中國(guó)人民警察大學(xué)火災(zāi)物證鑒定中心

西安科技大學(xué)火災(zāi)物證鑒定中心

                            2019年4月9日

電氣系統(tǒng)故障引發(fā)建筑火災(zāi)的原因

Vytenis Babrauskas

火災(zāi)科學(xué)與技術(shù)有限公司     

9000-300th Place SE    Issaquah,WA 98027,USA

摘要：電氣線路或設(shè)備發(fā)生故障引發(fā)的火災(zāi)，在建筑火災(zāi)中占有很大比例，然而關(guān)于電氣故障引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理，一直沒(méi)有得到較為廣泛的研究。本文綜述了此方面公開(kāi)發(fā)表的研究成果，并指出了需要進(jìn)一步研究的方向。本文主要關(guān)注的是120/240V單相配電系統(tǒng)。通過(guò)研究也發(fā)現(xiàn)，關(guān)于此方面的系統(tǒng)研究還比較少，而且其中大部分都是日本學(xué)者的成果。

根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)（NFPA）最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]，1993-1997年，美國(guó)平均每年有41,200起住宅建筑火災(zāi)由電氣故障引發(fā)，造成336人死亡，1446人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失6.439億美元。這個(gè)數(shù)據(jù)中，包括一部分沒(méi)有查清具體起火設(shè)備的電氣火災(zāi)（譯者注：類似我們常說(shuō)的不排除電氣故障引發(fā)火災(zāi)），但不包括設(shè)備的電源線或插頭插座故障（引發(fā)的火災(zāi)）。41,200起火災(zāi)（電氣故障引發(fā)建筑火災(zāi)）占總建筑火災(zāi)的9.7%，位于12大起火原因的第5位；直接財(cái)產(chǎn)損失6.439億美元占總損失的14.4%，排名第二位（僅落后于放火嫌疑火災(zāi)）。美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理署（FEMA）發(fā)布[2]的1985–1994年早期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明了類似結(jié)果：在所有起火原因中，從引發(fā)火災(zāi)數(shù)量上來(lái)說(shuō)，電氣系統(tǒng)排名第5，火災(zāi)傷亡排名第4，財(cái)產(chǎn)損失排名第2。表1中詳細(xì)列出了各類電氣故障引發(fā)火災(zāi)的比例[1]。

表1 美國(guó)住宅配電系統(tǒng)引發(fā)火災(zāi)的原因

電氣火災(zāi)造成如此高的損失，并不是說(shuō)電氣系統(tǒng)的安全性不可靠。美國(guó)有2.7億人口，住在1億套住宅單元內(nèi)，平均每套住宅單元有5.4個(gè)房間[3]。這意味著每套住宅單元居住著2.7人，或每個(gè)人占用2個(gè)房間。假設(shè)每個(gè)房間有4個(gè)插座母片，插座母片的數(shù)量最多可以達(dá)到4×2×270×106=21.6億個(gè)。不可能所有的插座都插著插頭但估計(jì)有一半是插著用電設(shè)備的。對(duì)于這一半使用著的插座，假設(shè)一半插座與其他插座是菊花鏈狀連接，其中一半插座在使用狀態(tài)（譯者注：所謂菊花鏈狀連接，簡(jiǎn)單的理解就是一根電源線，連接一個(gè)有兩組以上插孔的插座板的連接。這種連接方式，各插孔的線路將可能會(huì)連接在同一根主線接點(diǎn)上，組成一個(gè)形似“菊花”的形狀。這里筆者想表達(dá)的意思是一個(gè)插板上往往有兩組插孔母片，這兩組插孔母片中一般有一組是使用狀態(tài)，因此筆者做假設(shè)的時(shí)候假設(shè)其中一半是使用狀態(tài)）。這樣，實(shí)際帶電的母片數(shù)量大約是總數(shù)21.6億的3/4，約16.2億（譯者注：沒(méi)有接用電設(shè)備的一組插座母片中連接火線的母片也是帶電的，因此這里的比例是3/4，這里筆者在做假設(shè)時(shí)其實(shí)忽略了一部分三孔插座）。根據(jù)NFPA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，4700起火災(zāi)是由于開(kāi)關(guān)、插頭和插座造成的，美國(guó)消費(fèi)品安全委員會(huì)（CPSC）[4]單獨(dú)統(tǒng)計(jì)了開(kāi)關(guān)故障引發(fā)火災(zāi)的數(shù)量，占到上述數(shù)據(jù)（4700起火災(zāi)）的30%。減去這些開(kāi)關(guān)故障引發(fā)的火災(zāi)，每年有3290火災(zāi)是由插頭插座故障引發(fā)。估算一下，這種故障率僅為3290/1.62×109或每年2×10-6。這個(gè)故障率非常低，說(shuō)明電氣插頭插片非?？煽俊ｋ姎庀到y(tǒng)故障引發(fā)火災(zāi)的問(wèn)題并不取決于每年每臺(tái)設(shè)備的故障率。相反，問(wèn)題在于建筑電氣系統(tǒng)中分布著數(shù)量龐大的電氣設(shè)備。每個(gè)設(shè)備都輸出能量，每個(gè)設(shè)備都有可能發(fā)生故障而引發(fā)火災(zāi)。

