浅谈电气火灾的成因与防护

汪翊飞

(中国通用机械工程总公司,北京 100050)

“电气火灾”顾名思义泛指由电气设备、电气线路、带电导体、雷电流、静电、电弧等产生的热效应引发的火灾。我国是电气火灾的多发国家,电气火灾的发生次数一直居于各类火灾的首位,且多年来居高不下,这与发达国家差距很大。电气火灾的发生原因有电气产品质量问题,也有人为用电,但相当多的原因是电气装置的设计安装不当,在建筑物建设之初就留下了日后电气火灾的隐患。一个火灾的形成必须具备火源、可燃物和氧气三个条件,其成因一般可以分为短路、连接不良、电气布置安装不当三类,下文将依次进行介绍。[1]

1 短路起火

就我国电气火灾现状而论,短路火灾是电气火灾防范的重点。电气线路发生短路主要有以下两个原因:

一是机械损伤,线芯外露接触不同电位导体而短路,例如线路铺设过低,又未用套管或线槽等外护物作机械保护,受外力碰撞后造成绝缘损伤而短路。关于防止机械损伤的措施,国家标准 GB50168-92《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》有详细的规定,本文在此不赘述。

二是线路因过热、水浸、长霉、日光照射等的作用而导致绝缘水平下降,在电气外因触发下,例如受雷电瞬态过电压或电网暂时过电压的冲击、耐压强度过低的绝缘被击穿而短路。这些原因中以过热导致绝缘劣化最为多见,例如电气线路离发热物体过近或电气线路内部过载导致线芯温度过高等原因。

综合上述线路短路的成因,造成短路起火又可分为金属性短路起火和电弧性短路起火。

1)金属短路起火。当不同电位的两导体接触时,接触电阻产生高温,使接触点熔化,形成金属性短路,短路电流可达线路额定载流量的几百倍甚至几千倍。这时回路上的短路保护电器应迅速动作,若短路保护电器失效拒动,短路线芯温度超过 355℃时,线路 PVC绝缘分解出氯化氢将剧烈氧化而燃烧,并有可能引燃附近的可燃物,酿成火灾。

2)电弧性短路起火。国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2005年版)指出:“我国的电气火灾大部分是由短路引发的,特别是接地电弧性短路。[2]”电弧性短路的发生有多种形式,例如由于故障点接触不良,未被熔融而迸发出电弧或电火花。由于发生电弧性短路的故障点阻抗较大,它的短路电流并不大,断路器难以动作(保险丝一般不会被熔断),从而使电弧持续存在;又如线路绝缘水平严重下降,雷电产生的瞬态电压或电网故障产生的暂时过电压都可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧。电弧若持续存在很容易导致火灾的发生。电弧性短路的起火危险远大于上述金属性短路,这是因为电弧具有很大的阻抗和电压降,它限制了故障电流,使过电流保护器不能动作,从而使得电弧持续存在,几安培的电流局部温度可达 2000℃以上,足以引燃临近的可燃物,因此电气短路火灾大多是电弧性短路引起的。

要防止电弧性接地短路,应大力推广使用带漏电保护功能的断路器,就一般建筑而言,除线路末端装设30mA的漏电保护器(RCD)外,进线处应装设带漏电保护功能的三相四线断路器,漏电动作电流可选300mA或 500mA,带 0.15～0.3 s延时。带漏电保护功能的断路器其延时功能可与第二级或三级 30mA的 RCD配合,实现选择性保护,如图 1所示。因此,如果我国能在楼房的电源进线上装设带漏电保护功能的断路器,就可有效地消除接地电弧产生的隐患,从而大幅度降低我国单相接地短路引发的火灾。[3]

2 连接不良起火

相当多的电气火灾是因导体的连接不良引起的。其中最常发生的连接不良起火的原因是铝线连接不良和插头、插座连接不良。

2.1 铝线连接不良起火

图1 建筑物内多级 RCD

众所周知,铝线较铜线易于起火。据美国消费品安全委员会(CPCS)统计的火灾发生率,铝线为铜线的 55倍。究其原因有以下几点:

1)铝线表面极易氧化。虽然铝线表面的氧化层厚度仅 3～6 mm,却具有很高的电阻,且能随时间的增长而增大、当大电流通过铝线接头时,所散发的热量易产生异常高温而引燃近旁可燃物质起火。当线路绝缘损坏发生短路时,铝线接头的高电阻又能限制短路电流,使线路上的断路器、熔断器等过流保护电器不能及时切断电源,这又增加了线路短路起火的危险性。

