浅论电气线路的短路起火和线路过载的防范

·获奖 浅论电气线路的短路起火和 线路过载的防范 王厚余 (中国航空工业规划设计研究院) 　　摘要: 本文论证了接地短路多、起火危险大的原 因, 提出防短路起火的重点是防接地短路起火, 防接地 短路起火的有效措施是在建筑物电源进线处安装带漏 电保护功能的断路器。例举了线路短路和过载的新危 险, 建议吸收各方面的电气专家对我国建筑物防火规 范中的电气部分进行补充和提高, 以有效指导我国电 气防火工作。 关键词: 短路　过载　漏电保护　电气火灾危险 性 近年来, 我国电气火灾与年俱增, 已接近火灾总数 的 30% , 居火灾的首位。电气火灾中又以线路短路火灾 居多, 约占电气火灾的 40% , 因此防电气火灾的重点是 防短路起火。笔者就如何从根本上减少电气短路, 短路 后如何不引燃起火等深一层的问, 不揣浅陋, 对此陈 述一些拙见。 1　短路起火主要是接地短路起火 我国长期以来在电气防火中认为如图 1 (b)所示的 电气导线间的一般短路 (相间短路、单相短路) 的短路 电流大, 起火危险大, 而如图 1 (a)所示的设备外壳的接 地短路的短路电流小, 起火危险小。而国外文献对此持 相反观点, 笔者在对北京电气短路火灾的现场中 也发现所谓短路起火大部分是接地短路起火。国际标 准 IEC 364 中将接地短路称作接地故障 (Earth fau lt) , 以区别于一般短路。它是指相线和大地、接地的金属管 道结构以及设备外壳间的短路。接地短路起火危险大 正是因为它的短路电流比较小。如图 2 所示的低压公 用电网通常采用的 T T 系统 (接地系统) , 在发生相线 与外壳或管道等短路时, 短路电流 I d 都通过两个接地 电阻 R A 和R B 返回电源。假设R A 为 108 , R B 为 48 , 则 接地短路电流约为 I d = U 0ö(R A + R B ) = 220ö(10+ 4) = 15. 7A。如此小的电流不足以使过流保护电器 (熔断 器、断路器) 及时动作切断电源, 它也不能使短路点熔 焊, 往往引起打火或拉弧, 其局部高温却足以引燃近旁 可燃物起火。 图 3 所示的 TN 系统 (接零系统) , 接地短路电流 虽不以大地为通路, 也容易发生接地短路起火。图中相 线和中性线的端子和接头 (a、b 两点) 的导电总是良好 的。而设备接地线 (PE 线)的端子和接头 (c、d 两点) 若 导电不良, 不影响设备运转而不易被觉察, 一旦发生外 壳接地短路, 将迸发高阻抗的电火花或电弧, 它限制了 短路电流使过流保护电器不能及时动作, 而电弧、电火 花的局部高温却足以引燃起火。 从以上分析可知接地短路比一般短路的发生几率 和起火危险大得多。其原因是导线对地绝缘总比导线 间的绝缘差, 有机械磨损的原因, 也有电效应的原因。 综上所述, 防范短路起火的重点应是防接地短路 起火。 图 1　接地短路和一般短路 图 2　T T 系统接地短路电流 以大地为返回通路 —31— 图 4　10kV 变电所内接地短路引起用户电气火灾电路分析 图 3　TN 系统 PE 线连接不良不易察觉 2　装用带漏电保护功能的断路器能 有效防接地短路火灾 　　防范接地短路起火在技术上并不困难, 通常是在 建筑物电源进线处装设带漏电保护功能的断路器, 它 只是在一般断路器内增加一零序电流互感器和一脱扣 器。当发生接地短路时, 接地短路电流经大地或 PE 线 而不经零序电流互感器返回电源, 使互感器检测出回 路剩余电流 (也称漏电电流) , 由脱扣器使断路器动作 切断电源, 从而防止了火灾的发生。它除原有的防短 路、过载功能外, 还增加了防电气接地短路火灾的功 能, 即使接地电弧小至几十、几百毫安, 也能及时动作, 有效地消除了最常见多发的接地短路电气火灾。 　　