降低分支電路電氣火災風險的措施與預防檢測

　　摘要： 通過對短路、連接不良和諧波等建筑物分支電路電氣火災成因分析，結合國內外實際工程中使用的工藝、裝置及檢驗儀表，為分支電路的施工、驗收、維修、維護提出建議，實現消除電氣火災隱患，提高用電安全性。

　　關鍵字： 電氣防火 分支電路 導線連接 測試

　　一、國之大事，死生之地，存亡之道，不可不察。 電是現代文明支柱，國家經濟命脈。發電、輸電、用電，任一環節出現問題，都會對國計民生產生重大影響。單就電氣火災一項，從公安部消防局近4年統計(表1.1)，問題嚴重性可見一斑： 表1.1 近年來電氣火災統計數據 全國火災總數 電氣火災比例(%) 2009年1-7月 8.28萬起 28.0%(居首位) 2008年 13.3萬起 30.1%(居首位) 2007年 15.9萬起 28.8%(居首位) 2006年 22.2萬起 26.1%(居首位) 2005年 14.3萬起 21.9%(居第二位) 相比之下，根據美國國家防火協會(NFPA)和美國消費類產品安全委員會統計，約9%的火災和7%的死亡是因用電造成的。日本每人平均用電是中國的8倍，而電氣火災只占火災原因的2%-3%。中國每年觸電死亡約8000人，電擊死亡率與法國相比是400:1。 分析造成這種狀況的原因，有技術的理論與實踐問題, 也涉及管理措施和體制的問題。我國現行電氣規范，源于前蘇聯電站部的《電氣裝置安裝規程》，該規程與國際電工標準(IEC)有很大不同，被總結成：“重發(電)、輕配(電)、不管用(電)。”與發達國家相比，對方更重視電氣系統的設計、安裝和管理來消除電氣火災隱患。例如，美國《國家電氣規范(NEC)》中涉及電氣防火的條款，都是由美國消防協會(NFPA)制訂的;對電氣火災隱患的檢查，設有獨立于施工和用戶的第三方檢測機構，其檢測報告是業主使用和保險公司承保火險的重要依據。 本文通過對建筑電氣火災成因的分析，結合國內外工程中使用的工藝、裝置及檢測儀表，為分支電路的施工、驗收、維修、維護提出一些建議，在預防電氣火災方面為用戶提供快速查明故障、消除安全隱患的手段。

　　二、視其所以，觀其所由，察其所安?――分析電氣火災原因 在燃燒三角形――火源、燃料、氧氣中，線路過載、連接不良和諧波產生的高熱就是火源。通過熱成像或紅外測溫技術，能快速準確地發現電氣線路中的高熱點(圖2.1)。《DB11/065-2000北京市電氣防火檢測技術規范》3.3規定：“電氣防火檢測應在電氣設備和線路經過1h以上時間的有載運行，進入正常熱穩定工作狀態溫度變化小于1℃/h后進行。”

　　但溫升只是表象，消除電氣火災隱患必須深入分析其成因，并采取相應措施，才能消除隱患。

　　(一)過載與防范 電氣短路是最嚴重的過載，50%以上的電氣火災由短路引起。短路分為：“金屬性短路”和“電弧性短路”。電氣隔離是防止不同電位導體間絕緣被破壞或絕緣強度下降引起短路的根本方法;安裝過載和漏電保護裝置，是防止短路危害蔓延的有效方法。

　　1. 電氣隔離的檢測 《GB50303-2002建筑電氣工程施工質量驗收規范》中規定，設備進場、安裝、工序交接時，都要對電器、裝置、線間、線對地的絕緣電阻進行測試，(3.2.10：燈具絕緣電阻值不小于2MΩ;3.2.11：開關、插座絕緣電阻值不小于5MΩ;18.1.2：低壓電線和電纜、線間和線對對地的絕緣電阻值必須大于0.5MΩ);《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》中還明確了測試儀表的電壓等級，“100V-500V的電氣設備或線路，采用500V兆歐表”測試。圖2.2是兩款典型的數字式絕緣強度測試儀，比傳統手搖式儀表操作更簡單，測試更精確。

　　2.短路的防范 單純的絕緣強度測試只能解決線路或設備“一時一處”是否安全的問題，無法作到“時時監測”，，因此需要在線路上安裝保護裝置。

　　(1)金屬性短路的防范 正確使用質量可靠的過載保護裝置，如：保險絲、熔斷器、空氣開關等，就能有效防止線路嚴重過載引起的火災。

　　(2)接地故障的防范 正常情況下，保護地線是不帶電的，因而斷線或接觸不良不能被及時發現。發生漏電時，不僅有電擊危險，還會出現打火或電弧，進而導致火災。由于接地故障電流量級在幾mA到幾百mA，不能依賴過載保護裝置進行防范，而必須使用“剩余電流保護器RCD”(國外稱：接地故障斷路器GFCI)進行保護。發達國家的用戶進線如未設置RCD裝置，當地供電公司將不與接電;《IEC1200-53 1994-10 593.3》規定，采用兩級或三級RCD裝置防止因漏電引起的電氣火災與人身觸電事故;我國《GB50045-95 高層民用建筑設計防火規范(2005版)》9.5中原則性地規定了對“漏電火災報警系統”的要求，但不是強制執行條款。

