低壓配電系統電弧故障火災防範

據應急管理部消防救援局統計：2019年全年接報火災23.3萬起，亡1 335人，傷837人，直接財產損失36.12億元；其中已查明原因的住宅火災有52 % 系電氣原因引起。

當發生電氣火災時有幾個顯著特點：高溫、故障電弧、接地型電弧短路、接地故障電流值迅速增大。很多人認為，在配電幹線迴路裝設了剩餘電流動作保護器（RCD）或者是電氣火災監控系統（EFP），就已經能夠有效監控和防範電氣線路發生的火災；其實不然，在工程實踐中，往往有裝設了電氣火災監控系統或剩餘電流動作保護裝置的配電幹線迴路仍然發生火災的情況。

電氣火災監控系統中的剩餘電流檢測裝置，其工作原理是基於檢測相線與地線或中性線與地線接地型短路所產生的故障電流，是以三根相線與中性線電流矢量和為檢測目標值，當檢測到洩漏電流值超過報警閾值，則發出預警信號或由消防控制室控制切斷相關迴路供電電源，達到防範電氣火災的目的。而低壓配電迴路中，帶電導體自身斷裂或者因為接觸不良產生的串聯電弧或者帶電導體（相導體與相導體、相導體與中性線導體）之間的並聯電弧發生故障時，由於沒有產生對地故障電流，剩餘電流檢測裝置無法檢測這類故障。電弧故障產生時，迴路阻抗可能較大，使得故障電流低於配電線路上裝設的微型斷路器或者熔斷器的脫扣設定值，保護電器不動作。因此，剩餘電流動作保護裝置、熔斷器或小型斷路器都不能有效降低電弧引起的火災危險。從圖1電弧故障對比斷路器脫扣曲線可以看出，一部分電弧故障範圍是在斷路器脫扣保護曲線範圍之外。

電弧故障的起因主要有以下幾種，如圖2所示。

當絕緣層破損或連接處不緊固，會出現局部熱點，使導體附近的絕緣材料發生炭化並產生高溫電弧，引燃周圍介質，導致火災的發生。此類型故障無法通過單一的電氣參數進行判斷，需要通過電弧故障檢測技術檢測電流和電壓波形，在波形發生畸變並確認為故障電弧時應迅速斷開，從而降低被保護迴路發生電氣火災的可能。

如何判斷電弧故障，首先要了解電弧故障的種類。按產生的位置不同，電弧分為串聯電弧和並聯電弧：

a. 串聯電弧一般有兩種成因：一種是由于振動等原因引起電極間接觸不良、連接鬆動或接觸處斷裂，即點接觸式串聯電弧故障，進而形成間歇性電弧，電弧的間歇性燃燒會使導體的熱量集聚，如果不能夠及時散熱將導致導體過熱，進而引燃導體外層絕緣材料，引發電氣火災；另一種串聯電弧則是配電線路年久失修導致線路被腐蝕氧化、電纜絕緣被炭化，或是連接端子鏽蝕等問題，在絕緣體上形成了炭化通道，由此形成電弧燃熾，即為炭化路徑式串聯電弧故障。當低壓配電線路中存在絕緣介質的腐蝕與炭化問題時，處於損壞斷口處兩端的起始電壓幅值很低，據測量僅有幾百毫伏，但是隨著電線絕緣介質被逐漸氧化和腐蝕，損壞斷口處兩端的電壓便會逐步升高，當電壓幅值升高到幾伏時，氣體間隙便能夠維持電弧穩定的燃熾，電弧產生足夠的能量，進而引燃導體外層絕緣材料，最終導致電氣火災的發生。串聯電弧故障受到阻抗負載限制，電弧電流一般略低於正常負載電流，這是它的重要特點。

b. 並聯電弧故障是一種短路電弧故障，它的產生也有兩個方面的原因：一方面是由於外力因素使相線與中性線之間的絕緣破損、開裂，進而造成相線和中性線之間的電弧故障，即點接觸式並聯電弧故障；另一方面是由於電線長期綑紮在一起，導線腐蝕老化導致相線和中性線之間的絕緣層出現炭化，形成炭化通道，進而導致兩導線之間形成電弧，即炭化路徑式並聯電弧故障。這種情況在工程中經常可以看到，並聯電弧故障的電流波形同樣受到負載影響，但電流幅值要明顯大於負載電流，並聯電弧故障產生的能量也要大於串聯電弧故障，很容易在故障點形成導電通道，使金屬導體過熱並引燃可燃物，甚至能夠使金屬電極發生熔化。它的特點是其電流幅值大於正常線路的負載電流，但可能達不到傳統過流保護裝置的磁脫扣閾值，有可能在迴路切斷前已產生了燃弧現象。