国际电工 IEC364- 4- 482 和 IEC364- 5- 53 对这一防电气火灾措施早有规定。为了防电气火灾, 国 外的供电公司对电源进线不装设这种能防接地短路断 路器的用户是不予接电的。我国消防规范对此未作规 定。配电规范 1995 年对此补充了规定, 一些低压开关 厂已开始生产这种对防电气火灾至关重要的断路器。 这一防火技术的推广无疑将有效减少我国电气短路火 灾的发生。 上述断路器是指一般塑壳断路器和微型断路器。 千安以上的框架式 (万能式) 断路器内用 4 个互感器组成的剩余电流保护, 由于互 感器变比过大和其铁芯磁饱和等原因, 其动作电流最小为 012I n ( I n 为断路器额 定电流) , 即 1 600A 的断路器当剩余电 流大于 320A 时才能动作, 因而, 它只能 防止接地短路引起的过流危害, 不能防 止接地电弧引起的电气火灾。 3　新出现的电气短路火灾危 险 　　由于城市中压电缆线路的增多, 国 外早已将中压网络 (例如我国的 10kV 网 络) 从不接地系统改为经小电阻接地系 统, 这就增大了接地故障电流。为保证用户安全, 国外 将中压变电所分设两个接地。我国现在也已开始了改 造 10kV 网络为接地系统的过程, 但变电所没有分设两 个接地, 这对 T T 系统用户而言增加了短路起火的危 险, 如图 4 所示。 图中 10kV 网络电源经电阻接地, 当 10kV 变电所 10kV 侧发生接地短路时, 短路电流 I d 流动路径如箭头 所示, 它在变电所接地电阻 R B 上产生电压降U f= I d· R B , 北京地区 I d 值较小, 为 600A , 现取R B = 48 , 则U f= 2 400V。此暂态工频过电压持续时间约 015 s 至 1 s, 直 至 10 kV 开关跳闸, 它沿图中虚线所示与变压器低压 绕组电压向量相加传导至 T T 系统用户, 使其设备绝缘 承受暂态工频过电压U s = U f + U 0 其值为 2 180V～ 2 620V。按 IEC364- 4- 442 标准的规定, 过电压持续 时间小于 5 s 时, 设备绝缘允许承受的工频过电压不得 超过U o + 1 200 V , 即 220 V + 1 200V = 1 420 V , 否则 绝缘有被击穿的危险。为避免用户设备损坏和短路起 火危险, 国外供电公司按 IEC364- 4- 442 规定, 将中 压配电变电所的设备外壳保护接地和低压中性点的工 作接地分开设置, 如图 5 所示, 从而切断U f 传导至用户 的路径。我国变电所的接地未采取此措施, 因此在一些 低压 T T 系统用户内就出现一新的短路起火危险—— 变电所高压侧接地短路引起低压用户的设备绝缘击穿 短路起火。在绝缘老化建筑物内这种起火危险性更大。 4　线路过载是电气短路的起因 我国电气火灾案例中常将线路的过载和短路并列 为电气火灾起因, 这可能是一个理论上的谬误。国际电 工标准 IEC364- 4- 43 将短路的后果定义为导体和连 接处的热效应和机械效应引起的危险; 而将过载的后 果定义为对绝缘、接头端子或周围物体造成损害 (不是 —41— 危险) , 过载不能直接起火, 它只是引起短路起火的原 因之一。 导线如持续靠近热源将使绝缘下降而导致短路起 火, 导线如持续过载也能使绝缘下降导致短路起火, 所 不同的是前者是由外部热源引起, 后者是由导线内部 热源引起, 将前者称作短路起火, 后者称作过载起火, 显然是不全面的。 图 5　变电所分设两个接地消除了用户 火灾危险的电路分析 5　线路过载防护中的隐患 国际电工标准 IEC364- 4- 43 对线路的过载保护 有如下要求: IB ≤ IN ≤ I Z (1) I 2 ≤ 1145IZ (2) 式中: IB、IN、I Z、I 2 分别为线路负载电流、过载保护整定 电流、线路允许载流量和保护电器的有效动作电流。