電氣火災(zāi)成因分析與剩余電流動作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
劉少君¹ 石鵬²
摘要：電氣短路火災(zāi)大多是電弧性短路引起的，因為電弧具有很大的阻抗和電壓降，它限制了故障電流，使過電流防護電器不能動作或不能及時動作來切斷電源，幾個安培的電弧的局部高溫可高達2000～4000℃，足以引燃附近的可燃物質(zhì)起火，而電氣線路或電氣設(shè)備的漏電是導(dǎo)致電弧性短路最主要的原因。為預(yù)防電弧性短路引起的電氣火災(zāi)，在一些火災(zāi)危險性大、人員密集和火災(zāi)損失大、電氣線路復(fù)雜的公共建筑和工業(yè)建筑等場所中設(shè)置剩余電流動作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)就顯得極為重要。
關(guān)鍵詞：接地故障 電弧性短路起火 剩余電流動作 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

我國是電氣火災(zāi)多發(fā)的國家，進入20世紀90年代以來，電氣火災(zāi)次數(shù)一直占據(jù)各類火災(zāi)首位,接近火災(zāi)總數(shù)的42％，嚴重危害國家財產(chǎn)和人民生命安全。由于電氣火災(zāi)具有突發(fā)性、隱蔽性，加之有些電氣工程未按照國家規(guī)范的規(guī)定和設(shè)計要求進行施工和安裝, 線路敷設(shè)混亂，更易造成電氣接地故障, 極易引發(fā)火災(zāi)，裝設(shè)防火剩余電流動作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱防火RCD）是防范電氣火災(zāi)最為有效的方法。
一、電氣火災(zāi)成因分析及防范對策
（一）電氣火災(zāi)成因分析
我們大家都知道，火災(zāi)的發(fā)生必須具備起火源、可燃物和氧氣三個條件。如果電氣裝置在設(shè)計、施工、監(jiān)理、竣工驗收、運行監(jiān)督任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)不當(dāng)、失控，就有可能在建筑物內(nèi)因電氣的原因而引發(fā)火災(zāi)。電氣火災(zāi)通常以異常高溫、電弧（電火花）的形式出現(xiàn)，其原因一般可歸納為短路起火、連接不良起火和電氣裝置布置不當(dāng)起火。
短路起火占電氣火災(zāi)的多半，短路起火又分為金屬性短路起火、電弧性短路起火。
1.金屬性短路起火
金屬性短路起火是指當(dāng)不同電位的兩個導(dǎo)體接觸時，大短路電流通過接觸電阻時的發(fā)熱量（I²Rt）產(chǎn)生高溫，若短路防護電器因故未能可靠動作，就有可能引發(fā)短路起火。
2.電弧性短路起火
電弧性短路起火主要有帶電導(dǎo)體間的電弧性短路起火、接地故障電弧性短路起火和爬電起火三種：
(1)帶電導(dǎo)體間的電弧性短路的發(fā)生有多種形式，主要是電氣線路的兩線芯相互接觸短路時，線芯未焊死而熔化成團，兩熔化金屬團收縮脫離接觸就有可能建立電弧，雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓或電網(wǎng)故障產(chǎn)生的暫時過電壓也可能擊穿劣化的線路絕緣而建立電弧，電弧如果持續(xù)存在很容易引發(fā)火災(zāi)。防范帶電導(dǎo)體間的電弧性短路不像接地故障的短路可用剩余電流動作保護裝置（RCD）來切斷電源，且過電流保護電器也對電流不大的電弧性短路無能為力，難以切斷電源，所以，防范帶電導(dǎo)體間的電弧性短路一直是個世界性的難題。幸運的是，帶電導(dǎo)體間的電弧性短路的發(fā)生概率遠遠低于接地故障電弧性短路的發(fā)生概率。
