淺談易引起電氣火災(zāi)的接地故障

竇甜華 / 張 強(qiáng)(山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

民用建筑中的低壓供配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中與用戶聯(lián)系最密切的部分，它是否能夠合理、安全、高效與穩(wěn)定地運(yùn)行，直接關(guān)系到人們的生產(chǎn)生活。但低壓配電系統(tǒng)存在的問題也相對較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電氣火災(zāi)和電擊死亡事故成因中，380/220 V低壓配電系統(tǒng)問題占70%以上。

1 低壓配電系統(tǒng)中的接地故障及其危害

據(jù)1993～2002年特大、重大電氣火災(zāi)起火部位統(tǒng)計(jì)資料顯示：電氣線路上的起火占52%。短路、過熱是引發(fā)電氣火災(zāi)的主要原因[1]。民用建筑中主要采用TN-C，TN-S和TN-C-S三種系統(tǒng)，其接地主要是通過PE線或PEN線實(shí)現(xiàn)。低壓配電系統(tǒng)中的接地故障不同于一般的短路故障，是相線與地或與地有連接的導(dǎo)體之間的短路，如PE線、PEN線、用電設(shè)備金屬外殼、金屬管道及敷設(shè)的建筑物構(gòu)件等對大地短路，它不包括相線與中性線之間的短路，不同于一般的單線短路，如圖1所示。

與金屬性短路相比，接地故障較隱蔽、復(fù)雜，不易發(fā)覺，接地故障中引起電氣火災(zāi)的起火源可分為三類：故障電源起火，故障電壓起火，保護(hù)線或保護(hù)中性線的接線端子導(dǎo)電不良起火。這些起火源因接地電阻大，限制了故障電流，不能及時切斷電源，以電弧、火花的形式產(chǎn)生高溫，引燃周圍可燃物質(zhì)。對于故障電源起火，常以電弧性短路的形式出現(xiàn)，產(chǎn)生的局部高溫很容易引燃周圍的可燃物。對于故障電壓起火，不僅會造成人體電擊事故，且僅有20V的電壓就可維持電弧持續(xù)發(fā)生，極易引起火災(zāi)。由接地故障引起的電弧、電火花是最常見的電氣火災(zāi)原因。

接地故障發(fā)生于TN-S、TN-C-S系統(tǒng)時，如果不及時切斷電源，故障電流會沿保護(hù)性地線流向與之相連的電氣設(shè)備金屬外殼，也可能向鄰近的水暖、煤氣等接地的金屬管道傳導(dǎo)，引起故障電弧起火。因此要采取一些有效的措施來檢測接地故障，預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生[2]。

圖1 接地故障示意圖

2 接地故障預(yù)防

2.1 我國現(xiàn)有預(yù)防電氣火災(zāi)的規(guī)范

近年來，隨著電氣火災(zāi)給人民的生命財產(chǎn)安全造成的損失越來越多，國家提高了對電氣火災(zāi)的防控力度，相繼制訂和修改了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前國內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范主要是針對接地故障造成的電氣火災(zāi)制定的，如《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50045-2005)(簡稱高規(guī))中規(guī)定高層建筑物內(nèi)火災(zāi)危險性大和人員密集的場所宜設(shè)置漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)。

