低压配电线路中的电弧故障与防控

低压配电线路中的电弧故障与防控 1 电弧故障是电气火灾主因 据公安部消防局 2005 年至 2010 年统计．我国电气火灾发生率均接近或超过 30％．高居各类火灾原因之首。 而据 2003 年至 2007 年国内重特大电气火灾起火 源统计 ． “电气线路引起火灾” 比例高达 58．44％，居首位 见图 1 。 美国电气火灾年度发生率虽然不到 4％[2] ．但对住宅建筑电气火灾的分析 E3] 表明在配电系统的各种设备或装置中，线路同样是电气火灾的主要原因，所 占比例高达 46．8％ ．如果将“电源插头线” 也计入在内，则故障比例高达 58．1％ 见图 2 。 --------- 美国消防数据中心 2003 年至 2005 年导致住宅建筑电气火灾的设备统计，美国 理想工业中国有限公司北京代表处， 高级工程师，全国建筑物电气装置标准化技术 委员会 SAC／TC205 成员．全国电器附件标准化技术委员会 SAC／TC67成员， 中国消防协会电气防火委员会成员。杨栋．男，乌鲁木齐市公安消防支队， 高级工程师。对占住宅建筑电气火灾 89％ 的起火源进行了分析 [3] ．从排名在前 5 位的起火源种类 见表 1 可知由各类电弧故障导致的住宅建筑电气火灾。 比例高 达 45． 5％。 ---------- 综上所述可知低压配电线路 包括电源插座与设备引线 的电弧故障是引 起建筑物电气火灾的最主要原因。中外电气火灾在相同的物理定律支配下．电气火 灾的起因具有值得研究的共性． 它给电气防火指明了方向 将防控配电线路电 弧故障放在首位 1 2 配电线路中的电弧故障 2．1 种类 低压配电线路中的电弧按其性质有“好”、“坏”之分。 所谓“坏弧”，特指“故障电弧”，它在电气系统中发生的时间与地点不 可预知。发生规模和持续时间难以控制，容易持续、发展、蔓延，最终造成设备与 线路损坏，直至导致电气火灾。按发生位置．故障电弧又可分为三类，即 a． 带电导体 相线与相线、相线与中性线 之间的电弧，也称为“电弧性短 路”。因电弧与线路上的正常负载呈并联关系．又称为“并联型电弧” b． 带电导电体与接地导体 如 PE 线、接地的设备导电外壳等 之间的电 弧．也称为“电弧性接地故障”或“电弧性漏电” c ． 带电导体自身断裂或因接触不良产生的电弧。因电弧与负载呈串联关 系．也称为“串联型电弧” ㈣所谓“好弧”． 是相对“故障电弧” 而言的，也称 “正常操作弧” 或“安全电弧”。在正常使用条件下．此类电弧不可避免或 很难避免。但其发生的时间与地点却可预知， 并可通过工艺手段控制其发生规模 和持续时间．在受控条件下不会造成设备或线路损坏．更不会酿成火灾事故 2．2 发生过程根据起弧过程 低压配电线路中的电弧可分为① 非接触电弧 不同电位导体间的绝缘 介质 或空气间隙 被高电压击穿时的电弧； ② 直接接触电弧 载流导体在分 断时产生的电弧；③ 间接接触电弧 绝缘材料表面或材料本身受环境影响．导 致绝缘强度下降后形成了炭化通道， 出现“爬电”、 “闪络”和“燃弧” 2．2．1 非接触电弧 在彼此绝缘的两金属电极上施加足够高的电压．电极间绝缘介质如空气 电离，形成击穿电弧。发生非接触电弧的最重要条件是电压值，实验证明对 10 mm 的空气间隙施加 3O kV 电压．才会燃弧但如果极间电压小于 300 V．则不论 极间空气间隙多小． 间隙都不会被击穿。 因此．对于安装符合要求且正常运行中的 低压配电系统来说．