(2)接地故障電弧性短路與帶電導(dǎo)體間的電弧性短路有相似之處，唯一不同處在于接地故障電弧性短路發(fā)生在電氣線路的帶電導(dǎo)體與PE線或大地之間。在電氣線路短路起火事故中，接地故障電弧性短路引發(fā)的火災(zāi)概率遠高于帶電導(dǎo)體間的電弧性短路引發(fā)的火災(zāi)概率，這首先是因為接地故障概率遠大于帶電導(dǎo)體間的短路概率，其根本原因之一是帶電導(dǎo)體對地的絕緣水平總是低于帶電導(dǎo)體之間的絕緣水平，原因之二是電氣線路施工時，穿鋼管拉電線、電纜時帶電導(dǎo)體絕緣外皮與鋼管間的摩擦易使絕緣受損，但電線、電纜的帶電導(dǎo)體絕緣外皮之間并無相對運動或即使有相對運動其摩擦力也極小，絕緣不會受損。
(3)電弧性短路的起火危險遠大于金屬性短路，這是因為電弧具有很大的阻抗和電壓降，它限制了故障電流，使過電流防護電器不能動作或不能及時動作來切斷電源，幾個安培的電弧的局部高溫可高達2000～4000℃，足以引燃附近的可燃物質(zhì)起火。
在短路起火中電弧性接地故障導(dǎo)致火災(zāi)的危險最大，根據(jù)國外消防資料和我國一些電氣短路起火案例的分析，所謂短路起火實際上絕大部分為電弧性接地故障起火。雖然上述帶電導(dǎo)體間的電弧性短路因短路電流太小既難以用一般過電流保護電器切斷電源，又無法采用剩余電流動作保護裝置（RCD）及時切斷電源或發(fā)出報警信號，但令人慶幸的是最易引發(fā)火災(zāi)的接地故障，無論是金屬性的還是電弧性的，均可采用防火RCD及時切斷電源或發(fā)出報警信號。原因非常簡單：實驗室試驗結(jié)果表明500mA的電弧能量才能引燃附近的可燃物，而剩余電流動作保護裝置對接地故障的動作靈敏度完全可以滿足要求（切斷電源或發(fā)出報警信號），采用防火RCD預(yù)防接地故障引發(fā)的短路起火既簡單實用又安全有效，是防范接地故障短路起火最有效的方法。
(二) 電氣火災(zāi)防范對策
就我國電氣火災(zāi)的現(xiàn)狀而論，防短路起火是防范電氣火災(zāi)的重中之重。
1.防范爬電起火措施
爬電是發(fā)生在導(dǎo)體間的燃弧現(xiàn)象，它不是發(fā)生在空氣間隙之間，而是發(fā)生在設(shè)備絕緣的表面上的電弧。爬電是一個緩慢漸進的過程，主要原因在于設(shè)備絕緣的表面因冷熱變換產(chǎn)生的凝結(jié)潮氣，使兩導(dǎo)體間產(chǎn)生能微弱導(dǎo)電的液膜，“漏電起痕”效應(yīng)又使兩導(dǎo)體間產(chǎn)生的微弱電流的熱效應(yīng)會使液膜中的液體氣化，但鹽分和導(dǎo)電灰塵、施工未清掃干凈的粉塵等卻依舊遺留于絕緣的表面。這一過程周而復(fù)始，漸變過程達到一定程度，即便絕緣表面沒有水份也能導(dǎo)電，電流產(chǎn)生的熱量使絕緣表面炭化，逐漸使絕緣失效而發(fā)生燃弧現(xiàn)象，若附近有可燃物也就會發(fā)生爬電起火，引發(fā)火災(zāi)。防范爬電起火最主要的手段就是采用抗爬電的絕緣材料，在電氣產(chǎn)品設(shè)計中適當(dāng)加大兩個不同電位導(dǎo)體間的絕緣表面距離，在電氣工程設(shè)計中采取措施減少這兩個導(dǎo)體間的電位差，尤其是施工安裝時注意保持設(shè)備絕緣表面的清潔衛(wèi)生也顯得無比重要。
2.防范連接不良起火措施
連接不良起火占電氣火災(zāi)的不小比例，主要指導(dǎo)體的連接不良。電氣設(shè)備端子與電氣線路之間以及電氣線路與線路之間的永久性連接為固定連接；開關(guān)兩個觸頭間和插頭與插座間的斷續(xù)的連接為活動連接。無論固定連接還是活動連接，都有可能因連接不良產(chǎn)生高溫和電火花而引起火災(zāi)。防范連接不良起火的最好方法就是加強消防電氣知識的普及、提高電氣從業(yè)人員的工作責(zé)任心、重視合理布置固定插座、選用合格的電氣產(chǎn)品。
3.防范電氣裝置布置不當(dāng)起火措施