鑒于電氣系統(tǒng)故障引發(fā)的火災(zāi)，造成財(cái)產(chǎn)損失數(shù)量位居第二，人們可能會(huì)認(rèn)為，一定會(huì)有大量關(guān)于電氣故障引發(fā)火災(zāi)機(jī)理的研究。但事實(shí)證明，此方面的研究還比較少，且不系統(tǒng)。目前對(duì)電氣故障的分析，主要從以下方向開(kāi)展研究：

a.研究導(dǎo)致故障發(fā)生的具體行為或過(guò)失；

b.根據(jù)設(shè)備功能或其發(fā)生故障的部件，對(duì)故障進(jìn)行分類研究；

c.研究故障發(fā)生的基本原理。

雖然在重構(gòu)故障發(fā)生場(chǎng)景時(shí)，a和b非常重要，但是本文重點(diǎn)討論c。由于很多學(xué)者[5,6]已經(jīng)對(duì)a和b進(jìn)行了研究，對(duì)c的研究顯得非常重要。

通過(guò)對(duì)故障機(jī)理的分析，雖然存在各種各樣的引燃情況，但實(shí)質(zhì)上只有幾種主要的引燃方式可以引燃導(dǎo)線絕緣和導(dǎo)線附近可燃物的：

（1）電弧；

（2）電阻過(guò)熱，無(wú)電?。?/p>

（3）外界加熱。

有些引燃過(guò)程是幾種引燃方式綜合作用的結(jié)果，所以不應(yīng)該將其視為相互獨(dú)立的引發(fā)火災(zāi)的原因。

由電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)講，電弧可以分為串聯(lián)電?。▓D1）和并聯(lián)電?。▓D2）。有些學(xué)者認(rèn)為電氣線路中除了中性線外，還存在接地線，有可能存在第三種電弧形式，即接地電弧。但是從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)講，由于接地電弧發(fā)生時(shí)，不存在電阻，這種電弧應(yīng)該屬于并聯(lián)電弧的一種。應(yīng)該清楚這兩種基本類型電弧的區(qū)別。在串聯(lián)電弧發(fā)生時(shí)，電弧發(fā)生會(huì)降低電氣線路中的電流值。這種情況下，過(guò)流保護(hù)器可能不會(huì)發(fā)生動(dòng)作響應(yīng)。

產(chǎn)生電弧的原因有很多，但主要有以下幾種：

（1）絕緣炭化（尋蹤電?。?/p>

（2）外部作用導(dǎo)致空氣離子化（火焰或前續(xù)電弧作用產(chǎn)生）；

（3）短路。

圖 1 串聯(lián)電弧

圖2 并聯(lián)電弧

在120V電路中，如果出現(xiàn)炭化導(dǎo)電路徑，很難形成持續(xù)性的拉弧。有時(shí)將其叫做“穿炭拉弧”（arcing-across-char）。在電氣工程領(lǐng)域中，很多年前就已經(jīng)查明了發(fā)生此現(xiàn)象的機(jī)理[7]。絕緣材料之間形成炭化路徑并不是一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題。已經(jīng)證實(shí)不止一種方式可以產(chǎn)生此路徑。最簡(jiǎn)單的一種方式，是在有些標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中[8]，在絕緣表面直接產(chǎn)生電弧，如：將絕緣至于兩極之間，加高壓后產(chǎn)生。另一種作用機(jī)理是表面受到潮濕和污染的共同作用。這個(gè)過(guò)程有時(shí)叫做“濕式尋蹤”（wet tracking），在使用聚芳酰胺作為絕緣材料的航空導(dǎo)線上易出現(xiàn)此問(wèn)題[9]。表面潮濕和污染共同影響下，在絕緣材料表面產(chǎn)生泄漏電流，導(dǎo)致炭化導(dǎo)電路徑的形成[10]。

