淺談易引起電氣火災的接地故障

竇甜華 / 張 強(山東同圓設計集團有限公司， 山東 濟南 250101)

0 引言

民用建筑中的低壓供配電系統是電力系統中與用戶聯系最密切的部分，它是否能夠合理、安全、高效與穩定地運行，直接關系到人們的生產生活。但低壓配電系統存在的問題也相對較多，據統計，在電氣火災和電擊死亡事故成因中，380/220 V低壓配電系統問題占70%以上。

1 低壓配電系統中的接地故障及其危害

據1993～2002年特大、重大電氣火災起火部位統計資料顯示：電氣線路上的起火占52%。短路、過熱是引發電氣火災的主要原因[1]。民用建筑中主要采用TN-C，TN-S和TN-C-S三種系統，其接地主要是通過PE線或PEN線實現。低壓配電系統中的接地故障不同于一般的短路故障，是相線與地或與地有連接的導體之間的短路，如PE線、PEN線、用電設備金屬外殼、金屬管道及敷設的建筑物構件等對大地短路，它不包括相線與中性線之間的短路，不同于一般的單線短路，如圖1所示。

與金屬性短路相比，接地故障較隱蔽、復雜，不易發覺，接地故障中引起電氣火災的起火源可分為三類：故障電源起火，故障電壓起火，保護線或保護中性線的接線端子導電不良起火。這些起火源因接地電阻大，限制了故障電流，不能及時切斷電源，以電弧、火花的形式產生高溫，引燃周圍可燃物質。對于故障電源起火，常以電弧性短路的形式出現，產生的局部高溫很容易引燃周圍的可燃物。對于故障電壓起火，不僅會造成人體電擊事故，且僅有20V的電壓就可維持電弧持續發生，極易引起火災。由接地故障引起的電弧、電火花是最常見的電氣火災原因。

接地故障發生于TN-S、TN-C-S系統時，如果不及時切斷電源，故障電流會沿保護性地線流向與之相連的電氣設備金屬外殼，也可能向鄰近的水暖、煤氣等接地的金屬管道傳導，引起故障電弧起火。因此要采取一些有效的措施來檢測接地故障，預防電氣火災的發生[2]。

圖1 接地故障示意圖

2 接地故障預防

2.1 我國現有預防電氣火災的規范

近年來，隨著電氣火災給人民的生命財產安全造成的損失越來越多，國家提高了對電氣火災的防控力度，相繼制訂和修改了一系列的標準規范。目前國內現有的標準、規范主要是針對接地故障造成的電氣火災制定的，如《高層民用建筑設計防火規范》(GB 50045-2005)(簡稱高規)中規定高層建筑物內火災危險性大和人員密集的場所宜設置漏電火災報警系統。

剩余電流俗稱漏電流，但含義比漏電流更廣，它包含電器線路絕緣損傷流入大地的接地故障電流，對地電容電流，諧波分量電流及電器設備和線路正常運行時對地的自然泄漏電流。在《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB 13955-2005)中統稱為“剩余電流”[3]。我國頒布的《住宅設計規范》(GB 50096-1999)也明確規定居民住宅樓的總電源進線處，應裝有帶剩余電流保護功能的斷路器。《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB 13955-2005)中指出：安裝剩余電流動作保護裝置不僅能有效預防人身電擊事故的發生，在防止因接地故障引起的電氣火災中也起到重要作用[4，5]。《電氣火災監控系統》(GB 14287-2005)標準包括3部分：《電氣火災監控系統》(GB 14287.1-2005)、《剩余電流式電氣火災監控探測器》(GB 14287.2-2005)和《測溫式電氣火災監控探測器》(GB 14287.3-2005)。規范中指出：電氣火災監控探測器是指探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數變化量的探測器[6]。2012年5月山東省質量技術監督局發布了一個地方標準《電氣火災監控系統設計、施工及驗收規范》，主要是針對接地故障引起的電氣火災進行檢測。

