低壓配電系統(tǒng)電弧故障火災(zāi)防范

據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)：2019年全年接報(bào)火災(zāi)23.3萬起，亡1 335人，傷837人，直接財(cái)產(chǎn)損失36.12億元；其中已查明原因的住宅火災(zāi)有52 % 系電氣原因引起。

當(dāng)發(fā)生電氣火災(zāi)時(shí)有幾個(gè)顯著特點(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(rèn)為，在配電干線回路裝設(shè)了剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD）或者是電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)（EFP），就已經(jīng)能夠有效監(jiān)控和防范電氣線路發(fā)生的火災(zāi)；其實(shí)不然，在工程實(shí)踐中，往往有裝設(shè)了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)或剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的配電干線回路仍然發(fā)生火災(zāi)的情況。

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的剩余電流檢測裝置，其工作原理是基于檢測相線與地線或中性線與地線接地型短路所產(chǎn)生的故障電流，是以三根相線與中性線電流矢量和為檢測目標(biāo)值，當(dāng)檢測到泄漏電流值超過報(bào)警閾值，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)或由消防控制室控制切斷相關(guān)回路供電電源，達(dá)到防范電氣火災(zāi)的目的。而低壓配電回路中，帶電導(dǎo)體自身斷裂或者因?yàn)榻佑|不良產(chǎn)生的串聯(lián)電弧或者帶電導(dǎo)體（相導(dǎo)體與相導(dǎo)體、相導(dǎo)體與中性線導(dǎo)體）之間的并聯(lián)電弧發(fā)生故障時(shí)，由于沒有產(chǎn)生對(duì)地故障電流，剩余電流檢測裝置無法檢測這類故障。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路上裝設(shè)的微型斷路器或者熔斷器的脫扣設(shè)定值，保護(hù)電器不動(dòng)作。因此，剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(zāi)危險(xiǎn)。從圖1電弧故障對(duì)比斷路器脫扣曲線可以看出，一部分電弧故障范圍是在斷路器脫扣保護(hù)曲線范圍之外。

電弧故障的起因主要有以下幾種，如圖2所示。

當(dāng)絕緣層破損或連接處不緊固，會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，使導(dǎo)體附近的絕緣材料發(fā)生炭化并產(chǎn)生高溫電弧，引燃周圍介質(zhì)，導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。此類型故障無法通過單一的電氣參數(shù)進(jìn)行判斷，需要通過電弧故障檢測技術(shù)檢測電流和電壓波形，在波形發(fā)生畸變并確認(rèn)為故障電弧時(shí)應(yīng)迅速斷開，從而降低被保護(hù)回路發(fā)生電氣火災(zāi)的可能。

如何判斷電弧故障，首先要了解電弧故障的種類。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(dǎo)體的熱量集聚，如果不能夠及時(shí)散熱將導(dǎo)致導(dǎo)體過熱，進(jìn)而引燃導(dǎo)體外層絕緣材料，引發(fā)電氣火災(zāi)；另一種串聯(lián)電弧則是配電線路年久失修導(dǎo)致線路被腐蝕氧化、電纜絕緣被炭化，或是連接端子銹蝕等問題，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(dāng)?shù)蛪号潆娋€路中存在絕緣介質(zhì)的腐蝕與炭化問題時(shí)，處于損壞斷口處兩端的起始電壓幅值很低，據(jù)測量僅有幾百毫伏，但是隨著電線絕緣介質(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(dāng)電壓幅值升高到幾伏時(shí)，氣體間隙便能夠維持電弧穩(wěn)定的燃熾，電弧產(chǎn)生足夠的能量，進(jìn)而引燃導(dǎo)體外層絕緣材料，最終導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生。串聯(lián)電弧故障受到阻抗負(fù)載限制，電弧電流一般略低于正常負(fù)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與中性線之間的絕緣破損、開裂，進(jìn)而造成相線和中性線之間的電弧故障，即點(diǎn)接觸式并聯(lián)電弧故障；另一方面是由于電線長期捆扎在一起，導(dǎo)線腐蝕老化導(dǎo)致相線和中性線之間的絕緣層出現(xiàn)炭化，形成炭化通道，進(jìn)而導(dǎo)致兩導(dǎo)線之間形成電弧，即炭化路徑式并聯(lián)電弧故障。這種情況在工程中經(jīng)?？梢钥吹剑⒙?lián)電弧故障的電流波形同樣受到負(fù)載影響，但電流幅值要明顯大于負(fù)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(dǎo)電通道，使金屬導(dǎo)體過熱并引燃可燃物，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路的負(fù)載電流，但可能達(dá)不到傳統(tǒng)過流保護(hù)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(xiàn)象。