接地電弧也是並聯故障電弧的一種。對於TN系統，由於接地電弧產生的故障電流是通過PE線流回電源側，常用的剩餘電流動作保護斷路器（RCD）可以對此故障電弧提供保護。

電弧故障火災越來越被人們所認識，更多的技術應用到電弧故障檢測中，並伴隨著產品標準的完善，市面上推出了電弧故障保護器（AFDD）。

美國NEC 2017版210.12條要求住宅單元（如廚房、家庭娛樂室、餐廳、起居室、客廳等）的單相末端單相支路應配備電弧故障保護電器，並在2008年開始在全美普及並強制實施。IEC 60364 - 4 - 42：2010 + AMD1：2014 CSV《Low‑voltage electrical installations — Part 4 - 42：Protection for safety — Protection against thermal effects》推薦在睡眠場所、高火災風險場所、火災易蔓延場所及危及無法取代物品場所的交流末端迴路加裝電弧故障保護電器。

最新發布的GB 51348 - 2019《民用建築電氣設計標準》（以下簡稱《民標》）7.6.6條規定：宜在商場、超市，以及儲存可燃物品的庫房，人員密集場所的照明、插座迴路安裝AFDD。針對規範條款中的「人員密集場所」，《中華人民共和國消防法》、GB 35181 - 2017《重大火災隱患判定方法》、GB 50016 - 2014《建築設計防火規範》（2018年版）等文件、規範也有相關的定義，特指賓館、飯店、公共娛樂場所、體育場館，學校的教學樓、圖書館、食堂和集體宿舍，以及民用機場航站樓等面積較大、同一時間聚集人數較多的場所，涉及範圍極廣。《民標》13.5.5條規定：設置了電氣火災監控系統的檔口式家電商場、批發市場等場所的末端配電箱應設置電弧故障火災探測器或限流式電氣防火保護器。

如何有效選擇AFDD的應用場景，首先應從火災危險性考慮。根據應急管理部消防救援局的數據統計，2019年居民住宅火災數雖然只佔總數的44.8 %，但造成的死亡人數佔總數的78.3 %，遠超其他場所亡人的總和，尤其是各類家用電器、電氣線路等引發的火災越來越突出。同時，隨著我國人口老齡化的加快，火災亡人的老齡人口所佔比重已從2009年的29 % 上升至2019年的36.2 %，遠高於老齡人口佔總人口16.2 %的比重，而住宅火災中該比例更達到42.9 %，癱瘓、殘疾、精神病人等群體的比重達到44.3 %。由此可見，人員密集的睡眠類場所（集體宿舍、酒店等）和老弱病殘（養老院、幼兒園等）的場所應尤為關注。

以集體宿舍為例，可選用具備電弧故障保護功能的MCB和RCBO來分別保護照明和插座迴路（如圖3所示）。如條件不允許或改造項目，可在原有MCB或RCBO後加裝單獨的AFDD，以降低電氣火災風險。

完善的電氣火災監控系統，是有效防範低壓配電系統中所產生的各種類型電氣火災的重要手段，作為專業技術人員，應該充分了解和掌握這些電氣系統故障特點，採取有效針對性措施，防範電氣火災的發生。

 

本文全文載於《建築電氣》2020年第10期，詳文請見雜誌。

版權歸《建築電氣》所有。

作者：

席 偉，男，昆明市建築設計研究院股份有限公司，正高級工程師，副總工程師,電氣總工程師。

陳郭驊，男，施耐德萬高（天津）電氣設備有限公司，產品工程師。

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