2.2 接地故障預防措施

接地故障保護需根據接地形式的不同，采取相應的措施和方法。預防因接地故障引起電氣火災的措施有很多種。目前，在電氣設計中，對建筑物低壓配電系統實施接地保護的兩種方法是：安裝剩余電流保護裝置和采取總等電位、局部等電位聯接。等電位聯接是減少設備電氣事故、保護人身安全及減少電氣火災的一個重要措施。對于改造或擴建的工程項目建筑物內的電子設備、微電子設備和通信網絡設備，也同樣應采用全局等電位和局部等電位聯結。另一個重要的措施就是按照IEC標準中的明確規定，在建筑物內設置剩余電流保護器，且采取分級保護的原則，電源總進線處設置的剩余電流保護器規格一般為300mA～500mA。剩余電流保護器的設置，不僅對建筑物低壓配電系統起到預防電氣火災的作用，同時也進一步降低了人體觸電事故的發生率[7]。

3 剩余電流動作保護器

目前，剩余電流保護器(Residual Current Protective Devices，RCD)已被廣泛應用。監控終端編碼器和剩余電流傳感器安裝在現場，如低壓柜負荷回路出線開關處或配電箱電源進線總開關處。剩余電流保護器主要對配電系統內因接觸不良、導線老化等原因引起的接地故障起監測作用，彌補傳統保護裝置的不足[8]。

3.1 剩余電流保護器原理

目前，應用于建筑物低壓配電系統的剩余電流保護器一般由剩余電流傳感器，脫扣器和報警器三部分組成。其檢測原理是理論上相線、中性線電流的矢量和為零。因導線絕緣性能降低、設備漏電等原因發生接地故障時，剩余電流傳感器將感應出與接地故障電流大小成正比的電流，感應電流的大小就反映配電線路或電氣設備中電流的泄露情況，其值若達到設定閾值，就會使報警器發出報警信號或指示脫扣器動作切斷電源[9]，以防止電氣火災的發生。

3.2 剩余電流的形式

建筑物低壓配電系統中的剩余電流可分為兩種形式：平均分布式剩余電流和點熱積聚效應式剩余電流。平局分布式剩余電流分為兩類：平均線式分布電流和平均點式分布電流，前者是指沿線路平均泄漏電流，與線路對地電容、絕緣阻抗及環境溫、濕度有關；后者是指各變、配、電設備工作時產生的剩余電流，其累加值有時可高達500mA。但引起電氣火災的最大隱患還是點熱集聚效應式剩余電流，即由接地性故障電弧引起的剩余電流。一個配電區域系統的自然泄露電流值等值于對地的剩余電流，平均分布式剩余電流＞300mA可能不會引起電氣火災，而點積聚式剩余電流值若＞300mA，則是真正的火災隱患。一般，對于電弧型接地故障，其有效剩余電流動作保護值≤300mA。

3.3 剩余電流保護器的誤動作

低壓配電系統中的規范要求，當發生因接地故障導致人體觸電，電氣線路或設備內部迸發火花、電弧時，要求剩余電流保護器發出聲光報警并及時切斷電源。市場上現有很多可實現獨立報警，不需要跟控制器連接的剩余電流保護器，當被監測的剩余電流值超過報警閾值時，就發出報警。剩余電流式保護器設定的報警閾值必須與探測電氣線路相適宜，才能有效預防電氣火災的發生。目前常用的剩余電流保護器均采用設定固定閾值的方法檢測剩余電流，由于各種原因，剩余電流保護器常出現拒動和誤動[10]。

剩余電流保護器拒動，排除因其本身質量差、額定動作電流設置過大及投切次數頻繁造成內部電子元件損壞這幾個因素外，隨著越來越多的電器進入普通家庭(如電視機、個人計算機等)，這些家用電器的電子整流設備導致電網中存在大量諧波，當發生故障時，諧波中的直流分量不會使剩余電流保護器中的剩余電流傳感器產生感應電勢，就造成了漏報。

剩余電流保護器經常誤動作，是導致其在實際應用中只實施報警功能而不切斷電源的重要原因。這是因為不僅當電氣設備內導線或者配電線路老化時會發生接地故障產生剩余電流，當無故障發生時，建筑物內各供電線路及電氣設備之間都存在分布電容，其產生的自然泄露電流的矢量和使剩余電流值升高，自然泄露的電流值超過保護器的設定閾值，致使剩余電流報警器經常誤報，給用戶帶來諸多不變，使人們對剩余電流保護器持懷疑態度。

