新一代電氣火災監控技術的研究

徐福賓

(軍事醫學科學院工程設計室， 北京 100850)

0 引言

隨著關于預防電氣火災的國家標準的推出，許多新建筑都設計和安裝了電氣火災監控系統，安裝和使用電氣防火設備已經成為一種新趨勢。在北京的奧運場館中，有7個重要場館安裝了電氣防火監控設備，表明有關部門對防止和減少發生電氣火災、保障人民生命財產安全是高度重視的，電氣火災監控設備必將起到越來越重要的作用。目前使用電氣火災監控設備的項目不多，使用時間不長，還需一定的數據積累才能夠驗證電氣火災監控設備對預防電氣火災的有效率。調查發現，雖然目前生產電氣火災監控設備的廠家越來越多，但幾乎沒有企業進行過電氣火災的基礎試驗，對電氣火災產生的原因沒有進行接近實際的試驗和相應的理論分析，一般是沿用別人的研究成果，缺乏有說服力的數據，這種情況造成了一些電氣工程師對電氣火災監控設備防止電氣火災發生的有效性產生懷疑。據此，進行了一些基礎試驗工作，同時對已投入使用的電氣火災監控設備的運行情況進行了調查統計分析和經驗總結，對電氣防火理論和實踐的不足進行補充和增加，希望能解決一些電氣工程師的困惑，為減少和預防電氣火災作出貢獻。

1 發生電氣火災的原因

國家標準《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB 13955-2005)中，強調了安裝剩余電流動作保護裝置不僅對防止人身電擊事故起保護作用，而且在防止接地故障引起的電氣火災事故中起重要的保護作用。

《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB 13955-2005)的引言、術語和定義的3.26、分級保護的4.4.5等處，都強調了安裝剩余電流保護裝置對防止接地故障引起電氣火災的作用，并對在建筑物內安裝剩余電流動作火災監控裝置及動作參數做了明確規定，在附錄中列出了分級保護方式中安裝剩余電流動作火災監控裝置的模式圖。修訂后的標準從實際出發，提出發生接地故障時若故障電流小，過電流保護無法預防接地故障引起的電氣火災，而電氣火災監控裝置正是彌補了這方面的不足。

1.1 電氣火災事故的多發性

根據公安部消防局在“消防年鑒”發表的權威統計，近十年來，我國電氣火災事故高居火災事故總數的首位，約占總數的30%左右。在電氣火災中，電氣短路(剩余電流故障)引起的火災事故又占一半以上。

在TN-C-S系統中，電氣短路的形成有兩種方式：一種是導體之間直接接觸，如相線與相線之間、相線與N線之間的短路，短路點往往是被高溫熔焊的金屬短路，稱為金屬性短路；另一種是帶電導體對地短路，是以電弧為通路的電弧性短路，這種短路是以剩余電流的形式出現。金屬性短路電流可以達到數百甚至數千安培，金屬導線在大電流通過時可以達到熾熱的半熔化狀態，絕緣部位被劇烈氧化而自燃，但這種金屬性短路產生大電流時能使斷路器的過流脫扣動作，瞬時切斷電源，這種短路造成的電氣火災往往可以避免。當相線外皮絕緣層破損或老化造成與大地同電位的金屬保護線管或金屬接線盒短路時,金屬與大地之間的電阻一般較大，而且往往接觸得不是很牢固，處于一種接觸不良的狀態，由于接觸電阻較大，非常容易形成電弧，電弧性短路則因短路電流受較大接觸阻抗的影響，電流值只有幾十或幾百亳安，因為其電流值小，不能使短路保護器動作，因此電弧能長時間存在，這種電弧與家庭廚房里煤氣灶點燃的情形相似，連續不斷的高溫電弧可以使燃氣很快燃燒。

由于接地電弧引起的短路電流較小，不足以使一般斷路器動作跳閘切斷電源，所以這種剩余電流形式出現的電弧性短路引起火災的危險遠遠大于金屬性短路，這種情況是引起電氣火災的主要原因之一。

