電氣線路老化引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理分析與綜合防控體系構(gòu)建

摘要：現(xiàn)階段，各類電氣設(shè)備應(yīng)用廣泛，因電氣線路老化引發(fā)的火災(zāi)事故時有發(fā)生，威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。從電線絕緣層材料老化特性、線路長期過載發(fā)熱效應(yīng)、接頭處氧化與接觸不良等方面，深入剖析電氣線路老化引發(fā)火災(zāi)的內(nèi)在機(jī)理，針對性地提出涵蓋定期巡檢維護(hù)、優(yōu)化線路設(shè)計、采用新型材料等多維度的預(yù)防措施，旨在降低電氣火災(zāi)風(fēng)險、保障社會生產(chǎn)生活安全。

關(guān)鍵詞：電氣線路；火災(zāi)；氧化膜生成動力學(xué)；新型材料

中圖分類號：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0013-03

0 引言

根據(jù)國家消防救援局統(tǒng)計，2024年，因電氣故障引發(fā)火災(zāi)29.3萬起，占32.3%[1]。深入研究電氣線路老化引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理，并制定有效的預(yù)防措施，對于保障消防安全和社會穩(wěn)定具有重要意義。本文通過材料老化實(shí)驗(yàn)、熱力學(xué)建模和案例統(tǒng)計等方法，系統(tǒng)揭示電氣線路老化致災(zāi)規(guī)律，為火災(zāi)防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 電氣線路老化引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理分析

1.1" 絕緣層材料老化特性

1.1.1" 溫度影響機(jī)制

絕緣材料的熱老化遵循Arrhenius方程，其壽命與溫度呈指數(shù)關(guān)系[2]。實(shí)驗(yàn)表明，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）材料在90℃環(huán)境下運(yùn)行時，其壽命縮短至正常情況的1/3，而溫度每升高8～10℃，老化速率倍增。

1.1.2" 環(huán)境協(xié)同效應(yīng)

除溫度外，濕度、化學(xué)腐蝕和機(jī)械應(yīng)力形成協(xié)同老化效應(yīng)。當(dāng)相對濕度＞80%時，聚氯乙烯（PVC）材料的絕緣電阻下降40%～60%；在酸堿環(huán)境中，其抗拉強(qiáng)度年均衰減率達(dá)12.3%。在潮濕環(huán)境中，水分會被絕緣材料吸收，進(jìn)而降低其絕緣電阻，引發(fā)漏電現(xiàn)象；化學(xué)物質(zhì)如酸、堿等會與絕緣材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞其分子結(jié)構(gòu)；機(jī)械應(yīng)力則可能導(dǎo)致絕緣材料出現(xiàn)裂縫、破損，加速老化進(jìn)程。在一些化工廠等存在化學(xué)腐蝕氣體的場所，電氣線路的絕緣材料更容易受到侵蝕，老化速度明顯加快。

1.2" 線路過載的熱累積效應(yīng)

基于焦耳定律建立的熱平衡方程：

（1）

式中：d——微分符號，dT/dt表示溫度T隨時間t的變化率；

T——導(dǎo)線溫度，℃；

I——電流，A；

R——電阻，Ω；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）；

A——導(dǎo)線參與熱交換的有效散熱面積，m2；

T0——原始導(dǎo)線溫度，℃；

t——時間，s；

m——指導(dǎo)線的質(zhì)量，kg；

c——導(dǎo)線材料的比熱容，J/（kg·℃）。

當(dāng)電流I超過安全閾值時，熱累積導(dǎo)致溫度呈非線性上升。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，載流量超限20%時，銅導(dǎo)線的溫升速度提高3.8倍。當(dāng)線路過載時，電流增大，根據(jù)焦耳定律，產(chǎn)生的熱量急劇增加。過多的熱量無法及時散發(fā)，會使線路溫度持續(xù)升高，不僅加速絕緣層老化，還可能使導(dǎo)線金屬材料的機(jī)械性能下降，如強(qiáng)度降低、延展性變差等。一些老舊居民樓私自改裝電路，增加大功率電器，導(dǎo)致線路長期過載，進(jìn)而引發(fā)電氣火災(zāi)事故，這都是線路過載熱累積效應(yīng)的實(shí)際體現(xiàn)。