按 上式, 线路允许短时间少量过载, 但对持续的少量过载 必须适量增大线路截面。 笔者认为按以上现时线路的过载保护中存在 以下一些隐患: 511　设计线路的载流量取值偏大 为满足上式要求, 前提是正确选用线路载流量值 和负载电流量值, 并留有适当裕量。但我国电气设计中 此二值的选用往往失当而偏于不安全, 为此常导致线 路过载。国际上权威性的线路载流量数值是 IEC364- 5 - 523 标准, 但我国还没有线路载流量的国家标准, 一 般电气设计资料的载流量数值偏大, 因此选用的线路 截面往往过小, 留下线路过载的隐患。例如, 在墙上明 敷一单相线路, 采用常用的 215 mm 2 铜芯塑料绝缘电 线配电, 按 IEC364- 5- 523 标准, 此回路的载流量应 为 26 A , 而按我国的设计资料, 这一回路的载流量却为 32 A , 高出 23%。没有正确的线路载流量数据, 何以保 证线路没有过载的危险。因此, 我国应尽快制定等效采 用国际标准的线路载流量标准。 512　线路负荷估算偏小 我国长期存在线路负荷估算偏小, 而导致线路过 载短路起火的问题, 这一问题尚未得到充分认识。现就 以住宅为例说明这一问题。住宅用电的特点之一是负 荷难以估算, 随着生活水平的迅速提高, 我国住宅用电 还将持续增长。根据国外经验, 必须对住宅用电增长给 予充分的估计, 留有足够发展裕量, 否则将给电气消防 安全留下无穷后患。笔者查阅了一些国内外住宅电气 资料和设计图纸, 现将北京、深圳、香港和日本二室一 厅的设计值列于表 1, 做一比较: 表 1　二室一厅用电参数设计值 参数 北京 深圳 香港 日本 每户估算负荷, kW 2 4 11 6 每户分支回路数 3 7 7 9 计算负荷电流,A 10 40 60 40 总开关电流,A 20 63 63 50 每户电源进线截面 (铜) ,mm 2 6 10 16 14 墙上插座数量 14 18 19 22 由表 1 可知, 北京住宅的设计容量, 从负荷发展观 点看欠安全。分支回路少, 线路截面小的后果是线路过 载, 而更换暗线线路是很困难的。插座数量少的后果是 乱接插座板, 乱拉临时线。这种压低线路容量的做法必 然导致住宅电气火灾和电击事故的发生。 6　新出现的电气线路过载事故 笔者常被询及一些新出现的难以解释的线路过载 事故, 试举二例如下。 例 1, 谐波电流引起的线路过载。过去认为三相负 荷平衡时中性线上电流相互抵消而接近零, 但现在常 发现三相负荷平衡回路中的中性线电流接近或大于相 线电流甚至被烧坏。这是由于电子技术的发展, 出现了 许多非线性负荷, 例如, 可控硅、微波炉、电子镇流器、 电脑等, 其负荷电流内有大量的多次谐波电流成分。三 相负荷平衡回路的中性线中 50 H z 的电流互相抵消, 但 3、9、15 等次的奇数倍三次谐波电流则不被抵消而是叠 加, 这就是中性线常常过载的原因。国外早已采用四芯 等截面电缆, 但中性线仍不免因过载而烧坏。美国的 《国家电气法规》(N EC) 已提出在某些情况下中性线截 面取为相线截面两倍的建议, 如果表决通过将写入 1999 年版的N EC 内。 —51— 　　例 2, 并联电缆中的线路过载。因大截面母排走线 不便, 一些工矿企业常采用多根并联单芯电缆代替母 排。而并联电缆中的一根常因过载而烧坏。这是由于电 缆的布置不对称, 使每根电缆的感抗不相等, 感抗最小 的一根单芯电缆分流最多而引起过载。这一问题我国 的配电设计规范参考国际电工标准和美国布线规程已 作出规定。 综上所述, 电气线路火灾的起因和其防范十分复 杂, 需要一本内容完整技术先进的电气防火规范来指 导电气防火工作。我国建筑防火规范中的电气线路部 分技术比较过时, 内容也欠完整, 不与国际标准完全接 轨, 难以适应现时电气火灾日趋增多的严峻形势。