　　(3)帶電導體間電弧的防范 普通RCD不能對“相/零”間電弧性短路起保護作用。美國上世紀90年代，開始使用“電弧故障斷路器(AFCI，Arc Fault Circuit Interrupter)”(圖2.3)。AFCI的安裝與RCD相同，但觸發條件不同，它通過監測電弧特有波形、持續時間、頻率，實現對下游線路的長期監測與保護。 美國《國家電氣規范》1999版(210.12B)中最早提及此類裝置;2002版中規定，臥室中所有單相(120V)15A及20A回路都要安裝AFCI;2008版中進一步要求，在住宅所有(120V)15A及20A回路都要安裝此類裝置。遺憾的是，我國的工程規范中還沒有類似規定。

　　3.對保護裝置的檢測 無論RCD(GFCI)還是AFCI，都有疲勞、老化、失靈的可能。據統計，15%的RCD不能被正常觸發。因此，UL(Underwriters Laboratories)認證機構要求每月對RCD檢查一次;《GB50254-96 電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范》5.0.2.4規定，“電流型漏電保護器安裝后，除應檢查接線無誤外，還應通過實驗按鈕檢查其動作性能，并應滿足要求。”;《GB13955-2005漏電保護器的安裝和運行》7.3規定，“用于手持式電動工具和移動式電氣設備和不連續使用的剩余電流保護裝置應在每次使用前進行試驗”。但僅憑保護裝置上的測試按鈕對其進行功能驗證，存在兩點不足：

　　1) 裝置沒有顯示功能，不能提供觸發電流和響應時間，是否滿足指標要求，不得而知;

　　2) 裝置本身能觸發，不代表遠離配電箱的遠端插座或用電器處發生故障時也能可靠觸發。例如：保護裝置與用電器間的線路有高阻點，漏電信號無法被保護裝置檢測到，此時即使裝置本身正常也不能起到保護作用。 解決方法是在用電器(或插座)處“現場測試”。圖2.4所示儀表，能在安裝有RCD/AFCI配電盤的下游線路(插座)上模擬接地或電弧故障，驗證保護裝置能否可靠觸發，并顯示斷電響應時間。

　　(二)電氣連接不良與防范 電氣連接分為“固定連接”和“活動連接”。前者指設備端子與線路、線路與線路之間的永久連接;后者指開關觸點、插頭與插座間的連接。連接處的接觸電阻所產生的高溫、電火花會成為電氣火災的火源，有過載時，情況更甚。 1.細導線的電氣連接 《JGJ 16-2008民用建筑電氣設計標準》“表7.4.2”規定：“固定敷設的電纜和絕緣電線，電力和照明線路，銅導線最小截面積為1.5 mm2”;《GB50096-1999住宅設計規范》6.5.2要求，交流供電使用2.5 mm2導線。可見，接續細導線是普通商用和民用建筑電氣工程中最常見的施工環節。 但是《GB50168-2006 電氣裝置安裝工程 電纜線路施工及驗收規范》主要側重高壓(6kV以上)傳輸電纜的施工與驗收;《GB50303-2002建筑電氣工程施工質量驗收規范》中僅是導線與端子或設備的連接規范，而針對導線與導線，尤其細導線(2.5mm2及以下)的接續，沒有明確規定。規范的缺失，使導線接續成為最容易出現問題的環節。 我們不妨借鑒國外規范中的導線接續方式和方法，以美國《國家電氣規范》為例，110.14 B條款這樣規定：“(B)接合。導體應使用特定連接裝置接合或連接，或采用銅焊、熔焊、錫焊等溶化金屬或合金方法連接。焊接前，首先應將導線接合或連接在一起，以保證機械和電氣可靠性，然后再進行焊接。所有接合與連接點，以及導體自由端，都應用絕緣物覆蓋，或采用特定絕緣裝置達到同樣效果。導線連接器或用于導體直埋的連接(編接、插接、捻接、疊接、拼接等)安裝方法，都應列入此類用途。” 規范實際提出了兩種導線連接方式：“特定連接裝置”或“絞接后焊接”。

　　(1)絞接+焊接 這種連接方式的優點是：連接可靠，機械與電氣強度都有保證。

　　缺點是：

　　1)導線絞接后必須焊接，但在實際施工中容易被忽視或因施工條件限制無法實施，簡單絞接無法保證連接質量; 2)絕緣膠帶長期使用后可能松脫;

　　3)防水性能差或不防水;

　　4)不適于不易焊接的鋁線對接;

　　5)需要焊接工具，操作不便

　　(2)特定連接裝置 中國用戶可能對NEC中提到的“導線連接器”較陌生，但在歐美國家，導線連接器已被使用近90年了。由于早期制造材料是陶瓷，所以當時又稱其為“陶瓷連接器”(圖2.5)，后來業內都把此類部件叫做“接線帽”，

