電氣火災成因及防范技術(shù)分析

吳志強 王德坤 伍林 趙海龍

摘要：本文在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎上，認真分析了當前電氣火災成因及防范過程中存在的問題，并就如何規(guī)范電氣火災安全防控，合理使用關(guān)鍵性的防范技術(shù)進行探討。

關(guān)鍵詞：電氣火災;防范;熱解粒子;阻性漏電;故障電弧

近年來，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，生產(chǎn)生活用電量成倍增加，電氣火災頻發(fā)，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全，電氣安全也成為消防安全的“頭號殺手”。為防范電氣火災的發(fā)生，各地研制了眾多的電氣火災預警產(chǎn)品，但通過三年治理，電氣火災形勢依然嚴峻，致使電氣火災安全防控技術(shù)產(chǎn)品受到各界質(zhì)疑。電氣火災是指由于電流通過或靜電而直接引發(fā)的火災，基于電氣火災這種特殊的引燃機理，如何準確判定識別隱患源、選擇特定的電氣火災安全監(jiān)控產(chǎn)品;如何安裝設備以取得“技防”的最大效果，是影響我國當前電氣火災安全防控成效的重點及難點。本文通過分析電氣火災機理與實踐應用經(jīng)驗，重點介紹電氣火災安全防控的關(guān)鍵技術(shù)。

一、我國電氣火災防控中存在的問題分析

從分析電氣火災事故發(fā)生的原因來看，重特大火災事故多因短路引起。根據(jù)短路接觸點性質(zhì)的不同，短路起火可分為金屬性短路起火和接地故障短路起火。金屬性短路起火是指帶電導體間的短路起火，是顯露可見的短路現(xiàn)象，主要是由線路機械損傷或過載導致。接地故障短路是指帶電導體與大地、包含外殼與地相連的非金屬管道、構(gòu)件之間的短路，會造成電弧性短路現(xiàn)象，引發(fā)故障短路的因素主要是穿管摩擦下的線路機械損傷或電氣線路因過熱、水浸、霉變、輻射等作用，使線路絕緣水平下降，在外因作用下，絕緣被擊穿而短路。因此，在電氣火災安全防控過程中，應以監(jiān)控短路故障為主，其他故障為輔。以下將從電氣火災成因機理和當前技術(shù)應用存在的問題兩個方面論述。

（一）電氣火災重要成因機理

一般認為引發(fā)電氣火災的方式有短路、過負載、擊穿空氣放電等，但實際上各建筑中的電氣火災安全防控中，各種絕緣故障因素以誘發(fā)短路為主，進而引發(fā)電火花、電弧等一系列連鎖反應。其中，短路的類型之一是金屬性短路，即帶點導體間的短路，主要由線路機械損傷后絕緣性能下降以及過載引起。金屬性短路雖然起火危險大，但只要按規(guī)范要求安裝短路防護電器，并保持其防護的有效性，這種短路火災是不難避免的。當線路絕緣性能下降，在非人力因素干擾下，帶電導體直接接觸的概率較低，電流過載時過電流斷路器瞬間可以動作而切斷電源，火災往往得以避免。因此，絕大多數(shù)金屬性短路可通過安裝保險絲、過流速路開關(guān)、智能斷路器進行防護。短路的另一種類型是接地故障短路，即帶電導體與“地”之間的短路。這里所說的“地”是泛指與地有聯(lián)系的設備外殼、金屬管道及構(gòu)架等外露可導電部分。基于這種“地”的類型，使接地故障短路易產(chǎn)生電弧性短路現(xiàn)象。在當前我國配電系統(tǒng)中，接地故障短路隱蔽性強，發(fā)生概率大，具有潛在危險，可以從兩個方面說明：一是接地故障短路往往以電弧性短路形式出現(xiàn)。電弧性短路起火的基本過程為接地故障產(chǎn)生，故障產(chǎn)生泄漏電流，當泄漏電流達到一定級別引起電火花、電弧，最終引發(fā)火災。在這個基本過程中，電弧溫度可高達2000℃以上，極易引起重大火災。二是帶電導體間的絕緣不同于導體與地之間的絕緣，使接地故障發(fā)生的機率遠大于帶電導體間的金屬性短路故障。

綜合以上，接地故障短路的檢測為電氣火災安全防范的重點。

（二）電氣火災防控技術(shù)應用中存在的問題

目前關(guān)于電氣火災監(jiān)控產(chǎn)品的安裝、使用以及產(chǎn)品質(zhì)量等方面的標準體系亟需健全，在尚未完善的標準體系下，電氣火災監(jiān)控產(chǎn)品存在普遍的隨機性。電氣火災監(jiān)控設備多樣，在應用中存在諸多問題，從根本上可歸納為電氣火災防控設備漏報、誤報情況嚴重，設備報警后不會排查問題以解除問題，設備安裝、布局不當，用電安全防控產(chǎn)品、工程質(zhì)量不過關(guān)四類主要問題，具體問題分析如下：