電氣裝置布置不當(dāng)起火也是電氣火災(zāi)成因之一，最常見的就是高溫光源布置得太靠近可燃物、賓館電氣設(shè)計為片面追求建筑美觀將小配電箱安裝在客房的木質(zhì)衣柜內(nèi)、電感式或電子式鎮(zhèn)流器安裝在可燃物上等等，不一而足。這種情況下，即使沒有發(fā)生電氣故障，其正常工作時的高溫或電火花也可引燃起火，國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)將這種電氣火災(zāi)稱作電氣設(shè)備熱效應(yīng)引起的火災(zāi)。防范電氣裝置布置不當(dāng)起火別無他法，必須嚴格遵守國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045的相關(guān)規(guī)定，才能杜絕此類電氣火災(zāi)。
二、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
(一) 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的作用
既然可燃物和氧氣無法杜絕，那么控制起火源就成為防范電氣火災(zāi)的關(guān)鍵。
根據(jù)以上對電氣火災(zāi)成因分析及防范對策的描述，我們可以從中發(fā)現(xiàn)：
電氣火災(zāi)中的短路起火、連接不良起火和電氣裝置布置不當(dāng)起火以接地故障電弧性短路起火幾率最高、危害最大，但可以采用防火RCD予以預(yù)防；金屬性短路起火應(yīng)以電氣短路保護電器予以防范、帶電導(dǎo)體間的電弧性短路起火是個難題，暫無應(yīng)對措施，好在發(fā)生的概率遠遠低于接地故障電弧性短路起火；至于防范爬電起火、連接不良起火、電氣裝置布置不當(dāng)起火均應(yīng)在事前將問題解決，事后的電氣監(jiān)控很難發(fā)現(xiàn)事故隱患。
據(jù)此，我們基本可以得出這樣一個結(jié)論：防范電氣火災(zāi)的工作重點應(yīng)放在如何預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)接地電弧性短路故障。
(二)剩余電流監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用
按照《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》GB 14287.1-2006的規(guī)定，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由以下三部分組成：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器、測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)分剩余電流監(jiān)控和測溫監(jiān)控兩種方式。
筆者認為電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)基本上還是以剩余電流監(jiān)控為主、測溫監(jiān)控為輔。
干式變壓器超溫報警信號、油浸變壓器輕瓦斯動作報警信號應(yīng)接入電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)實際建筑工程的需要和所對應(yīng)電氣設(shè)備的重要程度，電氣線路、配電箱（柜）、電動機、大型設(shè)備均可設(shè)置測溫監(jiān)控探測器，其溫度報警值建議按被保護對象絕緣材料耐熱溫度下降5ºC設(shè)定，本篇論文對測溫監(jiān)控方式不作探討分析。
對于兩級及以上防火RCD的設(shè)置，應(yīng)注意漏電動作脫扣的防火RCD必須做到上下級的選擇性配合，參見圖1。

圖1 多級剩余電流保護裝置（RCD）保護示意圖

二、三級保護的時間配合見表1剩余電流動作保護裝置的延時時間的級差配合。

表1 剩余電流動作保護裝置的延時時間的級差配合
序號 保護分級 二、三級保護的最大分斷時間（s）
一級保護 中級保護 末級保護
