电气火灾机理研究

二、电气火灾机理研究

（一）电气火灾现状分析

1.我国电气火灾现状

电能作为社会生产和人们生活必不可少的主要能源之一，在其广泛应用的同时，也在不同程度上带来了灾害的隐患。20世纪90年代以来，我国因电气故障原因引发的火灾起数、造成的人员伤亡、直接财产损失始终居高不下，电气故障成为引发火灾的主要原因之一。

公安部消防局的统计资料显示，2000～2009年，全国共发生火灾206.8万余起，其中电气火灾34.2万余起，而且电气火灾所占比例有逐年上升趋势。2007年全国电气火灾起数占火灾总数的28%，2008年全国电气火灾占火灾总数约30%，比2007年提高了2个百分点。电气故障引发的重特大火灾也位居首位。2007年全国因电气故障原因引发的重特大火灾起数占重特大火灾总数的45%，其造成的火灾损失数占电气火灾损失总数的80%。详见表1和图1显示的2000～2009年全国火灾总数及电气火灾情况。

表1　2000～2009年全国火灾总数及电气火灾发生数、所占比例

续　表

注：此表统计的电气火灾次数，是指经公安消防部门调查原因的火灾，未经消防部门调查的火灾案例未列入统计。

图1　2000～2009年全国火灾总数及电气火灾发生数、所占比例分布

电气故障原因引发的火灾起数、造成的人员伤亡、直接财产损失在我国居高不下，如何有效防治电气火灾已成为我国科研领域的迫切课题之一。

2.上海市电气火灾现状

上海市近几年电气火灾占火灾总起数的比例也呈上升趋势。2006年，全市共发生火灾3 901起，其中电气火灾共1 497起，占总数的38.3%；2007年，全市共发生火灾4 233起，其中电气火灾共1 746起，占总数的41.2%；2008年，全市共发生火灾3 511起，其中电气火灾共1 489起，占了总数的42.4%；2009年，全市共发生火灾6 086起，其中电气火灾共2 276起，占总数的37.3%。详见表2和图2显示的上海市2006～2009年的火灾情况。

表2　2006～2009年上海火灾总数及电气火灾发生数、所占比例

图2　2006～2009年上海火灾总数及电气火灾发生数、所占比例

2009年上海市电气火灾情况如图3所示，其中，因短路、接触不良等电气线路故障引发的火灾1 481起，占了电气火灾总数的63%；电器设备故障引发火灾457起，占电气火灾总数的20%，电加热器具与可燃物接触太近引发火灾113起，占电气火灾的5%，其他电气类火灾225起，占电气火灾的10%。

由此可见，上海市因短路故障而引起的火灾在电气火灾中占的比重最大。如果能有效防治短路故障引发的火灾，必将能大大减少电气火灾的发生，降低火灾损失，保障人身和财产的安全。

图3　2009年上海火灾情况及电气火灾分类

（二）电气火灾成因分析研究

根据电气火灾的不同成因，电气故障划分为线路故障和元器件故障。由于元器件故障引发的火灾涉及元器件产品本身的材料特性、设计规范，一般多由厂家或产品质量监督部门通过改善产品性能避免火灾发生。

对于线路故障引发的电气火灾而言，我们一般将其分为短路故障、过载故障、接触电阻故障和其他故障等引起的。据统计，2000～2008年，我国因电气原因造成的重特大火灾共有336起，其电气火灾的分类见表3。

表3　2000～2008年我国发生的重特大火灾中电气火灾情况

（注：公安部2007年对火灾分级标准进行了修改，故2000～2006年统计为重大以上的火灾，2007、2008年统计为较大以上的火灾。在直接财产损失方面，2007年6月前重大火灾的标准为30万元以上，2007年6月之后重大火灾的标准为5 000万元以上，较大火灾的标准为1 000万元以上。）

从我国2000～2008年发生的重特大火灾原因分析来看，电线短路故障约占51%，居引发重特大火灾原因第一位；电线过热、过负荷故障占20%左右，居第二位；接触不良故障占12%，其他故障占17%左右。2000～2008年重特大火灾原因比例详见图4。

图4　2000～2008年重特大火灾原因比例图

本研究从各种故障的形成方式、故障形式、危害后果等方面，分析研究电气火灾的形成机理。

1.短路故障

当配电线路和电气设备由于绝缘导线的绝缘老化绝缘性能降低、受到意外机械损伤、接错线路或误操作，致使绝缘导线上具有不同电压的两点或几点通过接触点较小的阻抗相接，而此时绝缘导线的电流产生骤然增大的现象称为短路故障。