1.3" 接觸不良的致災(zāi)特性

1.3.1" 氧化膜生成動力學(xué)

銅質(zhì)接頭在空氣中的氧化速率滿足：

（2）

式中：δ——氧化層厚度，mm；

k——反應(yīng)速率常數(shù)；

t——時間，h；

e——自然常數(shù)；

Ea——活化能，J/mol；

R——電阻，Ω；

T——導(dǎo)線溫度，℃。

實(shí)驗(yàn)測得，在40℃、70%濕度條件下，接觸電阻半年內(nèi)增長217%。接頭處由于金屬暴露在空氣中，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化膜。氧化膜具有的電阻較大，會導(dǎo)致接頭處接觸電阻增大。接觸電阻增大后，接頭處會產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步加速氧化過程，形成惡性循環(huán)。例如，在一些戶外電氣設(shè)備的接頭處，由于長期暴露在空氣中，受到濕度、溫度等環(huán)境因素的影響，氧化速度加快，接觸電阻不斷增大，容易引發(fā)過熱和火災(zāi)事故。

1.3.2" 振動環(huán)境影響

國家消防救援局2023年統(tǒng)計顯示，振動環(huán)境中的設(shè)備接頭故障率是靜止環(huán)境的4.2倍[3]。機(jī)械振動使接觸壓力波動，導(dǎo)致微動磨損和電弧放電，形成“振動-氧化-發(fā)熱”的惡性循環(huán)。

2 綜合防控體系構(gòu)建

2.1" 智能巡檢技術(shù)體系

1）日常巡檢：采用紅外熱像儀（精度±2℃）檢測溫度異常。通過紅外熱像儀，可以快速檢測電氣線路各部位的溫度分布情況，及時發(fā)現(xiàn)溫度過高的區(qū)域，這些區(qū)域可能存在線路過載、接觸不良等問題[4]。

2）專項(xiàng)檢測：采用介電譜分析儀評估絕緣老化程度[5]。介電譜分析儀能夠精確測量絕緣材料的介電性能，通過分析介電參數(shù)的變化，能夠準(zhǔn)確判斷絕緣材料的老化程度。

3）預(yù)測性維護(hù)：基于剩余壽命模型制定更換策略。根據(jù)材料老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行情況，建立電氣線路剩余壽命模型，預(yù)測線路在不同條件下的剩余使用壽命，提前制定更換計劃，避免因線路老化引發(fā)火災(zāi)事故。

2.2" 線路設(shè)計優(yōu)化準(zhǔn)則

提出“雙因子”設(shè)計法：

（3）

式中：S——導(dǎo)線截面積，m2；

K1——安全系數(shù)，取1.25；

K2——負(fù)荷增長系數(shù)，取0.03/年；

Imax——最大電流，A；

t——時間，年。

在電氣線路設(shè)計階段，充分考慮未來的用電需求增長。通過“雙因子”設(shè)計法，綜合考慮當(dāng)前最大電流和未來負(fù)荷增長因素，合理選擇導(dǎo)線截面積，確保線路有足夠的載流能力，避免因過載運(yùn)行而引發(fā)事故。同時，合理規(guī)劃線路布局，避免線路過長、迂回，減少不必要的接頭，降低線路電阻和能量損耗。例如，在某新建小區(qū)的電氣線路設(shè)計中，采用“雙因子”設(shè)計法[6]，根據(jù)小區(qū)的規(guī)劃戶數(shù)和預(yù)計的用電設(shè)備功率，合理選擇導(dǎo)線截面積，并優(yōu)化線路布局，從而減少線路損耗和故障隱患，保障了小區(qū)居民的用電安全。