1 二級保護 0.3 0.1
2 三級保護 0.5 0.3 0.1
注：延時型剩余電流動作保護裝置的延時時間的級差為0.2s
注：延時型剩余電流動作保護裝置延時時間的優(yōu)選值為：0.2，0.4，0.8，1，1.5，2s。

1.為防止接地故障引起電氣火災(zāi)而設(shè)置的脫扣式防火RCD，其上級額定剩余動作電流I△n不應(yīng)小于下級額定剩余動作電流I△n的3倍，以滿足上下級間的電流選擇性。防火RCD取值應(yīng)按下列原則選�。�
（1）對于生產(chǎn)、加工、儲存可燃物以及多粉塵的火災(zāi)危險場所（BE2場所）可取100mA～500mA且不應(yīng)大于500mA。
（2）對于一般場所可取大于500mA（防火RCD動作電流可取1A或更大）。
（3）防火RCD的額定剩余不動作電流I△no，應(yīng)不小于被保護電氣線路和設(shè)備的正常運行時泄漏電流最大值的2倍。
（4）防火RCD的額定剩余不動作電流I△no優(yōu)選值為額定剩余動作電流I△n的0.5倍，若采用其他值，則應(yīng)大于額定剩余動作電流I△n的0.5倍。
2.防火RCD報警值不應(yīng)小于20mA ，不宜大于500mA （系統(tǒng)較小時）或1A（系統(tǒng)較大大）。當(dāng)回路的自然漏電流較大，不能滿足測量要求時，宜采用門檻電平連續(xù)可調(diào)的剩余電流動作報警器或分段報警方式抵消自然泄漏電流的影響。
三、通過對現(xiàn)行規(guī)范的分析進一步討論防火RCD的正確設(shè)計
(一)對現(xiàn)行規(guī)范防火RCD設(shè)計要求的分析
《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ16-2008/7.6.7“建筑物的電源進線或配電干線分支處的接地故障報警應(yīng)符合下列規(guī)定：1住宅、公寓等居住建筑應(yīng)設(shè)置剩余電流動作報警器”、13.12.5“剩余電流檢測點宜設(shè)置在樓層配電箱（配電系統(tǒng)第二級開關(guān)）進線處，當(dāng)回路容量較小線路較短時，宜設(shè)在變電所低壓柜的出線端”、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006/11.2.7“下列場所宜設(shè)置漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)：5按一、二級負荷供電的消防用電設(shè)備”。
上述的規(guī)定是否恰當(dāng)，我們可以作一下分析：
住宅、公寓等住宅小區(qū)如果有24小時集中監(jiān)控的值班室，《民規(guī)》JGJ16-2008/7.6.7的設(shè)計規(guī)定無疑是正確的，但如果住宅、公寓樓沒有值班室，這條設(shè)計規(guī)定就值得商榷：防火RCD的接地故障報警信號往何處送？由誰來監(jiān)控、處理？這種情況下的防火RCD，還是應(yīng)繼續(xù)遵守我們國家標(biāo)準(zhǔn)《住宅設(shè)計規(guī)范》GB50096-1999（2003年版）/6.5.2/7“每幢住宅的總電源進線斷路器，應(yīng)具有漏電保護功能”的設(shè)計規(guī)定，條文說明明確提出“及時切斷電源，防止電氣火災(zāi)的發(fā)生”。
《民規(guī)》JGJ16-2008/13.12.5針對民用建筑物將剩余電流檢測點工作重點放在樓層配電箱（配電系統(tǒng)第二級開關(guān)）進線處無疑是正確的，但有所欠缺。防火RCD剩余電流檢測點的設(shè)置，一方面應(yīng)避免到處設(shè)置檢測點，減少建設(shè)單位的投資，另一方面應(yīng)避免防火RCD剩余電流檢測出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)。解決問題很簡單，只要在建筑物低壓電源總進線處設(shè)置第一級防火RCD即可對整個建筑物的接地故障無一遺漏的實施全面監(jiān)控，從而消除監(jiān)控盲區(qū)。規(guī)范中的這一個漏洞反映我國在防電氣火災(zāi)和在電氣安全技術(shù)上的認識與國際水平存在差距。