從產(chǎn)生尋蹤電弧難易程度來(lái)說(shuō)，各種絕緣材料間的差異較大。在120V/240V電氣線路中，多數(shù)導(dǎo)線的絕緣材料是PVC材料，但是對(duì)于預(yù)防尋蹤電弧來(lái)說(shuō)，PVC材料不是令人滿意的絕緣高分子材料[10]。Noto和Kawamura[11]已經(jīng)做了大量的關(guān)于PVC導(dǎo)線濕式尋蹤電弧方面的實(shí)驗(yàn)研究。在國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）60112標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中[12]，記錄了很多濕式尋蹤電弧引發(fā)明火燃燒的實(shí)驗(yàn)樣本類型。

PVC絕緣材料在200–300℃的熱作用下，逐漸發(fā)生炭化成為半導(dǎo)體材料。這就不奇怪，這個(gè)過(guò)程將導(dǎo)致泄漏電流發(fā)生，并拉弧。Nagata和Yokoi[13]發(fā)現(xiàn)，如果原始的PVC絕緣材料導(dǎo)線在略低于160℃條件下加熱，1mm厚的絕緣材料加載100V電壓，就足以引起絕緣材料燃燒。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果導(dǎo)線絕緣材料加熱至200–300℃，冷卻后再通電僅需加熱至較低溫度（從室溫到40℃），就會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 在100 V交流電作用下，預(yù)熱溫度和測(cè)試溫度對(duì)1 mm 厚PVC導(dǎo)線絕緣層引燃的影響

Hagimoto等[14]對(duì)電弧故障（并聯(lián)電?。┻M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他們認(rèn)為此過(guò)程是一個(gè)重復(fù)但是沒(méi)有規(guī)律的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)以下變化過(guò)程：

• 在炭化層最初有電流通過(guò)；

• 電流增加并產(chǎn)生局部電弧；

• 電弧導(dǎo)致金屬熔融并噴出熔融物；

• 一旦熔融物噴出，電流斷路；

• 持續(xù)的電流通過(guò)炭化路徑，從而再次產(chǎn)生較大電流。

這個(gè)過(guò)程不可以完全進(jìn)行重復(fù)。這些學(xué)者也對(duì)此過(guò)程中的電流波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)最高峰值電流可達(dá)250A，但出現(xiàn)次數(shù)非常少，電流波動(dòng)的峰值一般不超過(guò)50A。故障發(fā)生時(shí)，斷路保護(hù)開(kāi)關(guān)按照預(yù)期的動(dòng)作，需要較長(zhǎng)的時(shí)間。（當(dāng)然需要注意的是實(shí)際電流值取決于具體電路測(cè)試的電阻值）。

空氣本身具有很高的絕緣強(qiáng)度（除微小間距外，擊穿電壓約為3MV/m），但是如果氣體空間以某種方式發(fā)生電離后，擊穿空氣所需的電壓就會(huì)降低?；鹧婧颓袄m(xù)電弧就是兩種造成空氣電離的方式。如果在分布總線上產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)重的電弧故障，將產(chǎn)生大量的電離氣體。電離氣體經(jīng)一定距離擴(kuò)散后，一旦接觸另一個(gè)電路，易造成絕緣擊穿，就會(huì)在其他位置產(chǎn)生新的電弧[15]。Mesina[16]實(shí)驗(yàn)研究證明火焰將使空氣的絕緣強(qiáng)度降低，在火焰中空氣的絕緣擊穿電壓降至0.11MVm-1左右。但是，Mesina只研究了1600V以上的電壓條件。

在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中，火災(zāi)誘發(fā)電弧是最常見(jiàn)的電弧破壞形式[17]。導(dǎo)致其發(fā)生的原因，包括絕緣炭化、空氣電離或二者共同作用，但是目前并沒(méi)有針對(duì)120V電氣線路火災(zāi)誘發(fā)電弧產(chǎn)生現(xiàn)象的專門(mén)研究。

在電氣路線中突然出現(xiàn)低電阻、高電流的現(xiàn)象，此現(xiàn)象通常稱為短路。主要有兩種短路形式：

（1）黏連性短路（bolted short），金屬線芯之間，完全直接短接，形成較好的連接；

（2）電弧性短路（arcing short），金屬線芯之間接觸不是持續(xù)性的，以電弧方式產(chǎn)生電流。

對(duì)于黏連性短路，不僅僅是故障點(diǎn)局部發(fā)熱，而是整個(gè)電氣線路發(fā)熱。接線錯(cuò)誤易造成黏連性短路，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器動(dòng)作。引燃可燃前，斷路器通常發(fā)生動(dòng)作。事實(shí)上，室內(nèi)分支線路中，黏連性短路引發(fā)火災(zāi)是非常困難的[18, 19]。

