新一代電氣火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)的研究

徐福賓

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院工程設(shè)計室， 北京 100850)

0 引言

隨著關(guān)于預(yù)防電氣火災(zāi)的國家標(biāo)準(zhǔn)的推出，許多新建筑都設(shè)計和安裝了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，安裝和使用電氣防火設(shè)備已經(jīng)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(jiān)控設(shè)備，表明有關(guān)部門對防止和減少發(fā)生電氣火災(zāi)、保障人民生命財產(chǎn)安全是高度重視的，電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備必將起到越來越重要的作用。目前使用電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的項目不多，使用時間不長，還需一定的數(shù)據(jù)積累才能夠驗證電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備對預(yù)防電氣火災(zāi)的有效率。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然目前生產(chǎn)電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的廠家越來越多，但幾乎沒有企業(yè)進行過電氣火災(zāi)的基礎(chǔ)試驗，對電氣火災(zāi)產(chǎn)生的原因沒有進行接近實際的試驗和相應(yīng)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(shù)據(jù)，這種情況造成了一些電氣工程師對電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備防止電氣火災(zāi)發(fā)生的有效性產(chǎn)生懷疑。據(jù)此，進行了一些基礎(chǔ)試驗工作，同時對已投入使用的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的運行情況進行了調(diào)查統(tǒng)計分析和經(jīng)驗總結(jié)，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(yù)防電氣火災(zāi)作出貢獻。

1 發(fā)生電氣火災(zāi)的原因

國家標(biāo)準(zhǔn)《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB 13955-2005)中，強調(diào)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(zāi)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(shù)語和定義的3.26、分級保護的4.4.5等處，都強調(diào)了安裝剩余電流保護裝置對防止接地故障引起電氣火災(zāi)的作用，并對在建筑物內(nèi)安裝剩余電流動作火災(zāi)監(jiān)控裝置及動作參數(shù)做了明確規(guī)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(zāi)監(jiān)控裝置的模式圖。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)從實際出發(fā)，提出發(fā)生接地故障時若故障電流小，過電流保護無法預(yù)防接地故障引起的電氣火災(zāi)，而電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置正是彌補了這方面的不足。

1.1 電氣火災(zāi)事故的多發(fā)性

根據(jù)公安部消防局在“消防年鑒”發(fā)表的權(quán)威統(tǒng)計，近十年來，我國電氣火災(zāi)事故高居火災(zāi)事故總數(shù)的首位，約占總數(shù)的30%左右。在電氣火災(zāi)中，電氣短路(剩余電流故障)引起的火災(zāi)事故又占一半以上。

在TN-C-S系統(tǒng)中，電氣短路的形成有兩種方式：一種是導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)。金屬性短路電流可以達到數(shù)百甚至數(shù)千安培，金屬導(dǎo)線在大電流通過時可以達到熾熱的半熔化狀態(tài)，絕緣部位被劇烈氧化而自燃，但這種金屬性短路產(chǎn)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(zāi)往往可以避免。當(dāng)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(tài)，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(xù)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(xiàn)的電弧性短路引起火災(zāi)的危險遠遠大于金屬性短路，這種情況是引起電氣火災(zāi)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(zāi)中，接地故障電弧引起的火災(zāi)遠多于帶電導(dǎo)體間金屬性短路引起的火災(zāi)。首先是因為電弧性接地故障發(fā)生的概率遠大于帶電導(dǎo)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(shè)備將不工作或工作不正常，可以被人及時覺察予以修復(fù)，不致引發(fā)事故。但PE線的端子c、d不導(dǎo)電或?qū)щ姴涣紖s不易覺察，因為設(shè)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(xù)存在。圖1中，發(fā)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(shè)備外殼帶相電壓而導(dǎo)致電擊事故；若c或d端子導(dǎo)電接觸不良，在端子處一定會迸發(fā)電火花或電弧(連續(xù)的電火花即為電弧)，很容易引起火災(zāi)。

圖1 PE線連接點導(dǎo)電不良不影響工作

因此，在接地故障回路全部為金屬導(dǎo)體的TN-C-S系統(tǒng)中，其導(dǎo)電性能不良失去接地保護時，并不影響電氣設(shè)備的正常運行，所以不容易被發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)生相線接地電弧故障，由于是連續(xù)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(dǎo)致這種電弧性短路連續(xù)進行,這是一種嚴(yán)重的電氣火災(zāi)誘發(fā)因素。至于TT系統(tǒng)，其接地故障回路內(nèi)串有電源的接地保護和設(shè)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(fā)生電弧性短路。由此可知，以電弧形式出現(xiàn)的連續(xù)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(dǎo)致火災(zāi)的一個重要原因。

電力線會因外皮絕緣層受機械損傷而發(fā)生短路，而導(dǎo)線在金屬線管內(nèi)沒有外力作用，如何會磨損？通過試驗，當(dāng)導(dǎo)線流過大電流時，電磁力會使導(dǎo)線發(fā)生扭曲和蠕動，久而久之就會使導(dǎo)線外皮與金屬管之間的絕緣層受損傷，從而導(dǎo)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(fā)生電弧性短路。通常電氣設(shè)備絕緣層損壞導(dǎo)致電弧性接地故障的因素還有：導(dǎo)線和電氣設(shè)備絕緣老化；電器或電動機的接線端子周圍絕緣因長期發(fā)熱而炭化；電動機過載而發(fā)生匝間短路；電氣設(shè)備受潮或嚴(yán)重凝露；在電氣設(shè)備中有導(dǎo)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(chǎn)生的發(fā)熱功率約為60～160W，這個發(fā)熱功率若集中在幾平方毫米范圍內(nèi)，不斷積聚的高熱量會把周圍可燃材料引燃發(fā)生火災(zāi)。