　　UL認證機構根據NEC、ANSI/NFPA 70規定，專門制定了UL 486C(接線用導線連接器)條款，明確了此類連接器適用線徑范圍、導線種類、導線材質、耐壓等級。 使用導線連接器除實現導線可靠的電氣連接外，還有以下優點：

　　1) 無需焊接;

　　2) 安裝過程中導線自然完成絞接，連接、絕緣一次完成;

　　3) 徒手操作，無需安裝工具;

　　4) 需要時連接器可方便地拆下，檢查接點情況，連接器本身也可反復使用;

　　5) 特殊設計的連接器能防水、防潮、防腐蝕。 導線連接器在安全性、適應性、可靠性等方面具有如此多的優點，所以發達國家的電工在細導線接續工作中已很少單獨使用絕緣膠帶了。

　　2.活動電氣連接 開關、插座是最常見的，由內部金屬簧片形成的活動電氣連接部件，通過材料和制造工藝保證觸點接觸面積與壓力。活動連接處接觸電阻過大就會造成高溫和打火(圖2.7)，兩側接線的絕緣層還會因高溫老化，引起短路。

　　3.電氣連接質量的檢查 電氣連接大多是隱蔽工程，簡單目檢很難發現問題。虛接和線損造成的壓降，只有在負載運行時才能顯現。《GB50052-95 供配電系統設計規范》4.0.4規定，“正常運行情況下，用電設備端子處電壓允許值在+5%～-10%之間”。“帶載壓降”超標說明：要么線路容量不夠，要么線路中存在故障點。 圖2.8所示儀表就是一款能仿真5A、8A、10A負載，實現快速測量線路壓降的工具;避免使用大功率假負載，使測量工作變得簡單、快速、安全、有效。

　　除測量壓降，預估線路帶載能力外，此儀表還能實現：

　　1)帶電測試相線、零線、保護地線阻抗，精確定位高阻點位置;

　　2)依據《GB50303-2002》中的強制條款(22.1.2)，快速鑒別插座接線方式――左零、右火、中間地;

　　3)測量電壓峰值和有效值，評估“波形系數”，衡量諧波情況;

　　4)現場測試RCD性能――觸發與響應時間，操作簡單到“只按一鍵”!

　　(三)諧波影響與檢測 非線性負載產生諧波，它會使功率因數下降和線路過載，成為電氣火災隱患。

　　(1)諧波使功率因數下降，線損增加。 圖2.9是典型的開關電源輸入電壓與電流波形，經傅立葉分析可知，電流中含3、5、7等奇次諧波，根據三角函數的正交特性，高次諧波功率為0( ， ……)。換言之，雖然非線性負載上的電壓與電流同相，但功率因數不等于1。諧波含量越高，功率因數越低，線損越大。

　　(2)諧波造成中性線過載 《GB50054-95低壓配電設計規范》2.2.6規定，“在三相四線配電系統中，中性線的允許載流量不應小于線路中最大不平衡負荷電流，且應計入諧波電流的影響。” 這是因為，如果供電系統含有3倍次諧波(3、9、15……等奇次諧波)電流，它們將在中性線上疊加(圖2.10)，嚴重時諧波電流甚至超過相線電流，造成中性線過載。

　　(3) 諧波的檢測 由于諧波影響易被忽視，維護人員在遇到諧波造成的過載時，往往誤認為保護裝置容量小，而更換更大的斷路器，給電氣火災埋下了隱患。圖2.11所示儀表能分析到50次諧波并能記錄各種電參數進行深入分析。

　　在不能獲得諧波詳細成份時，可依據“總諧波畸變率(THD%)”對諧波含量進行評判。《GB/T14549-93電能質量公用電網諧波》規定，低壓系統的THD%小于5%為正常。 由于諧波使交流電波形發生畸變(圖2.12)，導致交流電的“波形系數”，即：電壓峰值與有效值之比不再等于 。因此，通過計算“波形系數”也能了解諧波情況，數值偏差越大，說明諧波含量越多。表2.1中列舉了幾種典型波形的波形系數。

　　三、百戰百勝，非善之善者也;不戰而勝，善之善者也。 及時、快速、成功地發現和撲救電氣火災固然重要，但無論損失多小都是亡羊補牢。嚴格按照現有規范，借鑒發達國家先進經驗，正確選擇和使用施工零部件和檢測器具，不斷完善施工、驗收、維護和維修手段，實現不戰而驅火患，lfs200電氣火災監控系統通過對配電線路的剩余電流及溫度等電氣安全狀態參數的綜合在線采集，實現電氣火災狀況的在線監視、故障診斷及報警，可分析故障原因及狀態發展趨勢，準確及時發現電氣火災故障隱患，避免釀成重大電氣安全事故，有效防止人員傷亡及重大財產損失事件的發生。這才是對防范電氣火災的最高境界――防火患于未燃!