兩個(gè)導(dǎo)體之間瞬時(shí)接觸，可產(chǎn)生電弧性短路。短路造成接觸部位的金屬熔融，并產(chǎn)生磁力，將導(dǎo)體分開(kāi)，導(dǎo)體之間產(chǎn)生的液態(tài)連接，也將斷開(kāi)。當(dāng)導(dǎo)體分開(kāi)時(shí)，出現(xiàn)電火花。在較大線徑導(dǎo)線上，可看到電弧性短路造成的表面凹陷痕跡；電弧性短路會(huì)整個(gè)熔斷較小線徑導(dǎo)線；在NFPA921中，用圖文的形式介紹了此類熔痕[20]。

在20A或規(guī)格更小的斷路器或保險(xiǎn)絲提供保護(hù)的電氣線路中，電弧性短路時(shí)引燃可燃物也是非常困難的。例如，Beland[17]用錘子擊打電纜、包鐵電纜和電纜套管，直至斷路器動(dòng)作；雖然有時(shí)，木質(zhì)纖維板的松散纖維可以點(diǎn)燃，但此種方式產(chǎn)生的機(jī)械火花是無(wú)法引燃木板的。另外，Kinoshita等人[21]用1.6mm2單股導(dǎo)線和1.25mm2多股導(dǎo)線，分別產(chǎn)生年黏連性短路故障，成功引燃了棉質(zhì)紗布。這次實(shí)驗(yàn)中，使的是用20A熱模型斷路器提供保護(hù)。當(dāng)使用20A熱/磁型斷路器提供保護(hù)時(shí)，無(wú)法引燃。

一些精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)揭示了短路引發(fā)的并聯(lián)電弧具有較強(qiáng)的引燃能力。Franklin[22]發(fā)發(fā)現(xiàn)，用對(duì)角切割器切斷電源線時(shí)，很容易引燃毛毯和紙張。以噴濺出銅熔珠的方式引燃。在這種情況下，在磁力作用下，導(dǎo)線分開(kāi)，黏連性短路只會(huì)持續(xù)很短的時(shí)間，隨后轉(zhuǎn)化成電弧性短路。在20A斷路器動(dòng)作前，在電源線上出現(xiàn)了30次此種短路故障。Nishida[23]發(fā)現(xiàn)，多股導(dǎo)線中的0.18mm的一股與另一根多股導(dǎo)線的一股連接，可引燃棉布和紙張(不包括PVC)。但是他認(rèn)為引燃可燃物是高溫的導(dǎo)線，而不是電弧作用。

電鋸切斷通電導(dǎo)線時(shí)，也可能引燃周圍熱慣性較低的可燃物。UL（美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室）做過(guò)一個(gè)“切紙機(jī)”實(shí)驗(yàn)，模擬電鋸誤切斷電源線事故。在實(shí)驗(yàn)中，放置在附近的粗棉布是可以被引燃的[24]。

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李陽(yáng)

就職于中國(guó)人民警察大學(xué)火災(zāi)物證鑒定中心，碩士研究生導(dǎo)師，主要翻譯摘要和研究背景以及全文校對(duì)工作。

李九霖

中國(guó)人民警察大學(xué)研究生二隊(duì)研究生，火災(zāi)調(diào)查技術(shù)專業(yè)，本文主要翻譯外界導(dǎo)致的空氣離子化至過(guò)電壓部分內(nèi)容。

王樸真

中國(guó)人民警察大學(xué)碩士，火災(zāi)調(diào)查方向，本文主要翻譯接觸不良至接觸不良引燃部分內(nèi)容。

楊雯

西安科技大學(xué)研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)，本文主要翻譯第二章綜合作用至第三章結(jié)論部分內(nèi)容。

蘇文威

河南省消防總隊(duì)火災(zāi)調(diào)查處工程師，從事火災(zāi)事故調(diào)查工作，負(fù)責(zé)全文校對(duì)工作。

楊漪

清華大學(xué)公共安全研究院博士后，西安科技大學(xué)安全學(xué)院消防工程系副教授，主要負(fù)責(zé)全文校對(duì)工作。

呂慧菲

西安科技大學(xué)博士，安全科學(xué)與工程專業(yè)，負(fù)責(zé)翻譯工作實(shí)施及全文校對(duì)工作。

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此翻譯是碩博士研究生學(xué)習(xí)的延伸，純義務(wù)勞動(dòng)行為。由于譯者能力水平有限，出現(xiàn)錯(cuò)誤在所難免，對(duì)所譯內(nèi)容存在異議，請(qǐng)查閱原文，歡迎大家多批評(píng)指正。