《建規(guī)》GB50016-2006/11.2.7/5針對一、二級負荷供電的消防用電設(shè)備提出設(shè)置防火RCD。但很多消防電氣設(shè)備平時不投運，配電線路敷設(shè)、防火處理也非常注意，配電線路的截面更因考慮消防電氣設(shè)備過載時會堅持運行的緣故而放大一級，且消防電氣設(shè)備一旦選定，基本不允許有改變，所以發(fā)生故障的概率極低；反倒是GB50016-2006未要求的大量非消防電氣設(shè)備，由于量大面廣，又由于建筑裝修變動大，且可能裝修設(shè)計人員對原建筑工程的電氣設(shè)計了解不夠充分，容易產(chǎn)生過載、漏電等一系列故障，引發(fā)電氣火災(zāi)的可能性較大。所以，防火RCD所針對的重點對象，應(yīng)該是敷設(shè)條件比較惡劣、裝修變化比較大、成束電纜數(shù)量比較多的非消防供配電線路。一、二級負荷供電的消防用電確實很重要，但筆者認為非消防電氣設(shè)備設(shè)防火RCD的理由和迫切性更勝于消防電氣設(shè)備。
(二) 防火RCD的正確設(shè)計
無人值班的小型建筑物或住宅、公寓等居住建筑，防火RCD應(yīng)作用于電氣線路的保護電器使其跳閘，一般在其總電源進線設(shè)置一級防火RCD即可。
有人值班的建筑物可以采用防火RCD進行報警，從而避免大面積停電引發(fā)諸多不良后果，也可根據(jù)實際情況作用于電氣線路的保護電器使其跳閘。小型建筑物設(shè)置一級防火RCD報警即可；大型建筑物一般至少設(shè)置兩級防火RCD，第一級防火RCD設(shè)置在建筑物低壓電源總進線處，第二級防火RCD宜設(shè)置在樓層配電箱(配電系統(tǒng)第二級開關(guān))進線處，也可以根據(jù)建筑物的規(guī)模大小設(shè)置三級防火RCD。據(jù)一些接地電弧電氣火災(zāi)現(xiàn)場反映，在建筑物起火冒煙前個把小時，電弧引起的電壓波動就已經(jīng)開始使燈光閃爍。說明接地電弧性短路故障到烤燃附近可燃物，再到最后火勢蔓延需經(jīng)歷一段比較長的時間，有人值班就可以在防火RCD報警后有充足的時間用儀表（例如鉗形電流表）查出故障點，避免大面積停電引發(fā)其他不良后果。
四、結(jié)束語
防火剩余電流動作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是一個聯(lián)網(wǎng)的整體裝置，是一個完整的系統(tǒng)，非以往分散設(shè)置的單個剩余電流報警裝置或傳統(tǒng)剩余電流斷路器所能勝任，且這些設(shè)備必須采用國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測合格的產(chǎn)品，以確保質(zhì)量和安全。為了預(yù)防電氣火災(zāi)和減少火災(zāi)危害，很多場合設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是極其必要的，且應(yīng)注意做到防火RCD的控制器應(yīng)安裝在建筑物的消防控制室或值班室內(nèi)，由消防控制室或值班室統(tǒng)一管理，其導(dǎo)線選擇、線路敷設(shè)、供電電源及接地，也應(yīng)與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)要求相同。
參考文獻
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[3] 《剩余電流動作保護裝置的安裝和運行》GB13955-2005
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