剩余電流俗稱漏電流，但含義比漏電流更廣，它包含電器線路絕緣損傷流入大地的接地故障電流，對地電容電流，諧波分量電流及電器設(shè)備和線路正常運(yùn)行時對地的自然泄漏電流。在《剩余電流動作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》(GB 13955-2005)中統(tǒng)稱為“剩余電流”[3]。我國頒布的《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50096-1999)也明確規(guī)定居民住宅樓的總電源進(jìn)線處，應(yīng)裝有帶剩余電流保護(hù)功能的斷路器?！妒Ｓ嚯娏鲃幼鞅Ｗo(hù)裝置安裝和運(yùn)行》(GB 13955-2005)中指出：安裝剩余電流動作保護(hù)裝置不僅能有效預(yù)防人身電擊事故的發(fā)生，在防止因接地故障引起的電氣火災(zāi)中也起到重要作用[4，5]。《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》(GB 14287-2005)標(biāo)準(zhǔn)包括3部分：《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》(GB 14287.1-2005)、《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》(GB 14287.2-2005)和《測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》(GB 14287.3-2005)。規(guī)范中指出：電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器是指探測被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險參數(shù)變化量的探測器[6]。2012年5月山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了一個地方標(biāo)準(zhǔn)《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》，主要是針對接地故障引起的電氣火災(zāi)進(jìn)行檢測。

2.2 接地故障預(yù)防措施

接地故障保護(hù)需根據(jù)接地形式的不同，采取相應(yīng)的措施和方法。預(yù)防因接地故障引起電氣火災(zāi)的措施有很多種。目前，在電氣設(shè)計(jì)中，對建筑物低壓配電系統(tǒng)實(shí)施接地保護(hù)的兩種方法是：安裝剩余電流保護(hù)裝置和采取總等電位、局部等電位聯(lián)接。等電位聯(lián)接是減少設(shè)備電氣事故、保護(hù)人身安全及減少電氣火災(zāi)的一個重要措施。對于改造或擴(kuò)建的工程項(xiàng)目建筑物內(nèi)的電子設(shè)備、微電子設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也同樣應(yīng)采用全局等電位和局部等電位聯(lián)結(jié)。另一個重要的措施就是按照IEC標(biāo)準(zhǔn)中的明確規(guī)定，在建筑物內(nèi)設(shè)置剩余電流保護(hù)器，且采取分級保護(hù)的原則，電源總進(jìn)線處設(shè)置的剩余電流保護(hù)器規(guī)格一般為300mA～500mA。剩余電流保護(hù)器的設(shè)置，不僅對建筑物低壓配電系統(tǒng)起到預(yù)防電氣火災(zāi)的作用，同時也進(jìn)一步降低了人體觸電事故的發(fā)生率[7]。

3 剩余電流動作保護(hù)器

目前，剩余電流保護(hù)器(Residual Current Protective Devices，RCD)已被廣泛應(yīng)用。監(jiān)控終端編碼器和剩余電流傳感器安裝在現(xiàn)場，如低壓柜負(fù)荷回路出線開關(guān)處或配電箱電源進(jìn)線總開關(guān)處。剩余電流保護(hù)器主要對配電系統(tǒng)內(nèi)因接觸不良、導(dǎo)線老化等原因引起的接地故障起監(jiān)測作用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)保護(hù)裝置的不足[8]。

3.1 剩余電流保護(hù)器原理

目前，應(yīng)用于建筑物低壓配電系統(tǒng)的剩余電流保護(hù)器一般由剩余電流傳感器，脫扣器和報警器三部分組成。其檢測原理是理論上相線、中性線電流的矢量和為零。因?qū)Ь€絕緣性能降低、設(shè)備漏電等原因發(fā)生接地故障時，剩余電流傳感器將感應(yīng)出與接地故障電流大小成正比的電流，感應(yīng)電流的大小就反映配電線路或電氣設(shè)備中電流的泄露情況，其值若達(dá)到設(shè)定閾值，就會使報警器發(fā)出報警信號或指示脫扣器動作切斷電源[9]，以防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