2.3" 新型材料應(yīng)用

對比測試表明（表1），新型陶瓷化硅橡膠材料在650℃下可形成陶瓷保護(hù)層，氧指數(shù)達(dá)45%，煙密度降低78%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新型電氣絕緣材料和防火材料不斷涌現(xiàn)。新型陶瓷化硅橡膠材料在高溫下能形成致密的陶瓷保護(hù)層，有效阻止火焰蔓延，且具有高氧指數(shù)和低煙密度的特點(diǎn)，在發(fā)生火災(zāi)時，不僅自身不易燃燒，還能減少煙霧和有害氣體的產(chǎn)生，為人員疏散和滅火救援提供有利條件。同時，使用防火性能好的線槽、線管等材料對電氣線路進(jìn)行保護(hù)，可將火災(zāi)風(fēng)險控制在一定范圍內(nèi)。例如，在某高層建筑的電氣線路改造中，采用新型陶瓷化硅橡膠絕緣材料和防火線槽，提高了電氣線路的防火性能。在一次模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，使用新型材料的電氣線路在火災(zāi)中保持了較好的完整性，未發(fā)生火災(zāi)蔓延，為人員疏散和消防救援爭取了寶貴時間。

2.4" 智能監(jiān)控系統(tǒng)

新一代系統(tǒng)中，采用了諸多創(chuàng)新技術(shù)，包括以下方面。

1）分布式光纖測溫：±0.5℃精度，2m空間分辨率。分布式光纖測溫技術(shù)能夠?qū)﹄姎饩€路進(jìn)行全長度的溫度監(jiān)測，實(shí)時準(zhǔn)確地獲取線路各點(diǎn)的溫度信息，及時發(fā)現(xiàn)局部過熱問題。例如，在某地鐵線路的電氣監(jiān)控系統(tǒng)中，采用分布式光纖測溫技術(shù)，對供電線路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)某段線路溫度出現(xiàn)異常升高時，系統(tǒng)立即發(fā)出警報，工作人員及時進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)是線路局部受到擠壓導(dǎo)致接觸不良，及時進(jìn)行了修復(fù)，保障了地鐵的正常運(yùn)行。

2）電弧故障檢測：基于小波變換的特征識別算法。通過小波變換對電氣信號進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確識別出電弧故障產(chǎn)生的特征信號，及時發(fā)現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象，避免因電弧引發(fā)火災(zāi)。在某商場的電氣監(jiān)控系統(tǒng)中，利用基于小波變換的電弧故障檢測算法，成功檢測到一次電弧故障，并及時切斷電源，避免了火災(zāi)事故的發(fā)生。

3）云平臺預(yù)警：實(shí)現(xiàn)98.6%的故障定位準(zhǔn)確率。利用云平臺技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析處理，一旦檢測到電氣故障，立即通過短信、App推送等方式發(fā)出預(yù)警，并準(zhǔn)確快速地定位故障位置，為及時處理故障提供支持。例如，某大型工業(yè)園區(qū)的電氣監(jiān)控系統(tǒng)通過云平臺預(yù)警，能夠在故障發(fā)生后的幾秒鐘內(nèi)將預(yù)警信息發(fā)送到相關(guān)工作人員的手機(jī)上，并準(zhǔn)確顯示故障位置，大幅度提高了故障處理效率，降低了火災(zāi)風(fēng)險。

3 結(jié)束語

本文提出了建立多因素耦合老化模型，量化環(huán)境-機(jī)械-電氣協(xié)同作用。綜合考慮溫度、濕度、化學(xué)腐蝕、機(jī)械應(yīng)力等多種因素對電氣線路老化的影響，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，建立多因素耦合老化模型，準(zhǔn)確描述各因素之間的協(xié)同作用機(jī)制，為評估線路老化程度和剩余壽命提供科學(xué)依據(jù)。開發(fā)“雙因子”動態(tài)設(shè)計方法，適應(yīng)負(fù)荷增長需求?！半p因子”設(shè)計法充分考慮當(dāng)前用電負(fù)荷和未來負(fù)荷增長趨勢，能夠更加科學(xué)合理地設(shè)計電氣線路，確保線路在長期運(yùn)行過程中滿足安全載流要求，有效避免因線路過載引發(fā)火災(zāi)事故。

參考文獻(xiàn)

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