還有一種情況，當(dāng)線路因過負(fù)荷產(chǎn)生大電流時會使導(dǎo)線溫度急劇上升，緊貼導(dǎo)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(shù)值很快降至規(guī)定值以下，這時如果沒有外因觸發(fā)，導(dǎo)線和接地金屬的短路一般不會發(fā)生。但如果有雷電引起的瞬態(tài)過電壓、鄰近大功率設(shè)備的啟動時產(chǎn)生的過電壓、變電所高電壓側(cè)接地故障引起的暫態(tài)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(fā)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(dǎo)線和接地處拉開一定距離，實際上這個短路點不好發(fā)現(xiàn)，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(zāi)。這類過電壓多出現(xiàn)在帶電導(dǎo)體與地之間，所以這種短路也多為單相接地短路。

根據(jù)以上分析，電氣短路以單相接地故障居多，電氣火災(zāi)的危險則以電弧性接地為最嚴(yán)重。

1.3 接觸不良造成的局部過熱

配電系統(tǒng)中必然有一些導(dǎo)線接頭，故障往往出現(xiàn)在導(dǎo)線接頭處，因為在大電流供電的系統(tǒng)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(chǎn)生巨大的熱量，如公式(1)

P=I2R

(1)

假設(shè)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(dǎo)線接點的電阻達到0.1Ω，就相當(dāng)于在接點處有一個1 000W的電爐在發(fā)熱，如式(2)。

P=I2R=1002×0.1=1000W

(2)

隨著發(fā)熱量的不斷增加，接頭處導(dǎo)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(huán)，最終引起電氣火災(zāi)。

2 使用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)以后所遇到的問題

2.1 如何區(qū)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(tǒng)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(shù)”，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(shù)值一般只有幾十或幾百皮法，L為分布電感。

導(dǎo)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(dǎo)線的長度增加而增大，容抗XC與電容C為倒數(shù)關(guān)系，所以容抗值隨導(dǎo)線長度增長而減少，因為電壓U是基本穩(wěn)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(shù)的數(shù)值一般較小，這種剩余電流的數(shù)值也比較小，一般上千米的導(dǎo)線其分布參數(shù)產(chǎn)生的剩余電流也就是幾毫安或十幾毫安，但在配電系統(tǒng)中還會有各種用電設(shè)備，用電設(shè)備也會產(chǎn)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(chǎn)生的剩余電流是不容易事先計算和預(yù)測的，在特殊情況下，有些正常剩余電流的數(shù)值會很大，在設(shè)置剩余電流報警值時，應(yīng)該把正常剩余電流的數(shù)值扣除后再設(shè)置報警剩余電流值。如線路中產(chǎn)生的正常剩余電流為100mA，設(shè)置故障剩余電流最大達到400mA時報警，此時正確的報警值應(yīng)設(shè)置為500mA。

3 新一代電氣防火監(jiān)控設(shè)備的研究

新一代電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備要進一步發(fā)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(jiān)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(zāi)報警系統(tǒng)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(nèi)；

2)工作電流是否加大，是否在額定范圍外；

3)導(dǎo)線溫度是否在規(guī)定范圍內(nèi)；

4)導(dǎo)線溫度是否超出規(guī)定范圍。

對于出現(xiàn)輔助判斷中的2)、4)項異常情況時，就應(yīng)發(fā)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(zāi)的發(fā)生。對于在輔助判斷中屬于1)、3)項的情況，則只應(yīng)給予預(yù)警提示，而不用發(fā)出報警。

除了對以上的情況進行分析外，還要根據(jù)季節(jié)(主要是環(huán)境溫度和濕度)變化對剩余電流報警值進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

3.2 使監(jiān)控設(shè)備具有自學(xué)習(xí)功能

實際上每個安裝了電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的單位的情況都不相同，用電環(huán)境千差萬別，用一種不變的模式應(yīng)用于各種不同類型的用電環(huán)境是不現(xiàn)實的，所以新一代電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有自學(xué)習(xí)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(guī)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(guī)律基本相同，則認(rèn)為是正常的；如果違反了這個規(guī)律，而且相差懸殊，則要進行提示，由工作人員檢查供電系統(tǒng)中的負(fù)載是否因為變化才造成剩余電流的變化，以便判斷是否發(fā)生了故障。

2)以一年為周期，對不同季節(jié)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(fā)現(xiàn)了比較懸殊的差別，則提示值班人員對供電線路進行相應(yīng)的檢查。

3)不同的工作電流相對應(yīng)的剩余電流值也不相同。前面已經(jīng)分析過，用電設(shè)備越多，其剩余電流值可能越大，此時由計算機根據(jù)工作電流增大的數(shù)值進行查表，自動把報警值提高至一個適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

有了這些輔助判斷和自學(xué)習(xí)功能，會使電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的智能化程度更好、判斷能力更強、準(zhǔn)確度更高、誤報率更低，使電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備在防火領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

總之，安裝了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)后，其剩余電流保護功能可以對配電系統(tǒng)內(nèi)的電弧性接地故障引起的電氣火災(zāi)進行有效的防范，新一代監(jiān)控設(shè)備可以降低誤報率，提高安全水平。

[1] 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)(GB 14287-2005)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)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(yè)出版社，2012.