例如，居民住宅小區中，配電系統中的用戶多、用電設備復雜，即使電氣設備、電纜等質量良好，由于上述原因每戶仍有10mA左右的剩余電流存在，而單元配電箱中的剩余電流保護器檢測的是總的矢量和。一般自然泄漏電流控制在120mA左右是比較合適的范圍，根據自然泄露情況，選擇合適的參數及剩余電流傳感器安裝位置。現有剩余電流保護器報警閾值在設定好之后不連續可調，當多個用戶使用大量電氣設備時，就可能造成中間保護或總保護誤動作。此外，大功率的用電設備啟動或者保護器受到強的電磁干擾進一步增加了保護裝置誤動作的幾率。實際工程中，每一個區域的配電系統泄漏電流值與環境溫濕度、電壓電流值、頻率、電線老化程度、氣壓和電能質量等相關。在常溫、濕度、大氣壓下，電力系統各部分均有自然泄漏。導線、電動機的電流泄露情況分別如表1和表2所示。

在具有一級負荷的重要建筑物中，為避免電源中斷帶來重大損失，不能隨意斷電，因此，在實際工程應用中，安裝的剩余電流保護器起到只報警不斷電的作用。

造成上述情況的根本原因是剩余電流保護器的報警閾值采用人工設定，在現場安裝保護裝置前，使用鉗形漏電流表測試出配電回路中的最大剩余電流值，然后按照國標中的相關規定，并結合實際經驗設定報警閾值。閾值一般分200mA，300mA，500mA3個檔次，設定后便不可調。這種設置方式具有一定的局限性。保護器智能化程度不高及自適應能力不強是造成漏報警或誤報警的重要原因[11]。

5 民用建筑接地故障檢測系統

電氣火災主要引火源之一是過熱，國家標準《測溫式電氣火災監控探測器》(GB 14287-3-2005)中也指出設置測溫式探測器，是預防因導線老化或導體接觸不良等產生熱效應、引發電氣火災的有效措施。結合點熱積聚效應式剩余電流是引起電氣火災的主要原因，測溫式電氣火災監控探測器也可根據實際情況選擇全部或局部范圍單級或多級監控。使用溫度傳感器和剩余電流傳感器，對建筑物低壓配電系統中常發生的電弧性接地故障進行監測，主要檢測對象為建筑物中的低壓配電箱，對配電箱中的電纜芯線端子松動、接觸不良及長期發熱電纜絕緣擊穿導致的接地故障進行監測。當配電箱中發生上述接地故障時，其故障電流不大，過流保護器不動作。溫度傳感器還起到對因過載、過流等引起的大的局部高溫進行檢測的作用。以住宅為例，傳感器安裝位置為單元總配電箱中負荷回路的出線處或樓層配電箱中電源進線的開關處。傳感器的安裝位置與監測系統如圖2所示。

表1 220/380V線路每公里泄漏電流(mA)截面(mm2)

表2 電動機泄漏電流(mA)

5.1 剩余電流檢測

剩余電流傳感器安裝于斷路開關后面，檢測電源總線的剩余電流，需要注意的是在確定剩余電流報警參數之前，需要結合建筑物的面積，計算或者實際測量建筑物內電氣線路和設備的自然泄露電流。例如，《全國民用建筑工程設計技術措施》電氣部分中規定：單相配電系統，住宅建筑面積在1 500m2以下和1 500～2 000m2，保護器額定動作電流宜分別設為300mA、500mA，而超過6 000m2時，總配電箱的出線回路上需裝幾組保護器。對三相配電系統，同樣是需要根據建筑物面積的大小，設置相應參數和數量的漏電(剩余電流)保護器。之所以采取上述措施，就是基于住宅戶數的增多、固有泄露電流增大的原因。住宅中某用戶主要使用的家用電器產生的自然泄漏電流值如表3所示。

取家用電器同時使用的幾率為0.6，加上敷設導線、設備之間存在的分布電容等情況，通過測量，一般一個三居室的自然泄露電流為18～30mA，一個住宅單元中有6個住戶時，自然泄露電流(剩余電流)值為 ：Id=(108～180)×0.6=(64.8～108)mA

5.2 溫度檢測

配電系統中對因線路接觸不良產生的局部高溫或過流導致的溫升，根據建筑物實際情況一般在全局或局部范圍內設置單級或多級溫度監控。配電系統中溫度傳感器的設置位置，以接近發熱源(如線路接頭，開關觸點及導線表面)為準則。設置方法有兩種：

