàn)，人員密集的睡眠類(lèi)場(chǎng)所（集體宿舍、酒店等）和老弱病殘（養老院、幼兒園等）的場(chǎng)所應尤為關(guān)注。

以集體宿舍為例，可選用具備電弧故障保護功能的MCB和RCBO來(lái)分別保護照明和插座回路（如圖3所示）。如條件不允許或改造項目，可在原有MCB或RCBO后加裝單獨的AFDD，以降低電氣火災風(fēng)險。

完善的電氣火災監控系統，是有效防范低壓配電系統中所產(chǎn)生的各種類(lèi)型電氣火災的重要手段，作為專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，應該充分了解和掌握這些電氣系統故障特點(diǎn)，采取有效針對性措施，防范電氣火災的發(fā)生。

作者：

席 偉，男，昆明市建筑設計研究院股份有限公司，正高級工程師，副總工程師,電氣總工程師。

陳郭驊，男，施耐德萬(wàn)高（天津）電氣設備有限公司，產(chǎn)品工程師。