1.電氣火災防控設備漏報、誤報情況嚴重。由于當前眾多項目的接地故障短路檢測以剩余電流檢測為主要方法，檢測到的剩余電流往往受配電系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境中的諧波等干擾，直接的測量值不能作為真正的故障、報警信息提示依據(jù)，因此亟需排除干擾，分析出剩余電流中導致隱患的決定分量。除設備技術(shù)問題外，部分地區(qū)在配置設備設定值時進行偏高性設置，忽略真正存在的安全隱患，加重了漏報情況的發(fā)生。

2.設備報警后不會查找問題。電氣火災隱患具有“隱蔽性”，非專業(yè)排查人員僅靠感官往往難以發(fā)現(xiàn)，依靠科學、準確、可操作的安全檢測方法、手段以及專業(yè)的隱患排查分析經(jīng)驗技術(shù)是電氣安全防范工作的關(guān)鍵。配電線路維護過程中出現(xiàn)問題，電氣火災監(jiān)控設備發(fā)出報警或故障信息，但因業(yè)主缺乏事故原因分析技能及經(jīng)驗，不能解決問題，以致配電系統(tǒng)“帶病”運行。

3.設備安裝、布局不當。針對不同場所，選擇不同類型設備需要“對癥下藥”，如對用電安全環(huán)境要求極高的醫(yī)院、高危場所，可選擇以高精密漏電檢測設備為主，熱解粒子探測、溫度探測等為輔，合理搭配，共同維護用電安全。電氣火災安全監(jiān)控設備安裝覆蓋的泛濫，配電系統(tǒng)安裝點位密集，不能科學、合理設定進行有效安裝。如有些甚至裝到末級回路，本以為報警后能定位到具體回路，但這種情況不僅浪費成本，而且起不到真正的用電防護效果。尤其在常見低壓線路中電氣裝置的設計安裝和檢驗中，該環(huán)節(jié)是用電安全的重要保障。

4.用電安全防控產(chǎn)品、工程質(zhì)量不過關(guān)。電氣火災監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，致使在應用后難以穩(wěn)定運行，監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，后期產(chǎn)品維護成本高。

二、電氣火災防控的關(guān)鍵技術(shù)

電氣火災安全防控以前期預防為主，盡可能在隱患初期發(fā)現(xiàn)，即早發(fā)現(xiàn)，早防控，早治理。值得注意的是，當前最先進的防控技術(shù)熱解粒子檢測技術(shù)、阻性漏電檢測技術(shù)，不僅解決了接地故障短路發(fā)生時真正導致隱患發(fā)生的漏電檢測問題，而且熱解粒子檢測技術(shù)實現(xiàn)了利用多重信息的綜合性檢測。

（一）阻性漏電檢測技術(shù)

為了用電安全和預防電氣火災，必須對低壓配電系統(tǒng)的絕緣電阻進行監(jiān)測，以判斷配電系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。以往的定期斷電絕緣電阻檢查方法已經(jīng)過時，采用24小時在線監(jiān)測絕緣已成主流。目前對建筑物配電系統(tǒng)進行的絕緣監(jiān)測，主要以檢測的剩余電流為判斷依據(jù)，但這種方法存在很大的偏差，它不能真實地反映配電系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，容易產(chǎn)生誤報警。隨著計算機、家用電器等電氣電子設備的增加，利用剩余電流原理檢測出的“漏電電流”，其實不是真正的漏電，它含有“容性分量泄漏電流”和“阻性分量漏電電流”，剩余電流是二種分量的矢量和，直接采用剩余電流來衡量“配電線路的漏電”，是不準確、不可靠的，線路的容性分量越大，誤差越大。全新的漏電檢測技術(shù)，使漏電檢測發(fā)生了革命性變化。該技術(shù)能從剩余電流中準確分離出代表絕緣性能的“電阻分量漏電”，濾除線路及各種設備而引起的“容性分量泄漏電流”，以檢測純阻性漏電電流并實施漏電報警，檢測精度、報警可靠性得到大幅度提高。

全新的阻性漏電檢測方法相對傳統(tǒng)剩余電流檢測方法檢測精度更高、可靠性更強。阻性漏電檢測技術(shù)以發(fā)現(xiàn)引發(fā)電氣火災隱患的阻性漏電為前提，創(chuàng)新性提出了阻性分離算法。與傳統(tǒng)漏電電流檢測方法不同，阻性漏電檢測方法通過檢測剩余電流Io，通過阻性分離得到阻性電流Ior、容性電流Ioc，各數(shù)據(jù)量檢測如圖1（a）所示。其中Io 、Ior、Ioc三者之間的矢量關(guān)系可如圖1（b）所示。