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

電弧故障火災(zāi)越來越被人們所認(rèn)識(shí)，更多的技術(shù)應(yīng)用到電弧故障檢測中，并伴隨著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的完善，市面上推出了電弧故障保護(hù)器（AFDD）。

美國NEC 2017版210.12條要求住宅單元（如廚房、家庭娛樂室、餐廳、起居室、客廳等）的單相末端單相支路應(yīng)配備電弧故障保護(hù)電器，并在2008年開始在全美普及并強(qiáng)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》推薦在睡眠場所、高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場所、火災(zāi)易蔓延場所及危及無法取代物品場所的交流末端回路加裝電弧故障保護(hù)電器。

最新發(fā)布的GB 51348 - 2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《民標(biāo)》）7.6.6條規(guī)定：宜在商場、超市，以及儲(chǔ)存可燃物品的庫房，人員密集場所的照明、插座回路安裝AFDD。針對(duì)規(guī)范條款中的“人員密集場所”，《中華人民共和國消防法》、GB 35181 - 2017《重大火災(zāi)隱患判定方法》、GB 50016 - 2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）等文件、規(guī)范也有相關(guān)的定義，特指賓館、飯店、公共娛樂場所、體育場館，學(xué)校的教學(xué)樓、圖書館、食堂和集體宿舍，以及民用機(jī)場航站樓等面積較大、同一時(shí)間聚集人數(shù)較多的場所，涉及范圍極廣?！睹駱?biāo)》13.5.5條規(guī)定：設(shè)置了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的檔口式家電商場、批發(fā)市場等場所的末端配電箱應(yīng)設(shè)置電弧故障火災(zāi)探測器或限流式電氣防火保護(hù)器。

如何有效選擇AFDD的應(yīng)用場景，首先應(yīng)從火災(zāi)危險(xiǎn)性考慮。根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年居民住宅火災(zāi)數(shù)雖然只占總數(shù)的44.8 %，但造成的死亡人數(shù)占總數(shù)的78.3 %，遠(yuǎn)超其他場所亡人的總和，尤其是各類家用電器、電氣線路等引發(fā)的火災(zāi)越來越突出。同時(shí)，隨著我國人口老齡化的加快，火災(zāi)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(yuǎn)高于老齡人口占總?cè)丝?6.2 %的比重，而住宅火災(zāi)中該比例更達(dá)到42.9 %，癱瘓、殘疾、精神病人等群體的比重達(dá)到44.3 %。由此可見，人員密集的睡眠類場所（集體宿舍、酒店等）和老弱病殘（養(yǎng)老院、幼兒園等）的場所應(yīng)尤為關(guān)注。

以集體宿舍為例，可選用具備電弧故障保護(hù)功能的MCB和RCBO來分別保護(hù)照明和插座回路（如圖3所示）。如條件不允許或改造項(xiàng)目，可在原有MCB或RCBO后加裝單獨(dú)的AFDD，以降低電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

完善的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是有效防范低壓配電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的各種類型電氣火災(zāi)的重要手段，作為專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)該充分了解和掌握這些電氣系統(tǒng)故障特點(diǎn)，采取有效針對(duì)性措施，防范電氣火災(zāi)的發(fā)生。

作者：

席 偉，男，昆明市建筑設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，正高級(jí)工程師，副總工程師,電氣總工程師。

陳郭驊，男，施耐德萬高（天津）電氣設(shè)備有限公司，產(chǎn)品工程師。