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(jīng)濟和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子設(shè)備和大規(guī)模集成電路被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)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(tài)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(yīng)用于電源系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、通信系統(tǒng)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(chǎn)生持續(xù)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(jīng)濟損失和不良影響。

1 SPD 起火事件發(fā)生經(jīng)過

2014年2月3日晚，嘉興郊區(qū)某幼兒園配電柜GP1 中SPD 發(fā)生起火燒毀事件，導(dǎo)致配電柜內(nèi)部被嚴(yán)重灼燒，跳閘停電（圖1）。因正值春節(jié)期間，專業(yè)技術(shù)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(rèn)定SPD 自身故障起火是引起斷電的主要原因。于是做出應(yīng)急處理，拆除GP1 配電柜中已經(jīng)燒毀的SPD，斷開GP2、GP3 配電柜中SPD 前置三相開關(guān)，合閘GP1 配電柜中的總開關(guān)，對監(jiān)控系統(tǒng)單一供電，其余出線回路全部斷開。以上做法有保全現(xiàn)場的意圖在（后經(jīng)調(diào)查證實），為的是能在專業(yè)防雷技術(shù)人員調(diào)查分析時物證齊全，但其非專業(yè)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(guān)從第一次燃燒事故后就呈斷開狀態(tài)，并未送電）中SPD 再次發(fā)生起火事件，導(dǎo)致已經(jīng)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(nèi)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)高壓令克(熔斷裝置)跌落，推送令克時，下端三叉電纜發(fā)生火花放電現(xiàn)象，電纜絕緣已嚴(yán)重?zé)破茡p（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(jīng)過防雷專業(yè)技術(shù)人員仔細(xì)勘察現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)：

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(yán)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(yán)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(dǎo)致相電壓對屏蔽層放電，屏蔽層近端接地不良，導(dǎo)致故障高電壓竄入近端變壓器室內(nèi)接地系統(tǒng)，引起中性點電位升高，建筑物內(nèi)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(fā)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(dǎo)致MOV 芯片發(fā)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(dǎo)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(xiàn)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(zāi)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(dǎo)至脫扣裝置，及時脫扣，斷開電路，避免火災(zāi)損失。）

3）起火點處于MOV 芯片中心附近，熱量及時傳導(dǎo)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(xiàn)象，電弧一旦產(chǎn)生，維持其穩(wěn)定燃燒的要求條件很低，產(chǎn)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(jié)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(tǒng)可以恢復(fù)，說明SPD 在脫扣過程中發(fā)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(fā)生弧光現(xiàn)象，過電流導(dǎo)致令克保險熔斷，令克跌落，可見此次漏電現(xiàn)象的持續(xù)時間更長，導(dǎo)致三相嚴(yán)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(dǎo)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(fā)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(yīng)在中心附近，處于可控狀態(tài)，熱量傳導(dǎo)迅速到脫扣點，脫扣及時，并且未產(chǎn)生拉弧現(xiàn)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(shù)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(tài)，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(nèi)焊錫即熔化，脫扣成功。

實驗情況可以得出以下結(jié)論。

1）該批次浪涌保護器外殼具備阻燃性，符合行業(yè)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(dǎo)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(nèi)SPD 起火原因為：高壓側(cè)架空電纜絕緣層破損漏電，以及其下端電線桿接地導(dǎo)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(xù)承受了故障高電壓；另外由于SPD 的MOV 芯片起火控制點不穩(wěn)定，導(dǎo)致3 臺SPD分別出現(xiàn)了不同的故障，再加上產(chǎn)品本身熱脫扣裝置質(zhì)量不到位，有些裝置在脫扣的瞬間形成了拉弧現(xiàn)象，使得SPD 直接起火燃燒，發(fā)生了嚴(yán)重的事故。

4.2 改進措施

鑒于此，筆者對用電環(huán)境較差的郊區(qū)及農(nóng)村提出如下建議。

1）增設(shè)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(zhì)量可靠。

2）在IT 系統(tǒng)和TN 系統(tǒng)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)通。

3）采用高質(zhì)量芯片，優(yōu)質(zhì)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(fā)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(guān)重要，金屬彈片彈性大可以加快脫扣時的彈開速度，結(jié)合較大的彈開距離，可以有效減小拉弧產(chǎn)生的概率。

5）安保人員定期檢查電力系統(tǒng)各處接地狀況，發(fā)現(xiàn)情況及時處理。

5 結(jié)論

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

[1] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設(shè)計規(guī)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(shù),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(guān)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(wěn)定性[J].鐵道通信信號,2013,9(4):5-7.