在阻性分離過程中，去除干擾，提純阻性漏電，確保計算出配電系統(tǒng)在線的絕緣電阻參數(shù)為真正的有害電流分量。該技術(shù)當前可實現(xiàn)對有害漏電成分0.001毫安的分辨率，有利于大幅度降低目前市場上通用的火災報警裝置的漏報和誤報率。值得注意的是，受當前各種電子設備使用的影響，線路諧波干擾增多，使應用傳統(tǒng)方法檢測到的“漏電電流”誤差隨之增大，線路中容性電流Ioc越大，檢測誤差也就越大。在線路絕緣性檢測方面，阻性漏電技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢，與絕緣搖表、剩余電流檢測對照結(jié)果，如下表1所示：

（二）熱解粒子檢測技術(shù)

目前電氣火災安全監(jiān)控裝置種類多樣，但檢測參數(shù)單一，如測溫式電氣火災安全監(jiān)控裝置僅檢測溫度、剩余電流式電氣火災安全監(jiān)控系統(tǒng)僅檢測剩余電流、感煙式電氣火災安全監(jiān)控裝置僅檢測煙霧濃度。選擇這些監(jiān)控裝置實現(xiàn)對低壓配電柜的安全監(jiān)測，不僅成本高而且誤報情況時有發(fā)生。

考慮到電氣火災起火過程的表征特點，綜合應用這些特征以有效檢測到電氣火災是熱解粒子檢測技術(shù)的核心。通過熱解粒子變化預防電氣火災發(fā)生的工作原理是：物質(zhì)在受熱時分解出粒子和氣體，此種粒子是能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分。無論何種原因引起的電氣火災，早期都體現(xiàn)為物體發(fā)熱、釋放粒子、氣體、產(chǎn)生異味等。其中高、低壓配電柜內(nèi)發(fā)生的電氣故障主要的發(fā)熱體是線纜、負荷開關(guān)和保護電器，在配電柜內(nèi)發(fā)熱分解出的粒子主要是煙粒子和氣體分子。熱解粒子檢測設備通過監(jiān)控聚氯乙烯絕緣電纜、鉛酸電池、斷路器、負荷開關(guān)等用電設備過熱分解產(chǎn)生粒子和氣體的濃度，實現(xiàn)電氣火災的早期監(jiān)控，防患于未然。

綜合性熱解粒子檢測技術(shù)主要通過獲取低壓配電柜內(nèi)的至少7個參量的實時數(shù)值，分別包括溫度、溫度變化率、受熱分解氣體濃度、受熱分解氣體濃度變化率、PM1.0粒子濃度、PM2.5粒子濃度和PM10粒子濃度。通過獲取上述7個參數(shù)，綜合作為低壓配電柜內(nèi)安全早期預警評判的重要參數(shù)，并根據(jù)閾值設置、動態(tài)權(quán)重分析將這7個參數(shù)進行整體融合分析，實現(xiàn)了低壓配電柜內(nèi)電氣火災安全隱患的準確早期探測，避免了漏報、誤報。

三、電氣火災防控的常規(guī)性技術(shù)

（一）故障電弧檢測

當前國內(nèi)對故障電弧的檢測算法還廣泛處于研究階段，基于電弧電流特征的故障電弧檢測方法存在信息源單一的不足，容易引起保護誤動作和拒動作，常見辨別方法多根據(jù)電弧電學特性，包括光、熱、電流變化率、小波頻段等，但當負載類型較多時其判別難度加大。因受線路負載限制，其故障電流小，以至于現(xiàn)有體系無法實現(xiàn)對串聯(lián)電弧故障保護，存在電氣安全隱患。電弧發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的熱，易引燃周圍的易燃物，從而引發(fā)火災。與傳統(tǒng)電氣故障相比，故障電弧的電流幅值變化較小，傳統(tǒng)的電氣故障防護和保護裝置難以識別，無法有效防護故障電弧的發(fā)生，使得故障電弧成為引發(fā)電氣火災的重要原因。

隨著對大數(shù)據(jù)量的波形信號處理技術(shù)研究的加深，通過對大數(shù)據(jù)集電弧波形信號的處理可實現(xiàn)準確故障電弧的預判。值得注意的是，基于各種神經(jīng)網(wǎng)絡模型實現(xiàn)電弧模型類別分析的方法是當前技術(shù)研究的熱點。其總體思路可概括為：電弧波形信號采集，對采集信號學習訓練后的模型作為神經(jīng)網(wǎng)絡的初始模型，這種學習訓練后的模型承載了大量的電弧波形特征量，基于此特征量與故障電弧波形之間的映射關(guān)系得到單個特征量輸入后的故障電弧判別，有效提高故障電弧檢測的準確率。

