一起浪涌保護器起火事故分析

陸凱琦 潘國芳 石 猛

（嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050）

隨著國民經濟和現代科學技術的快速發展，各種電子設備和大規模集成電路被廣泛應用于現代建筑，由于其工作電壓低，耐受過電壓能力有限，一旦受到浪涌過電壓的襲擊，遭到破壞和干擾的幾率也大大增加。用于限制暫態過電壓和分泄浪涌電流器件的浪涌保護器（Surge Protective Device，SPD）[1]被廣泛應用于電源系統、天饋系統、通信系統等各種場合，以減少故障過電壓帶來的不利影響。投入使用后的SPD 在遇上較高的故障過電壓后，其核心部件金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）會產生持續的高溫，如果此時仍然不能及時切斷電路，MOV 將會熱熔擊穿、甚至起弧造成MOV或SPD 封裝材料燃燒起火[2-4]，往往會造成一定的經濟損失和不良影響。

1 SPD 起火事件發生經過

2014年2月3日晚，嘉興郊區某幼兒園配電柜GP1 中SPD 發生起火燒毀事件，導致配電柜內部被嚴重灼燒，跳閘停電（圖1）。因正值春節期間，專業技術人員無法到場，校園值班人員在查看了前端變壓器工作正常，后端無其他電器損壞后，初步認定SPD 自身故障起火是引起斷電的主要原因。于是做出應急處理，拆除GP1 配電柜中已經燒毀的SPD，斷開GP2、GP3 配電柜中SPD 前置三相開關，合閘GP1 配電柜中的總開關，對監控系統單一供電，其余出線回路全部斷開。以上做法有保全現場的意圖在（后經調查證實），為的是能在專業防雷技術人員調查分析時物證齊全，但其非專業的檢查遺漏了高壓端的故障隱患，而且此次SPD 起火事故并未引起足夠重視。

圖1 配電柜中已燒毀的SPD

同月5日晚上，該園GP2 配電柜（GP2、GP3配電柜中總開關從第一次燃燒事故后就呈斷開狀態，并未送電）中SPD 再次發生起火事件，導致已經運行的電路再次停電，值班人員第一時間看到的情況為，GP2 配電柜中SPD 燃燒（圖2），柜體內部被熏黑，從燃燒的SPD 痕跡可以直觀的看出N 相起火，其N 相連接導線已燒斷。GP3 配電柜中SPD 的N 相劣化指示窗口變紅（圖3）。電力部門搶修人員發現高壓令克(熔斷裝置)跌落，推送令克時，下端三叉電纜發生火花放電現象，電纜絕緣已嚴重燒灼破損（圖4）。

圖2 GP2 配電柜中已燒毀的SPD

圖3 GP3 配電柜中SPD 的N 相劣化

圖4 高壓令克下電纜燒毀

2 SPD 燃燒原因分析

經過防雷專業技術人員仔細勘察現場，發現：

1）高壓端保護接地存在問題，緊貼電線桿的接地保護線與接地扁鐵連接螺栓松動，接觸不良（圖5）。

圖5 接地線與扁鐵連接螺栓松動

2）損壞的電纜其中一相損毀嚴重，絕緣皮完全燒光，接地銅編織帶有過電灼燒的情況。

3）后端配電柜中3 臺SPD 均為N 相燒毀或劣化，ABC 相幾乎完好。N 相燒毀的SPD 致使配電柜熏黑嚴重，臨近元器件被灼燒痕跡明顯。

綜合以上情況分析，高壓電纜處，由于令克下方電纜絕緣破損，導致相電壓對屏蔽層放電，屏蔽層近端接地不良，導致故障高電壓竄入近端變壓器室內接地系統，引起中性點電位升高，建筑物內總配電柜GP1、GP2、GP3 柜中浪涌保護器的N 相承受了故障高電壓，引起GP1、GP2 柜中浪涌保護器相繼發生起火燃燒事故，GP3 柜中浪涌保護器的N相劣化脫扣（圖6）。

圖6 SPD 起火事故原因示意圖

N 相故障過電壓可導致MOV 芯片發熱熔穿起火，有以下幾種情況。

1）起火點處于MOV 芯片中心附近，由于芯片覆蓋的銅皮層能夠把熱量傳導至脫扣裝置，及時脫扣，斷開電路，同時，銅皮覆蓋層可起到控制起火的作用，從而避免封裝材料被引燃，外觀表現為SPD視窗變紅。

2）熔穿起火點處于MOV 芯片邊緣，火焰可以引燃封裝材料（膠體、外殼），造成火災損失。（除非起火點剛好處于脫扣裝置連接處，熱量能夠及時傳導至脫扣裝置，及時脫扣，斷開電路，避免火災損失。）

3）起火點處于MOV 芯片中心附近，熱量及時傳導至脫扣裝置，焊錫熔斷，銅片彈開，但該過程仍有一定幾率形成拉弧現象，電弧一旦產生，維持其穩定燃燒的要求條件很低，產生的熱量卻很高（電弧中心溫度可達6000～10000℃），能輕易將阻燃外殼燃燒起來，最終致使N 相和臨近模塊徹底燒毀。