1）短路故障种类和短路点形态

如图5所示，低压配电线路和电气设备的短路故障可以分为三种，即相间短路、单相短路和单相接地短路。

相间短路，即不同相线之间发生的短路；单相短路，即相线与中性线之间发生的短路；相间短路和单相短路，通常又称为一般短路。

单相接地短路，即相线与电气设备的外露导电部分、外部导电部分或大地之间发生的短路。通常把单相接地短路称为接地故障。低压配电线路和电气设备发生短路故障时产生的电流称为短路电流。

图5　短路故障种类

在这几种短路故障中，以接地故障发生的几率较大。因为对绝缘导线来说，在同样的绝缘性能降低甚至失效的条件下，相线对外露导线部分、外部导电部分或者大地仅有相线的一层绝缘；而其他相线之间或者相线对中性线之间却有两层绝缘，相对来说发生短路故障几率会少一些。

短路故障发生时，故障点有两种形态，一种是金属性短路，另一种是电弧性短路。金属性短路，在短路点处的导体相互熔化并焊接在一起，除了短路电流很大以外，还会产生异常高温，首先将会引燃绝缘导线。例如使聚氯乙烯有机绝缘材料分解而释放出可燃气体与氧气化合而燃烧，并且沿着绝缘导线蔓延。其次还会进一步发展引燃其周围的可燃物甚至酿成火灾。电弧性短路，在短路故障发生时在短路点处导体并未焊接在一起，其间产生火花电弧，其电弧温度可达2 000～3 000℃的高温，会引燃绝缘导线的绝缘材料，甚至进一步发展引燃周围可燃物酿成电气火灾。

发生电弧性短路时，由于电弧阻抗较大，限制了短路电流，因此一般情况下过流保护装置不会动作，不能切断电源。电弧性短路将持续维持下去，有足够时间维持绝缘导体的绝缘材料和其周围可燃物燃烧酿成火灾且不易熄灭。发生金属性短路时，也会发生过流保护装置不动作的情况，其主要原因有：①选用保护装置的型号与线路长度、截面不匹配；②线路中接点过多，导致回路电阻过大。若线路中长时间有大电流通过，造成其绝缘损坏，多点发生短路，可进一步引发电弧性短路。

2）短路故障产生原因

低压配电线路和电气设备发生短路故障的主要原因是：

（1）绝缘导线使用时，由于环境条件不符合要求，在高温、潮湿和腐蚀气体等因素的影响作用下，使绝缘导线加速老化进程，绝缘性能降低甚至绝缘失效。

（2）低压配电线路和电气设备在运行中产生过电压，使绝缘导线的绝缘材料被过电压击穿失去绝缘性能。

（3）绝缘导线意外受到机械损伤造成断线，断线后的带电绝缘导线与另一带电导线搭接或者直接接触电气设备外露导线部分、外部导电部分或者直接接触大地。

（4）绝缘导线使用时间过长超过使用寿命，绝缘已经老化绝缘性能降低或者完全失效，从而产生严重漏电现象，造成各种短路故障。

（5）随意拉接临时用电线路，设计和施工不符技术要求又缺乏正常的维护和管理。

（6）施工安装和维护人员接错用电线路或者带电作业人为造成的绝缘导线短路。

3）短路故障造成的危害

低压配电线路和电气设备发生短路故障的主要危害表现如下：

（1）由于短路电流很大，根据电流的热效应绝缘导线的温度明显升高，将会超过绝缘导线的温度限值，加速绝缘老化进程，使其绝缘性能降低甚至完全失效。

（2）绝缘导线的连接部分，如接头、接线端子和插接件等，由于其接触电阻比较大加上短路电流通过，根据电流的热效应，其相关连接部分将会产生过热和异常高温，存在火灾隐患。