1.2 接地故障的危險性

在電氣線路短路引起的火災中，接地故障電弧引起的火災遠多于帶電導體間金屬性短路引起的火災。首先是因為電弧性接地故障發生的概率遠大于帶電導體間短路的概率。

由圖1來說明，圖1中a為相線、b為中性線、c為PE線的連接端子、d為PE線和N線的連接處。a、b兩端子是電源進線，如果如接觸不良或未連接好，用電設備將不工作或工作不正常，可以被人及時覺察予以修復，不致引發事故。但PE線的端子c、d不導電或導電不良卻不易覺察，因為設備仍能照常工作，這時c、d端子的接觸不良將成為一個事故隱患而持續存在。圖1中，發生相線a(俗稱“火線”)碰外殼接地故障，若c或d端子連接不好，設備外殼帶相電壓而導致電擊事故；若c或d端子導電接觸不良，在端子處一定會迸發電火花或電弧(連續的電火花即為電弧)，很容易引起火災。

圖1 PE線連接點導電不良不影響工作

因此，在接地故障回路全部為金屬導體的TN-C-S系統中，其導電性能不良失去接地保護時，并不影響電氣設備的正常運行，所以不容易被發現。一旦發生相線接地電弧故障，由于是連續打火的電弧，連接點處較大的阻抗限制了短路電流，不能使斷路器動作，導致這種電弧性短路連續進行,這是一種嚴重的電氣火災誘發因素。至于TT系統，其接地故障回路內串有電源的接地保護和設備外殼的接地保護，兩個接地電阻造成回路本身的阻抗很大，更易發生電弧性短路。由此可知，以電弧形式出現的連續打火容易引起電弧周圍灰塵或可燃氣體的燃燒，這也是單相接地短路故障容易導致火災的一個重要原因。

電力線會因外皮絕緣層受機械損傷而發生短路，而導線在金屬線管內沒有外力作用，如何會磨損？通過試驗，當導線流過大電流時，電磁力會使導線發生扭曲和蠕動，久而久之就會使導線外皮與金屬管之間的絕緣層受損傷，從而導致相線對地短路。這種短路多為單相接地故障，由于接觸不良，極易發生電弧性短路。通常電氣設備絕緣層損壞導致電弧性接地故障的因素還有：導線和電氣設備絕緣老化；電器或電動機的接線端子周圍絕緣因長期發熱而炭化；電動機過載而發生匝間短路；電氣設備受潮或嚴重凝露；在電氣設備中有導電塵埃沉積等。這類故障會引起接地電弧性短路，電弧電流可以達到300～800mA，因為電弧兩端的等效阻抗較大，所以在電弧兩端的電壓幾乎與火線的對地電壓220V相等，以此計算，這類故障剩余電流產生的發熱功率約為60～160W，這個發熱功率若集中在幾平方毫米范圍內，不斷積聚的高熱量會把周圍可燃材料引燃發生火災。

還有一種情況，當線路因過負荷產生大電流時會使導線溫度急劇上升，緊貼導線外面的絕緣層的溫度也同時上升，一旦超過最高允許工作溫度，絕緣材料會變軟變薄加速老化，并且絕緣電阻的數值很快降至規定值以下，這時如果沒有外因觸發，導線和接地金屬的短路一般不會發生。但如果有雷電引起的瞬態過電壓、鄰近大功率設備的啟動時產生的過電壓、變電所高電壓側接地故障引起的暫態過電壓等，在這些大峰值過電壓沖擊下，老化的絕緣部位的最薄弱點將被擊穿而形成電弧短路，瞬間發生的過電壓消失后，短路所形成的電弧卻不能消失(要想使電弧斷開就要使導線和接地處拉開一定距離，實際上這個短路點不好發現，所以也無法及時處理)。因為接地點的高阻抗限制了短路電流(一般只有幾百毫安)，使斷路器過電流保護不能動作，斷路器不能打開，電弧也就會長期存在，時間長了就可能引起電氣火災。這類過電壓多出現在帶電導體與地之間，所以這種短路也多為單相接地短路。

根據以上分析，電氣短路以單相接地故障居多，電氣火災的危險則以電弧性接地為最嚴重。

1.3 接觸不良造成的局部過熱

配電系統中必然有一些導線接頭，故障往往出現在導線接頭處，因為在大電流供電的系統中，接頭氧化造成的接觸電阻只要達到0.1Ω，在幾十安培電流下就會產生巨大的熱量，如公式(1)

P=I2R

(1)

假設供電線路中的電流為100A，接點處的接觸電阻為0.1Ω，則這一點的功率可以達到1 000W，換句話說，只要導線接點的電阻達到0.1Ω，就相當于在接點處有一個1 000W的電爐在發熱，如式(2)。

P=I2R=1002×0.1=1000W

(2)

