低压配电系统电弧故障火灾防范

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发表时间：2021-03-06

火灾现状及电气火灾起因

据应急管理部消防救援局统计：2019年全年接报火灾23.3万起，亡1 335人，伤837人，直接财产损失36.12亿元；其中已查明原因的住宅火灾有52 % 系电气原因引起。

当发生电气火灾时有几个显著特点：高温、故障电弧、接地型电弧短路、接地故障电流值迅速增大。很多人认为，在配电干线回路装设了剩余电流动作保护器（RCD）或者是电气火灾监控系统（EFP），就已经能够有效监控和防范电气线路发生的火灾；其实不然，在工程实践中，往往有装设了电气火灾监控系统或剩余电流动作保护装置的配电干线回路仍然发生火灾的情况。

电气火灾监控系统中的剩余电流检测装置，其工作原理是基于检测相线与地线或中性线与地线接地型短路所产生的故障电流，是以三根相线与中性线电流矢量和为检测目标值，当检测到泄漏电流值超过报警阈值，则发出预警信号或由消防控制室控制切断相关回路供电电源，达到防范电气火灾的目的。而低压配电回路中，带电导体自身断裂或者因为接触不良产生的串联电弧或者带电导体（相导体与相导体、相导体与中性线导体）之间的并联电弧发生故障时，由于没有产生对地故障电流，剩余电流检测装置无法检测这类故障。电弧故障产生时，回路阻抗可能较大，使得故障电流低于配电线路上装设的微型断路器或者熔断器的脱扣设定值，保护电器不动作。因此，剩余电流动作保护装置、熔断器或小型断路器都不能有效降低电弧引起的火灾危险。从图1电弧故障对比断路器脱扣曲线可以看出，一部分电弧故障范围是在断路器脱扣保护曲线范围之外。

电弧故障防护

电弧故障的起因主要有以下几种，如图2所示。

当绝缘层破损或连接处不紧固，会出现局部热点，使导体附近的绝缘材料发生炭化并产生高温电弧，引燃周围介质，导致火灾的发生。此类型故障无法通过单一的电气参数进行判断，需要通过电弧故障检测技术检测电流和电压波形，在波形发生畸变并确认为故障电弧时应迅速断开，从而降低被保护回路发生电气火灾的可能。

如何判断电弧故障，首先要了解电弧故障的种类。按产生的位置不同，电弧分为串联电弧和并联电弧：

a. 串联电弧一般有两种成因：一种是由于振动等原因引起电极间接触不良、连接松动或接触处断裂，即点接触式串联电弧故障，进而形成间歇性电弧，电弧的间歇性燃烧会使导体的热量集聚，如果不能够及时散热将导致导体过热，进而引燃导体外层绝缘材料，引发电气火灾；另一种串联电弧则是配电线路年久失修导致线路被腐蚀氧化、电缆绝缘被炭化，或是连接端子锈蚀等问题，在绝缘体上形成了炭化通道，由此形成电弧燃炽，即为炭化路径式串联电弧故障。当低压配电线路中存在绝缘介质的腐蚀与炭化问题时，处于损坏断口处两端的起始电压幅值很低，据测量仅有几百毫伏，但是随着电线绝缘介质被逐渐氧化和腐蚀，损坏断口处两端的电压便会逐步升高，当电压幅值升高到几伏时，气体间隙便能够维持电弧稳定的燃炽，电弧产生足够的能量，进而引燃导体外层绝缘材料，最终导致电气火灾的发生。串联电弧故障受到阻抗负载限制，电弧电流一般略低于正常负载电流，这是它的重要特点。

b. 并联电弧故障是一种短路电弧故障，它的产生也有两个方面的原因：一方面是由于外力因素使相线与中性线之间的绝缘破损、开裂，进而造成相线和中性线之间的电弧故障，即点接触式并联电弧故障；另一方面是由于电线长期捆扎在一起，导线腐蚀老化导致相线和中性线之间的绝缘层出现炭化，形成炭化通道，进而导致两导线之间形成电弧，即炭化路径式并联电弧故障。这种情况在工程中经常可以看到，并联电弧故障的电流波形同样受到负载影响，但电流幅值要明显大于负载电流，并联电弧故障产生的能量也要大于串联电弧故障，很容易在故障点形成导电通道，使金属导体过热并引燃可燃物，甚至能够使金属电极发生熔化。它的特点是其电流幅值大于正常线路的负载电流，但可能达不到传统过流保护装置的磁脱扣阈值，有可能在回路切断前已产生了燃弧现象。

接地电弧也是并联故障电弧的一种。对于TN系统，由于接地电弧产生的故障电流是通过PE线流回电源侧，常用的剩余电流动作保护断路器（RCD）可以对此故障电弧提供保护。

电弧故障火灾越来越被人们所认识，更多的技术应用到电弧故障检测中，并伴随着产品标准的完善，市面上推出了电弧故障保护器（AFDD）。

需要电弧故障保护的场景

美国NEC 2017版210.12条要求住宅单元（如厨房、家庭娱乐室、餐厅、起居室、客厅等）的单相末端单相支路应配备电弧故障保护电器，并在2008年开始在全美普及并强制实施。IEC 60364 - 4 - 42：2010 + AMD1：2014 CSV《Low‑voltage electrical installations — Part 4 - 42：Protection for safety — Protection against thermal effects》推荐在睡眠场所、高火灾风险场所、火灾易蔓延场所及危及无法取代物品场所的交流末端回路加装电弧故障保护电器。

最新发布的GB 51348 - 2019《民用建筑电气设计标准》（以下简称《民标》）7.6.6条规定：宜在商场、超市，以及储存可燃物品的库房，人员密集场所的照明、插座回路安装AFDD。针对规范条款中的“人员密集场所”，《中华人民共和国消防法》、GB 35181 - 2017《重大火灾隐患判定方法》、GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》（2018年版）等文件、规范也有相关的定义，特指宾馆、饭店、公共娱乐场所、体育场馆，学校的教学楼、图书馆、食堂和集体宿舍，以及民用机场航站楼等面积较大、同一时间聚集人数较多的场所，涉及范围极广。《民标》13.5.5条规定：设置了电气火灾监控系统的档口式家电商场、批发市场等场所的末端配电箱应设置电弧故障火灾探测器或限流式电气防火保护器。

如何有效选择AFDD的应用场景，首先应从火灾危险性考虑。根据应急管理部消防救援局的数据统计，2019年居民住宅火灾数虽然只占总数的44.8 %，但造成的死亡人数占总数的78.3 %，远超其他场所亡人的总和，尤其是各类家用电器、电气线路等引发的火灾越来越突出。同时，随着我国人口老龄化的加快，火灾亡人的老龄人口所占比重已从2009年的29 % 上升至2019年的36.2 %，远高于老龄人口占总人口16.2 %的比重，而住宅火灾中该比例更达到42.9 %，瘫痪、残疾、精神病人等群体的比重达到44.3 %。由此可见，人员密集的睡眠类场所（集体宿舍、酒店等）和老弱病残（养老院、幼儿园等）的场所应尤为关注。

以集体宿舍为例，可选用具备电弧故障保护功能的MCB和RCBO来分别保护照明和插座回路（如图3所示）。如条件不允许或改造项目，可在原有MCB或RCBO后加装单独的AFDD，以降低电气火灾风险。

结语

完善的电气火灾监控系统，是有效防范低压配电系统中所产生的各种类型电气火灾的重要手段，作为专业技术人员，应该充分了解和掌握这些电气系统故障特点，采取有效针对性措施，防范电气火灾的发生。