3.2 剩余電流的形式

建筑物低壓配電系統(tǒng)中的剩余電流可分為兩種形式：平均分布式剩余電流和點(diǎn)熱積聚效應(yīng)式剩余電流。平局分布式剩余電流分為兩類：平均線式分布電流和平均點(diǎn)式分布電流，前者是指沿線路平均泄漏電流，與線路對地電容、絕緣阻抗及環(huán)境溫、濕度有關(guān)；后者是指各變、配、電設(shè)備工作時產(chǎn)生的剩余電流，其累加值有時可高達(dá)500mA。但引起電氣火災(zāi)的最大隱患還是點(diǎn)熱集聚效應(yīng)式剩余電流，即由接地性故障電弧引起的剩余電流。一個配電區(qū)域系統(tǒng)的自然泄露電流值等值于對地的剩余電流，平均分布式剩余電流＞300mA可能不會引起電氣火災(zāi)，而點(diǎn)積聚式剩余電流值若＞300mA，則是真正的火災(zāi)隱患。一般，對于電弧型接地故障，其有效剩余電流動作保護(hù)值≤300mA。

3.3 剩余電流保護(hù)器的誤動作

低壓配電系統(tǒng)中的規(guī)范要求，當(dāng)發(fā)生因接地故障導(dǎo)致人體觸電，電氣線路或設(shè)備內(nèi)部迸發(fā)火花、電弧時，要求剩余電流保護(hù)器發(fā)出聲光報警并及時切斷電源。市場上現(xiàn)有很多可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立報警，不需要跟控制器連接的剩余電流保護(hù)器，當(dāng)被監(jiān)測的剩余電流值超過報警閾值時，就發(fā)出報警。剩余電流式保護(hù)器設(shè)定的報警閾值必須與探測電氣線路相適宜，才能有效預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。目前常用的剩余電流保護(hù)器均采用設(shè)定固定閾值的方法檢測剩余電流，由于各種原因，剩余電流保護(hù)器常出現(xiàn)拒動和誤動[10]。

剩余電流保護(hù)器拒動，排除因其本身質(zhì)量差、額定動作電流設(shè)置過大及投切次數(shù)頻繁造成內(nèi)部電子元件損壞這幾個因素外，隨著越來越多的電器進(jìn)入普通家庭(如電視機(jī)、個人計(jì)算機(jī)等)，這些家用電器的電子整流設(shè)備導(dǎo)致電網(wǎng)中存在大量諧波，當(dāng)發(fā)生故障時，諧波中的直流分量不會使剩余電流保護(hù)器中的剩余電流傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電勢，就造成了漏報。

剩余電流保護(hù)器經(jīng)常誤動作，是導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中只實(shí)施報警功能而不切斷電源的重要原因。這是因?yàn)椴粌H當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)導(dǎo)線或者配電線路老化時會發(fā)生接地故障產(chǎn)生剩余電流，當(dāng)無故障發(fā)生時，建筑物內(nèi)各供電線路及電氣設(shè)備之間都存在分布電容，其產(chǎn)生的自然泄露電流的矢量和使剩余電流值升高，自然泄露的電流值超過保護(hù)器的設(shè)定閾值，致使剩余電流報警器經(jīng)常誤報，給用戶帶來諸多不變，使人們對剩余電流保護(hù)器持懷疑態(tài)度。

例如，居民住宅小區(qū)中，配電系統(tǒng)中的用戶多、用電設(shè)備復(fù)雜，即使電氣設(shè)備、電纜等質(zhì)量良好，由于上述原因每戶仍有10mA左右的剩余電流存在，而單元配電箱中的剩余電流保護(hù)器檢測的是總的矢量和。一般自然泄漏電流控制在120mA左右是比較合適的范圍，根據(jù)自然泄露情況，選擇合適的參數(shù)及剩余電流傳感器安裝位置?，F(xiàn)有剩余電流保護(hù)器報警閾值在設(shè)定好之后不連續(xù)可調(diào)，當(dāng)多個用戶使用大量電氣設(shè)備時，就可能造成中間保護(hù)或總保護(hù)誤動作。此外，大功率的用電設(shè)備啟動或者保護(hù)器受到強(qiáng)的電磁干擾進(jìn)一步增加了保護(hù)裝置誤動作的幾率。實(shí)際工程中，每一個區(qū)域的配電系統(tǒng)泄漏電流值與環(huán)境溫濕度、電壓電流值、頻率、電線老化程度、氣壓和電能質(zhì)量等相關(guān)。在常溫、濕度、大氣壓下，電力系統(tǒng)各部分均有自然泄漏。導(dǎo)線、電動機(jī)的電流泄露情況分別如表1和表2所示。