（二）溫度、煙霧濃度檢測

由圖2電氣火災起火的表征分析模型圖可以看出，高聚物的分解和液化時，煙霧和溫度時重要的表征形式，雖然可以通過檢測更早期的熱解粒子、阻性漏電進行防控，但基于現(xiàn)實情況下設備成本以及各場所的安全需求，溫度和煙霧濃度檢測也可滿足常規(guī)電氣火災安全監(jiān)控要求。根據(jù)當前市場應用情況，溫度檢測主要以借助熱敏感性電子元件的特性實現(xiàn)溫度檢測，而煙霧濃度的檢測方式包括離子型、光電型、紅外對射型、激光型等。

溫度探測器常見的電子元件主要有熱電阻和熱電偶兩類，但由于熱電阻的溫度范圍、靈敏度相比熱電偶更適用于各類建筑，當前溫度探測器主要以熱敏電阻元器件構(gòu)成。熱敏電阻用半導體材料，阻值隨溫度變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。常用PT100或PT1000鉑電阻作為溫感探頭，其體積小、溫度變化響應快，不會造成熱負載，具有抗振動，耐高壓的特點，這使其在溫度傳感器設計中得到廣泛推薦。鉑電阻為正溫度系數(shù)熱敏電阻，在其工作時，信號采集到其對應的阻值信息，便可根據(jù)分度表得到對應的溫度值。

感煙探測器在火災初期發(fā)揮作用，由于溫度較低，物質(zhì)多處于陰燃階段，所以產(chǎn)生大量煙霧，適用于家居、商店、歌舞廳、倉庫等一般性場所。有感煙式火災探測器有離子感煙式、光電感煙式、紅外光束感煙式等幾種形式。其中離子感煙式探測器是點型探測器，它在電離室內(nèi)含有少量放射性物質(zhì)，可使電離室內(nèi)空氣成為導體，允許一定電流在兩個電極之間的空氣中通過，射線使局部空氣成電離狀態(tài)，經(jīng)電壓作用形成離子流，這就給電離室一個有效的導電性。當煙粒子進入電離化區(qū)域時，它們由于與離子相結(jié)合而降低了空氣的導電性，造成離子移動減弱。當導電性低于預定值時，探測器發(fā)出警報。光電感煙探測器也是點型探測器，它是利用起火時產(chǎn)生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一基本性質(zhì)而研制的。根據(jù)煙粒子對光線的吸收和散射作用，光電感煙探測器又分為遮光型和散光型兩種。根據(jù)接入方式和電池供電方式等的不同，又可分為聯(lián)網(wǎng)型煙感、獨立型煙感、無線型煙感。紅外光束感煙探測器是線型探測器，它是對警戒范圍內(nèi)某一線狀窄條周圍煙氣參數(shù)響應的火災探測器。它同前面兩種點型感煙探測器的主要區(qū)別在于線型感煙探測器將光束發(fā)射器和光電接受器分為兩個獨立的部分，使用時分裝相對的兩處，中間用光束連接起來。紅外光束感煙探測器又分為對射型和反射型兩種。

四、結(jié)語

電氣火災已嚴重影響經(jīng)濟社會的發(fā)展，強力推進用電安全檢測技術(shù)，為安全生產(chǎn)提供更加科學先進的監(jiān)控預防手段，必然成為當前電氣火災安全監(jiān)控系統(tǒng)研究和發(fā)展的趨勢。

參考文獻：

[1]Babrauskas V . Research on Electrical Fires： The State of the Art[J]. Fire Safety Science， 2009， 9（6）：3-18.

[2]王厚余.電弧性接地故障火災的防范[J].電氣工程應用，2001（04）：10-13.

[3]胡昆枝，劉勇，龔令翔.建筑電氣火災致因及防控對策分析研究[J].江西建材，2018，230（05）：81-82.

[4]王厚余.淺論電氣線路的短路起火和線路過載的防范[A].中國消防協(xié)會年會面向新世紀消防學術(shù)研討會論文集[C].1999.

[5]王厚余.建筑物電氣裝置600問[M].中國電力出版社，2013.

[6]王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗[M].中國電力出版社，2007.

作者簡介：

吳志強（1958—），男，黑龍江哈爾濱人，原北京市消防總隊總隊長（消防局局長），高級工程師，少將，國務院安委會應急救援專家組成員，滅火救援專家組成員，中國消防協(xié)會常務理事。