包括 电气线路火灾在内的许多电气火灾的防范涉及许多电 气理论问题, 建议吸收我国各方面的电气专家, 共同努 力充实和提高我国建筑防火规范电气部分的有关规 定, 从而最大限度地遏制我国电气火灾的发生, 为保证 社会安定经济发展做出应有的贡献。 作者简介: 王厚余, 研究员级高级工程师, 多年从 事工业与民用电气工程设计工作, 曾任中国航空工业 规划设计研究院电气专业主管工程师, 现为国际电工 委员会 ( IEC)《建筑物电气装置》标准中国归口委员会 及全国建筑物电气装置标准化委员会顾问, 北京市电 气防火检测工作组专家。北京市新外大街甲 8 号 22 栋 1 门 7 号, 100088 　联系电话: 010 - 62039071 　 62038836 (原载中国消防协会“面向新世纪消防学术研讨 会”论文集) 大面积可燃气体探测新技术 ——线型红外可燃气体探测器 张玺林　王文清　刘　凯 (公安部沈阳消防科学研究所) 　　摘要: 本文介绍一种利用红外光束探测大面积可 燃气体泄漏的新型可燃气体探测器——“线型红外可 燃气体探测器”, 对其工作原理作了分析和论证, 并简 要地介绍了“线型红外可燃气体探测器”的主要性能指 标及应用前景。 关键词: 可燃气体探测器　线型红外可燃气体探 测器　线型可燃气体探测器 目前, 国内外探测可燃气体泄漏的主要手段大多 采用“点型可燃气体探测器”, 在实际应用中发现, 该探 测器存在有寿命短、易中毒、探测面积小等缺陷。因此, 目前现场应用一般只限于在重点位置安放。能否寻求 一种新的方式, 更好的实现泄漏可燃气体的探测, 一直 是国内外科研工作者不断深入探讨和研究的重要课 题。 90 年代初期, 英国西格公司采用气体的光谱本征 吸收原理, 在国际上首次成功的研制了一种新型的可 燃气体探测器, 用于探测大面积可燃气体泄漏, 开创了 泄漏可燃气体探测技术的新纪元。为了填补我国在此 项技术领域的空白, 公安部沈阳消防科研所在国内首 次自行研制开发了“线型红外可燃气体探测器”, 并于 1998 年 8 月通过部级鉴定。该探测器基于气体的光谱 本征吸收原理, 采用双波段实现对可燃气体的探测。一 对探测器的最远探测距离可达 80 m , 探测灵敏度高、 响应速度快, 不会因某种气体中毒而损坏器件, 也不会 因可燃气体浓度过高而降低性能。由于系统采用了双 波段互补技术、信号窄脉冲同步分离技术、探测器工作 点自动调整技术, 最大限度的消除了灰尘、雨、雪、雾等 自然环境对系统工作的影响, 较好的解决了系统在较 恶劣环境下长期稳定运行问题。“线型红外可燃气体探 测器”的探测效率之高, 寿命之长, 性能之稳定是目前 “点型可燃气体探测器”不可比拟的。 1　“线型红外可燃气体探测器”的 工作原理 　　具有多原子结构的可燃气体分子, 都能引起强烈 的红外吸收, 并且都具有各自固定的本征吸收谱带。 “线型红外可燃气体探测器”的工作原理, 就是基于可 燃气体的这种本征谱带吸收特征。该探测器由发射器 和接收器两部分组成, 发射器发出的红外光束穿过被 监测区域后, 被接收器接收。当被监测区域出现泄漏可 燃气体时, 对应可燃气体本征吸收波段的红外光将被 可燃气体吸收, 从而造成该波段到达接收器端的光强 发生衰减, 在理论上, 可以证明该波段光强的变化量取 决于泄漏可燃气体的体积百分比浓度 (L EL ) 与该气体 所占光路长度 (m )的乘积。 111　“线型红外可燃气体探测器”的双波段探测原理 为了消除大气散射以及雨、雾、烟尘、大气湍流等 环境因素的影响, 在“线型红外可燃气体探测器”中采 用双波段探测的构思: 取测试波段为 Κ1, 参比波段为Κ2。在双波段的选取时, 测试波段位于所要探测可燃气 体本征吸收谱带的中心波段, 参比波段则要避开可燃 气体的本征吸收谱带。 —61—