圖2 接地故障檢測系統示意圖

(1)將溫度傳感器置于電纜絕緣材料的表面，采集電纜表面的溫度值，檢測導線長時間過流引起的溫升；

(2)將溫度傳感器置于線路接線端子處，檢測因線路長時間過流和接點接觸不良引起的高溫。本文溫度傳感器主要用于檢測配電箱接地性故障電弧發生時產生的高溫。使用DS18B20，可根據實際配電箱大小，建筑物負荷等級及線路復雜程度確定溫度傳感器的個數，以便對進線電纜溫度，出線電纜溫度和配電箱體溫度實施監測。

目前建筑物中最常使用的是聚氯乙烯電纜，根據《電力工程電纜設計規范》(GB 50217-2007)規定，對電纜有關溫度的規定主要集中在以下幾方面：60℃為聚氯乙烯絕緣電纜工作的高溫環境；電纜所承受溫升與敷設及散熱條件有關；聚氯乙烯絕緣電纜纜芯最高溫度為70℃，同時環境溫度為40℃。額定溫度動作值的設定，需根據電氣絕緣材料等級對應的短時允許耐熱溫度(極限工作溫度)和長期允許耐熱等級確定，一般設定在55℃～140℃左右。DS18B20的溫度測量范圍是-55℃～125℃，精度為±0.5℃，多個DS18B20可同時掛接于一條數據總線上，與傳統的熱敏電阻相比，被測溫度可直接被讀出，不需要外加A/D轉換電路，滿足測量要求。

5.3 接地故障檢測流程

接地故障檢測流程如圖3所示，將溫度傳感器與剩余電流傳感器安裝于建筑物低壓配電系統配電箱中，將采集的溫度和剩余電流信號進行數據融合處理，分析結果通過信號線傳至消防控制室，若出現異常則發出火災報警，通知工作人員，無異常則繼續檢測，發出報警信號后，若出現溫度快速升高的現象，則脫扣器動作，切斷電源，避免火災事故擴大，若報警后沒有快速升溫現象，工作人員也應到現場檢查電路，找出報警原因，以免遺漏接觸不良等故障，為火災事故埋下隱患。

表3 各種家用電器泄漏電流(mA)

圖3 接地故障檢測流程圖

6 結束語

單純使用剩余電流保護器對接地故障進行檢測，已滿足不了準確預防電氣火災的要求。檢測對象多元化、監控裝置智能化已成為未來接地故障檢測的發展趨勢。新頒布的山東省地方標準中規定，電氣火災監控系統中的電氣火災傳感器包括：漏電流傳感器、溫度傳感器、電流傳感器三種，這三種探測器對常引起電氣火災的過電流、接地故障進行實時監測，以達到準確報警的目的。

[1]王結實，李秀玲等.電氣火災監控系統在高層建筑中的應用[J].低壓電器，2007，(14):21-24.

[2]楊旸.基于低壓配電接地方式分析及故障保護防范[J].機電信息，2010,(6): 48-48,64.

[3]葉亮，許琛等.一種復合型電氣火災監控探測器的設計[J].通信電源技術，2010,(4):44-45.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.住宅設計規范(GB 50096-2011)[S].北京: 中國建筑工業出版社, 2011.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢測檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.，剩余電流動作保護裝置安裝和運行(GB 13955-2005)[S].北京：中國標準出版社.

[6]孟建國，陶明.淺談剩余電流式電氣火災監控探測器及其應用[J].低壓電器，2009,(4):40-42,48.

[7]王國賢.淺論接地故障的危害及防范[J].低壓電器，2008,(8):46-48.

[8]陶曾杰,王文虎等.剩余電流火災報警系統設計[J].智能建筑電氣技術, 2009,(4): 65-67.

[9]王結實，李秀玲等.電氣火災監控系統在高層建筑中的應用[J].低壓電器，2007,(14):21-24.

[10]王英華.剩余電流火災報警系統設計[J].低壓電器,2007(24):18-21.

[11]王曉明，李宏文等.剩余電流式電氣火災監控系統智能算法的研究[J].建筑科學，2009,(8):65-67.