基于以上分析，結合此次事故情況看，第一次雖然SPD 幾乎徹底損毀，但是在拆除SPD 后，電源系統可以恢復，說明SPD 在脫扣過程中發生了上述分析中的第三種情況。

第二次燃燒時高壓端因雨雪天氣，令克下方電纜絕緣破損處再次發生弧光現象，過電流導致令克保險熔斷，令克跌落，可見此次漏電現象的持續時間更長，導致三相嚴重失衡，變壓器缺相停電，同時，此過程在后端引起的效果就是，GP2 柜中浪涌保護器零地模塊熔穿起火，模塊熔穿點處于邊沿，火花及電弧不可控，熱量傳導不及時，外殼被電弧灼燒，造成更大面積的燃燒，即第二種分析情況發生。

在與GP1 柜和GP2 柜并列的第三個柜GP3 中，浪涌保護器零地模塊劣化視窗變紅，可見該模塊熔穿點應在中心附近，處于可控狀態，熱量傳導迅速到脫扣點，脫扣及時，并且未產生拉弧現象，此過程屬于上述分析的第一種情況。

3 SPD 起火實驗驗證

技術人員抽取相同批次浪涌保護器做了如下實驗。

1）外殼阻燃性試驗，用溫度約為800℃的火焰燒灼浪涌保護器外殼，外殼開始燃燒，移除明火源，外殼火焰很快熄滅。

2）同樣的明火源燒灼浪涌保護器芯片脫扣裝置（芯片與脫扣裝置連接完整），10min 后焊錫仍然呈固態，未熔化形成脫扣。

3）拆除脫扣裝置與芯片連接，單獨燒灼脫開裝置，10s 之內焊錫即熔化，脫扣成功。

實驗情況可以得出以下結論。

1）該批次浪涌保護器外殼具備阻燃性，符合行業要求。

2）普通熱源下，浪涌保護器芯片能夠吸取并散去大量熱量。

3）單獨用普通熱源加熱脫扣裝置致其斷開，說明浪涌保護器在熱傳導及時的情況下可以正常熱脫扣。

4 起火原因及改進措施

4.1 SPD 起火原因

綜合以上分析，配電柜內SPD 起火原因為：高壓側架空電纜絕緣層破損漏電，以及其下端電線桿接地導體連接松動，泄漏的電流就進入了電纜的屏蔽層，使得校園配電房中變壓器地電位陡升，由變配電房引出的中性線上帶有高電壓，致使其后端配電柜中連接的SPD 模塊N 相上持續承受了故障高電壓；另外由于SPD 的MOV 芯片起火控制點不穩定，導致3 臺SPD分別出現了不同的故障，再加上產品本身熱脫扣裝置質量不到位，有些裝置在脫扣的瞬間形成了拉弧現象，使得SPD 直接起火燃燒，發生了嚴重的事故。

4.2 改進措施

鑒于此，筆者對用電環境較差的郊區及農村提出如下建議。

1）增設浪涌保護器零線模塊短路保護措施，浪涌保護器零線模塊加強檢驗力度，保證質量可靠。

2）在IT 系統和TN 系統中采用3+1 模式浪涌保護器，該模式下的零線模塊可采用開關型（如放電間隙型），這樣就阻止在故障過電壓形式下浪涌保護器的導通甚至燒毀，同時保證浪涌保護器在高幅值雷電脈沖電壓作用下導通。

3）采用高質量芯片，優質的芯片可控制短路熔穿點處于芯片中心附近，避免起火事故發生。

4）改進SPD 熱脫扣裝置的金屬彈片的彈性和彈開距離至關重要，金屬彈片彈性大可以加快脫扣時的彈開速度，結合較大的彈開距離，可以有效減小拉弧產生的概率。

5）安保人員定期檢查電力系統各處接地狀況，發現情況及時處理。

5 結論

本文中所講的高壓側的故障電壓導致低壓側浪涌保護器模塊承受故障高電壓，雖然高壓側接地故障和電纜絕緣破損同時發生這種現象比較特殊，但是浪涌保護器模塊應該執行脫扣動作迅速有效，而非因芯片熔穿起火或拉弧出現而引起火災事故，成為一個次生災害源頭。

[1] 中國機械工業聯合會.建筑物防雷設計規范GB50057-2010[S].北京:中國計劃出版社,2011.

[2] 李欣,李博琛.阻止SPD 起火的方法探討[J].通信電源技術,2012(Z1):117-118.

[3] 龐弛,葉翠,等.淺析限壓型SPD 起火與MOV 工頻擊穿點的關系[J].電瓷避雷器,2013(6):87-90.

[4] 曹維,李文云,康凱,等.淺談電源SPD 安全性能和熱穩定性[J].鐵道通信信號,2013,9(4):5-7.