（3）在短路故障点，无论发生金属性短路还是电弧性短路，都将产生过热和异常高温，尤其对于电弧性短路，其电弧温度可高达2 000～3 000℃，存在严重的火灾隐患。

（4）对电气设备来说，由于短路电流很大将产生很大的电动力，导致带电导体的弯曲变形甚至遭到破坏，并且还有扩大事故的可能性。

（5）如果发生接地故障时，还将会引发人体遭受电击伤害的事故。

4）短路故障的防护措施

为了防止短路故障所带来的各种危害，应采取相应的防护措施，其主要防护措施如下：

（1）选用绝缘导线时，其绝缘性能应符合技术要求，特别是耐压和绝缘电阻两项技术指标应符合要求。

（2）对易受机械损伤的绝缘导线，应设置金属管（槽）或硬塑料管等机械保护措施。

（3）根据防火要求，在某些场合或部位，如古建筑的明敷线路、建筑物闷顶内的暗敷线路等应穿金属管（槽）或硬塑料管加以保护。

（4）低压配电线路干线和用电设备的电源线应设置短路保护装置，如低压断路器或熔断器。

（5）对于对地泄露电流所形成的接地故障应采取以下措施，来加以保护。

a.在低压配电线路的末端安装剩余电流动作断路器，其额定动作电流为30mA，动作时间0.1s。用以防止绝缘导体对地泄露电流所形成的接地故障造成对人体的电击伤害。

b.在低压配电线路的始端，即建筑物总电源的进线处安装防止漏电火灾的剩余电流动作断路器，当发生对地泄露电流所形成的电弧性接地故障时能及时切断电源。或者在某些建筑物或生产车间总电源进线处安装剩余电流动作报警器，当发生对地泄露电流所形成的电弧性接地故障时，能及时发出报警信号，提示工作人员及时检查并采取措施加以处理。

案例1：2007年7月26日，上海市松江区新桥镇一农民自建房因电动助动车充电过程中，连接充电器的移动接线板电源线短路，引燃周围可燃物发生火灾，造成6人死亡。

经调查，火灾发生当晚22时左右，居住在自建房内的邹某通过自制的移动接线板连接电动助动车上方悬挂的灯头插座对电动助动车充电器进行充电；充电器及接线板均放在电动助动车脚步踏板上。充电中，连接充电器的自制移动接线板电源线短路，引燃周围可燃物引发火灾，此时前端空气开关和分电表熔断器（铜丝连接）未能及时动作，以致引发火灾蔓延扩大，造成6人死亡，并烧毁烧损简易结构建筑50m²及其室内的全部家电、衣物等物品，烧损邻接的主体建筑内的部分家电、衣物等物品，直接财产损失52 090元。

2.过载故障

1）绝缘导线过载故障

在规定的条件下，绝缘导线连续工作且其温度不超过温度限值时的最大电流称为绝缘导线的允许载流量。如果绝缘导线中的工作电流超过其允许载流量称为绝缘导线过载。同样，对于电气设备来说，当工作电流超过其额定工作电流，则称为电气设备过载。

在低压配电线路的线路电压降允许的范围内，绝缘导线过载除了以绝缘导线的电流是否超过允许载流量来加以衡量之外，还可以以绝缘导线芯线的温度限值来衡量。当绝缘导线的芯线温度超过其温度限值时，则表明绝缘导线已经过载。绝缘导线芯线的温度限值，如表4给出的数值。

表4　绝缘导线芯线的温度限值

2）过载故障产生的原因

造成绝缘导线过载的主要原因如下：

（1）绝缘导线截面选择偏小，而实际的负载电流超过了绝缘导线的允许载流量。

（2）在低压配电线路上接入的用电设备数量过多，其总容量太大，其实际传输的电流和功率，已经超过了低压配电线路的承载能力。

3）过载故障造成的危害

绝缘导线过载将会带来一些危害，其主要表现如下：

（1）在低压配电线路上的低压断路器将会因线路过载而动作，切断电源起到过载保护作用；但同时却影响本不该停电的电力用户的正常用电。

（2）绝缘导线连接部分因为过载发热量增大产生异常高温，加速连接部分周围绝缘导线老化并引起火灾。

（3）绝缘导线长时间过载将会加速绝缘老化进程，使绝缘性能降低甚至绝缘完全失效。因此，过载故障进一步发展，有可能演变各种短路故障。

4）过载故障的保护措施

（1）在低压配电线路的主干线上和电气设备的电源线上装设过载保护装置，如热继电器、低压断路器等。

（2）电气照明回路或其他小容量用电设备回路也可以装设熔断器。

案例2：2009年11月27日，位于上海市浦东新区一房产开发基地二层钢结构待拆建筑发生火灾。火灾造成起火建筑二层钢结构部分变形，过火面积约520m²，烧毁内部分隔及施工人员床铺和其他生活用品，并造成4人死亡。