在具有一級負(fù)荷的重要建筑物中，為避免電源中斷帶來重大損失，不能隨意斷電，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，安裝的剩余電流保護(hù)器起到只報警不斷電的作用。

造成上述情況的根本原因是剩余電流保護(hù)器的報警閾值采用人工設(shè)定，在現(xiàn)場安裝保護(hù)裝置前，使用鉗形漏電流表測試出配電回路中的最大剩余電流值，然后按照國標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)定報警閾值。閾值一般分200mA，300mA，500mA3個檔次，設(shè)定后便不可調(diào)。這種設(shè)置方式具有一定的局限性。保護(hù)器智能化程度不高及自適應(yīng)能力不強(qiáng)是造成漏報警或誤報警的重要原因[11]。

5 民用建筑接地故障檢測系統(tǒng)

電氣火災(zāi)主要引火源之一是過熱，國家標(biāo)準(zhǔn)《測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》(GB 14287-3-2005)中也指出設(shè)置測溫式探測器，是預(yù)防因?qū)Ь€老化或?qū)w接觸不良等產(chǎn)生熱效應(yīng)、引發(fā)電氣火災(zāi)的有效措施。結(jié)合點(diǎn)熱積聚效應(yīng)式剩余電流是引起電氣火災(zāi)的主要原因，測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器也可根據(jù)實(shí)際情況選擇全部或局部范圍單級或多級監(jiān)控。使用溫度傳感器和剩余電流傳感器，對建筑物低壓配電系統(tǒng)中常發(fā)生的電弧性接地故障進(jìn)行監(jiān)測，主要檢測對象為建筑物中的低壓配電箱，對配電箱中的電纜芯線端子松動、接觸不良及長期發(fā)熱電纜絕緣擊穿導(dǎo)致的接地故障進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)配電箱中發(fā)生上述接地故障時，其故障電流不大，過流保護(hù)器不動作。溫度傳感器還起到對因過載、過流等引起的大的局部高溫進(jìn)行檢測的作用。以住宅為例，傳感器安裝位置為單元總配電箱中負(fù)荷回路的出線處或樓層配電箱中電源進(jìn)線的開關(guān)處。傳感器的安裝位置與監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

表1 220/380V線路每公里泄漏電流(mA)截面(mm2)

表2 電動機(jī)泄漏電流(mA)

5.1 剩余電流檢測

剩余電流傳感器安裝于斷路開關(guān)后面，檢測電源總線的剩余電流，需要注意的是在確定剩余電流報警參數(shù)之前，需要結(jié)合建筑物的面積，計(jì)算或者實(shí)際測量建筑物內(nèi)電氣線路和設(shè)備的自然泄露電流。例如，《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》電氣部分中規(guī)定：單相配電系統(tǒng)，住宅建筑面積在1 500m2以下和1 500～2 000m2，保護(hù)器額定動作電流宜分別設(shè)為300mA、500mA，而超過6 000m2時，總配電箱的出線回路上需裝幾組保護(hù)器。對三相配電系統(tǒng)，同樣是需要根據(jù)建筑物面積的大小，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)和數(shù)量的漏電(剩余電流)保護(hù)器。之所以采取上述措施，就是基于住宅戶數(shù)的增多、固有泄露電流增大的原因。住宅中某用戶主要使用的家用電器產(chǎn)生的自然泄漏電流值如表3所示。

取家用電器同時使用的幾率為0.6，加上敷設(shè)導(dǎo)線、設(shè)備之間存在的分布電容等情況，通過測量，一般一個三居室的自然泄露電流為18～30mA，一個住宅單元中有6個住戶時，自然泄露電流(剩余電流)值為 ：Id=(108～180)×0.6=(64.8～108)mA

