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