经调查，起火原因为待拆建筑二楼南侧东数第二间内靠近南窗西侧地面处，床铺下方盘绕的临时供电电缆因过载发热导致绝缘老化失效，最终短路起火引燃周围可燃物并扩大成灾。

从以上案例分析，绝缘导线连接部分因为过载发热量增大产生异常高温，加速连接部分周围绝缘导线老化可以引发火灾。另一方面，绝缘导线长时间过载将会加速绝缘老化进程，使绝缘性能降低甚至绝缘完全失效，有可能进一步演变成短路故障，从而引发火灾。

3.接触电阻故障

在低压配电线路和电气设备的连接部分，一般可以分为固定连接和可动连接。固定连接如导线的接线、电气设备的接线端子；而可动连接如导线的插接件，开关电器的动静触头、插头和插座连接等。

1）导线连接部分的接触电阻

由于连接部分在空气中受氧化和电化学的作用，使其接触面覆盖一层薄膜，该薄膜由氧化物、硫化物、气体和其他生成物组成，其导电性比较差，于是便形成了接触电阻。接触电阻的大小还受接触压力大小、接触面积大小、氧化和电化学效应大小及温度等因素的影响随时有所变化。接触电阻过大，称为接触电阻故障。

2）连接部分接触电阻过大的原因

造成连接部分接触电阻过大的主要原因如下：

（1）绝缘导线和设备的连接部分施工工艺质量差。如导线接头、设备的接线端子接触不紧密、连接不牢靠，因而接触不良，造成接触电阻过大。

（2）绝缘导线和设备的连接部分长期受冷热变化和震动的影响，使连接部分松动，因而接触不良造成接触电阻过大。

（3）绝缘导线和设备的连接部分受氧化和电化学等作用的影响，造成接触电阻过大。

（4）铜铝导线或母线连接时，未采用铜铝过渡板，铜铝导线或母线直接连接时造成接触电阻过大。

3）连接部分接触电阻过大造成的危害

由于电流的热效应，除了电流之外接触电阻将成为主要的影响因素，因此连接部分将过热和异常高温存在火灾隐患，在一定的条件下会酿成火灾。此外，如果连接部分连接不牢、松动，还会在该处伴有火花电弧产生。如前所述，电弧温度高达2 000～3 000℃，同样在一定条件下也会酿成火灾。

4）连接部分接触电阻过大的防护措施

为防止和减少导线连接部分接触电阻过大，应采取相应的防护措施，其主要防护措施如下：

（1）在设计和施工时接触电阻、机械强度和绝缘电阻等参数应满足相应的技术要求。连接部分的接触电阻应不大于该导线同等长度电阻的1.2倍；固定连接部分的机械强度应不低于原导线机械强度的80%；固定连接部分的绝缘应包扎良好，其绝缘电阻应与原导线相等，应不小于0.5MΩ。

（2）对于运行中的低压配电线路和电气设备其连接部分的温度不应超过温度限值，一般在40℃环境温度情况下，固定连接温度不应超过80℃，可动连接不超过75℃。同时还应指出，如果绝缘导线和设备中的电流尚未达到限值或额定值，而连接部分的温度却超过了温度限值，即表明连接部分接触电阻过大，应立即停止工作及时加以维修，使其恢复正常工作。

4.绝缘故障

绝缘故障是指由于低压配电线路和电气设备中的绝缘导线的绝缘性能降低或者绝缘失效，而导致不能正常工作的一种状态。

1）绝缘故障的原因

当绝缘导体由于使用时间太长出现老化或者受到腐蚀气体侵害，或受到电压冲击和受到意外机械损伤时，其绝缘性能明显降低，会产生泄漏电流。

2）绝缘故障造成的危害

泄漏电流可以发生在相线之间、相线对中性线之间和相线对接地导体或大地之间，后者通常称为对地泄漏电流。在低压配电线路和电气设备中的绝缘导体，如果产生上述三种不同通路的泄漏电流并且伴有火花电弧时，其电弧温度很高存在着火灾隐患。特别是对地泄漏电流引发电弧性接地故障的几率较大，因此存在着更大的火灾危险性。

3）绝缘故障的防范措施

（1）在设计和施工过程中，选用低压配电线路和电气设备的绝缘导体时，其绝缘性能的各项指标应满足技术要求，特别是耐压和绝缘电阻两项技术指标应符合要求。对易受机械损伤的绝缘导线，应设置金属管（槽）或硬塑料管等机械保护措施。

（2）运行时可以在低压配电线路上设置绝缘监测器，对其绝缘状态进行严密在线监测。

（3）在离线的条件下对其绝缘电阻进行测试，必须符合技术标准的规定，以保持绝缘导体的绝缘性能处于良好的状态。