5.2 溫度檢測

配電系統(tǒng)中對因線路接觸不良產(chǎn)生的局部高溫或過流導(dǎo)致的溫升，根據(jù)建筑物實(shí)際情況一般在全局或局部范圍內(nèi)設(shè)置單級或多級溫度監(jiān)控。配電系統(tǒng)中溫度傳感器的設(shè)置位置，以接近發(fā)熱源(如線路接頭，開關(guān)觸點(diǎn)及導(dǎo)線表面)為準(zhǔn)則。設(shè)置方法有兩種：

圖2 接地故障檢測系統(tǒng)示意圖

(1)將溫度傳感器置于電纜絕緣材料的表面，采集電纜表面的溫度值，檢測導(dǎo)線長時間過流引起的溫升；

(2)將溫度傳感器置于線路接線端子處，檢測因線路長時間過流和接點(diǎn)接觸不良引起的高溫。本文溫度傳感器主要用于檢測配電箱接地性故障電弧發(fā)生時產(chǎn)生的高溫。使用DS18B20，可根據(jù)實(shí)際配電箱大小，建筑物負(fù)荷等級及線路復(fù)雜程度確定溫度傳感器的個數(shù)，以便對進(jìn)線電纜溫度，出線電纜溫度和配電箱體溫度實(shí)施監(jiān)測。

目前建筑物中最常使用的是聚氯乙烯電纜，根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50217-2007)規(guī)定，對電纜有關(guān)溫度的規(guī)定主要集中在以下幾方面：60℃為聚氯乙烯絕緣電纜工作的高溫環(huán)境；電纜所承受溫升與敷設(shè)及散熱條件有關(guān)；聚氯乙烯絕緣電纜纜芯最高溫度為70℃，同時環(huán)境溫度為40℃。額定溫度動作值的設(shè)定，需根據(jù)電氣絕緣材料等級對應(yīng)的短時允許耐熱溫度(極限工作溫度)和長期允許耐熱等級確定，一般設(shè)定在55℃～140℃左右。DS18B20的溫度測量范圍是-55℃～125℃，精度為±0.5℃，多個DS18B20可同時掛接于一條數(shù)據(jù)總線上，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，被測溫度可直接被讀出，不需要外加A/D轉(zhuǎn)換電路，滿足測量要求。

5.3 接地故障檢測流程

接地故障檢測流程如圖3所示，將溫度傳感器與剩余電流傳感器安裝于建筑物低壓配電系統(tǒng)配電箱中，將采集的溫度和剩余電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，分析結(jié)果通過信號線傳至消防控制室，若出現(xiàn)異常則發(fā)出火災(zāi)報警，通知工作人員，無異常則繼續(xù)檢測，發(fā)出報警信號后，若出現(xiàn)溫度快速升高的現(xiàn)象，則脫扣器動作，切斷電源，避免火災(zāi)事故擴(kuò)大，若報警后沒有快速升溫現(xiàn)象，工作人員也應(yīng)到現(xiàn)場檢查電路，找出報警原因，以免遺漏接觸不良等故障，為火災(zāi)事故埋下隱患。

表3 各種家用電器泄漏電流(mA)

圖3 接地故障檢測流程圖

6 結(jié)束語

單純使用剩余電流保護(hù)器對接地故障進(jìn)行檢測，已滿足不了準(zhǔn)確預(yù)防電氣火災(zāi)的要求。檢測對象多元化、監(jiān)控裝置智能化已成為未來接地故障檢測的發(fā)展趨勢。新頒布的山東省地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的電氣火災(zāi)傳感器包括：漏電流傳感器、溫度傳感器、電流傳感器三種，這三種探測器對常引起電氣火災(zāi)的過電流、接地故障進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以達(dá)到準(zhǔn)確報警的目的。

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