2)铝与铜的不同膨胀系数。当将铝线与设备的铜质接线端子相连接时,因铝的膨胀系数较铜约大 36%,当通过电流温度升高时,铝线膨胀较多,铜质端子的膨胀却不多,使铝线受挤压变形,断电冷却后连接处出现空隙,空气或潮气乘虚而入,铝线表面被氧化或腐蚀,使接触电阻增大,再通过电流时连接处发热更剧,形成恶性循环,当达到危险高温时连接处绝缘被熔化,易导致线路短路,引起火灾。

3)铝与铜的电解作用。根据化学中的电解反应,当铝芯电线连接处接触潮湿环境后就形成局部电池,使铝腐蚀,这也增加了接触电阻。

4)氯化氢的不利影响。如由于线路过载或接接不良等原因,铝线连接处的温度超过 75℃,而又持续较长的时间,PVC绝缘层将分解出氯化氢气体,此气体能腐蚀铝线表面,增加了接触电阻。

与铝钱相比,铜线不易软化和腐蚀,火灾危险小得多、在居民住宅中的电气线路不应采用铝线而应采用绝缘铜线,在装修旧房时,原有的铝线一定要换成铜线,如果图省事,或嫌更改线路影响美观,只更换开关和插座,会为今后的用电埋下安全隐患。这点在强制性国家标准 GB50096-1999《住宅设计规范》中有严格要求。[4]

2.2 插头、插座连接不良起火

我国居民住宅内的插座数量偏少,由于生活中用电器的增多,居民经常私拉电线加接插座板。由于居民缺乏电气安全知识,多用双芯单层绝缘绞线来接插座板。这种电线没有护套,易因挤压损伤而破环绝缘,又因不注意加接 PE线(接地线),使所接家用电器不能接地。因此,住宅内乱拉电线常引起电气火灾事故。发达国家为避免乱接电线,对户内插座数量作出了严格的规定。如在美国规定家用电器电源线长达 1.8 m,其国家电气法规就规定墙上两插座点间的距离不得超过 3.6 m,如图 2所示。

新的国家标准规定,住宅中插座数量不应少于12个,但这只是保障安全的基本要求,在参考发达国家和地区的电气标准的基础上做的规定。根据《商品住宅性能评定方法和指标体系》3A级标准,专家推荐,室内的墙上固定插座数量为:卧室(每间)电源插座 4组,空调插座 1组;客厅电源插座 5组,空调插座 l组;厨房电源插座 5组 ,排气扇插座 1组;走廊电源插座 2组,阳台电源插座 1组。

图2 按用电器具电源插头线长度确定墙上插座间距

同时我们还要考虑到插座的安装要求:[4]

1)明装时距地面不低于1.8 m。

2)暗装时距地面不低于0.3 m。为防止儿童触电,应选用带有保险挡片的安全插座。

3)单相二眼插座的接线要求是:当孔眼横排列时为“左零右火”;竖排列时为“上火下零”。

4)三眼插座零线与保护接地线切不可错接。

5)电冰箱、空调器应使用各自“独立”的、带有保护接地的三眼插座,严禁自做接地线接于煤气管道上,杜绝火灾事故的发生。

6)卫生间常用来洗澡冲凉,易潮湿,不宜安装普通型插座,而应选用防溅水型插座。

3 电气装置布置不当起火

电气装置中的电气设备如果设计时布置不当,离可燃物太近,即使没有发生故障,其正常工作时的高温或电火花也可以引燃起火。 IEC标准将这种电气火灾称作电气设备热效应引起的火灾。

最常见的电气设备高温源是电灯泡。100 W和200 W的白炽灯的玻璃壳表面的温度可达 220℃和300℃,1000 W碘钨灯的灯管表面温度可达 800℃。而一些可燃物的燃点则多低于此,见表 1。

表1 不同可燃物的燃点

如果电气照明设计中将大功率灯泡布置得太靠近可燃物,则烤燃起火的危险是很大的。2000年3月29日河南省焦作市“天堂”音像俱乐部因电热器烤燃其靠近的可燃物而发生火灾,致使 79人死亡;1994年12月8日,新疆克拉玛依市友谊宫的一场大火,造成 288名学生和37名教师死亡,火灾原因是演出照明碘钨灯引燃幕布所致。所以在电气装置设计中必须将这类高温电气设备远离可燃物布置,或用低导热的隔板隔开。

4 结束语

综上所述,本文对电气火灾的成因和防护措施进行了比较系统的阐述。其实,具体的电气火灾防护措施和内容在国家现行标准中均已涉及,只要认真执行标准,满足国家现行标准、规范、规程的要求,加强管理,电气火灾是可以抑制和预防的。

[1]杨在塘.电气防火工程 [M].北京:中国建筑工业出版社,1997:210-241.

[2]GB 50045-1995,高层民用建筑设计防火规范[S].

[3]秦曾煌.电工学 [M].北京:高等教育出版社 ,2004:337-342.

[4]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验 [M].北京:中国电力出版社,2007:134-141.