出现此类击穿电弧的可能很小 2．2．2 直接接触电弧 大气中的载流导体在断开过程中．总会经历一个接触面积很小的阶段．此 阶段电流密度很高． 造成分断处金属材料强烈发热以致汽化． 金属表面也会产生 “热电发射”现象。 导体开始脱离时形成的间隙很小． 电场强度极大． 电子在强 电场作用下形成“场强发射”。 具有足够动能的电子与间隙内中性介质点产生碰撞， 温度急剧增加 电弧温度高达 6 000 ～7 000 oC ．甚至 10 000 ℃ 以上 。气体分子 和金属蒸汽的电离态得以维持． 并形成稳定的导电通路． 电弧就此形成。只有当导 体间隙足够大或导体电流被切断时．电弧才会熄灭 此类电弧属于“串联型电弧”也称“分断电弧”．其起弧过程也被形象地 称为“拉弧” 实验证明．只要电压超过 12～20 V。被分断电流超过 0．25～1 A．就 会拉弧。以铜导体为例， 分断时最小起弧电压为堡。 最小起弧电流为 0．43 A．分 断 220 V 交流电路时，起弧最小电流为 0．5 A EsJ 。电弧一旦建立．维持 10 mm 长 的电弧只需 20 V 电压 [2 ．2．3 间接接触电弧不同电位导体间有机绝缘材料在外界 因素 如机械损伤、温度变化、阳光、盐类或油污等 影响下．其表面和内部绝缘 强度会下降．发生间接接触燃弧 a． 表面“爬电” 不同电位导体间绝缘材料表面上 的盐分或导电尘埃积累到一定程度时． 先是出现星星火花． 其热量会使绝缘材料表 面炭化．最终形成电弧 b． 内部“炭化通道” 不同电位导体间绝缘材料内部受侵蚀 而老化． 导致泄漏电流增加 电流热效应长时间积累 使有机材料炭化，形成导电通 路． 电弧随即产生上述过程中， 如果线路中出现雷电过电压或操作过电压．劣化的 线路绝缘极易被迅速击穿而建立电弧 2．3 配电线路电弧的危险性 2．3．1 火灾危险性大 电弧本身是等离子态的高温气体．只要故障点周围有可燃材料和足够的氧 气。必然引起剧烈燃烧。 低压配电线路中的非阻燃绝缘材料 如导线护套 极易 因此被电弧引燃 2．3．2 故障难以预知与检查 低压配电线路中绝缘与导体缺陷都是随机发生的， “坏弧” 出现的时间、地 点、大小都无法预知。低压线路安装多为隐蔽工程．即使明敷线路．也会由于 绝缘缺陷或炭化痕迹过于微小而无法识别．发生在绝缘内部的缺陷更是无从得 知。 凭借常规绝缘测试仪表测试．一方面受测试条件的限制 如停电检测 不能 及时发现问题；另一方面． 外界条件导致绝缘的老化与失效是动态的 今天测 试合格不代表明天仍然安全。 2．3．3 常规保护电器的局限性 出现电弧故障时．最行之有效的办法只有一个 断电 正确选用和安装剩余电流动作保护电器RCD，能防止“电弧性接地故 障”，但对于不产生剩余电流的“并联型电弧”和“串联型电弧”． RCD 则无能为 力。由于电弧性短路并不产生过载，简单采用常规短路、 过负荷保护电器都不能 实现及时断电 即使电弧性短路发展为金属性短路．保护装置启动．往往火灾 已经形成 3 配电线路的电弧防控 3．1 金属管布线的防火作用 如果能通过施工工艺．将故障控制在极有限范围内，且有效防止故障高温 引燃线路周围可燃物。 那么待线路中出现符合保护条件的剩余电流、过负荷电 流或短路电流时。 就可实现断电保护。 从某种意义上讲． 这是一种“欲擒故纵” 的做法 在已设置常规保护电器的低压配电系统中．采用与保护接地导体PE 可靠 连接的金属管布线，在很大程度上能实现上述要求 金属管内的