隨著發熱量的不斷增加，接頭處導線的氧化也越來越厲害，接觸電阻也會增加，熱量積累會越來越大，形成惡性循環，最終引起電氣火災。

2 使用電氣火災監控系統以后所遇到的問題

2.1 如何區分供電線路中正常的剩余電流和故障剩余電流

在交流供電系統中，供電線路之間以及和地之間都存在著分布電感和分布電容，稱為“分布參數”，其中包括感抗XL和容抗XC兩部分，如式(3)和式(4)所示。

XC=1/(ωC)=1/(2πfC)

(3)

XL=ωL=2πfL

(4)

式中，f為工頻頻率50Hz，C為分布電容，其數值一般只有幾十或幾百皮法，L為分布電感。

導線之間的泄漏電流主要受分布電容的影響，其分布電容值隨導線的長度增加而增大，容抗XC與電容C為倒數關系，所以容抗值隨導線長度增長而減少，因為電壓U是基本穩定的，所以漏電電流公式如式(5)所示。

ICO=U/XC

(5)

因為分布參數的數值一般較小，這種剩余電流的數值也比較小，一般上千米的導線其分布參數產生的剩余電流也就是幾毫安或十幾毫安，但在配電系統中還會有各種用電設備，用電設備也會產生剩余電流(是正常的泄漏電流，不是故障漏電)，這樣加在一起的正常的剩余電流一般不會超過幾百毫安。但這種正常情況下產生的剩余電流是不容易事先計算和預測的，在特殊情況下，有些正常剩余電流的數值會很大，在設置剩余電流報警值時，應該把正常剩余電流的數值扣除后再設置報警剩余電流值。如線路中產生的正常剩余電流為100mA，設置故障剩余電流最大達到400mA時報警，此時正確的報警值應設置為500mA。

3 新一代電氣防火監控設備的研究

新一代電氣火災監控設備要進一步發揮計算機的智能化作用，具有更加靈活的自主判斷能力，使監控工作更加有效、可靠、人性化。

3.1 對剩余電流變化的智能化判斷

在新一代的電氣火災報警系統中，對以下情況要進行輔助判斷，包括：

1)工作電流是否加大，是否在額定范圍內；

2)工作電流是否加大，是否在額定范圍外；

3)導線溫度是否在規定范圍內；

4)導線溫度是否超出規定范圍。

對于出現輔助判斷中的2)、4)項異常情況時，就應發出報警，以引起值班人員的注意，以便及時采取措施，避免可能的電氣火災的發生。對于在輔助判斷中屬于1)、3)項的情況，則只應給予預警提示，而不用發出報警。

除了對以上的情況進行分析外，還要根據季節(主要是環境溫度和濕度)變化對剩余電流報警值進行適當的調節。

3.2 使監控設備具有自學習功能

實際上每個安裝了電氣火災監控設備的單位的情況都不相同，用電環境千差萬別，用一種不變的模式應用于各種不同類型的用電環境是不現實的，所以新一代電氣火災監控系統應具有自學習功能，其基本原理如下：

1)先計算確定一個剩余電流的報警值，然后開始工作，計算機自動把一天、一個月、一年的剩余電流變化規律進行記錄，并與前一個相同時間段的記錄進行比較，如果電流變化的規律基本相同，則認為是正常的；如果違反了這個規律，而且相差懸殊，則要進行提示，由工作人員檢查供電系統中的負載是否因為變化才造成剩余電流的變化，以便判斷是否發生了故障。

2)以一年為周期，對不同季節的溫度濕度變化時的剩余電流值進行記錄，并在下一個周期進行對比，如果發現了比較懸殊的差別，則提示值班人員對供電線路進行相應的檢查。

3)不同的工作電流相對應的剩余電流值也不相同。前面已經分析過，用電設備越多，其剩余電流值可能越大，此時由計算機根據工作電流增大的數值進行查表，自動把報警值提高至一個適當的數值。

有了這些輔助判斷和自學習功能，會使電氣火災監控設備的智能化程度更好、判斷能力更強、準確度更高、誤報率更低，使電氣火災監控設備在防火領域發揮更大的作用。

總之，安裝了電氣火災監控系統后，其剩余電流保護功能可以對配電系統內的電弧性接地故障引起的電氣火災進行有效的防范，新一代監控設備可以降低誤報率，提高安全水平。

[1] 中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.電氣火災監控系統(GB 14287-2005)[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.火災自動報警系統設計規范(GB 50116-2013).北京：中國計劃出版社，2014.

[3] 建筑防火年鑒[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.