火调消防：美国电气火灾的研究现状

美国电气火灾的研究现状

Vytenis Babrauskas

火灾科学与技术有限公司     

9000-300^thPlace SE    

Issaquah,WA 98027,USA

摘要：

电气火灾是指由于电流通过或静电而直接引发的火灾，是最重要的建筑火灾类型之一。

就火势发展而言，电气火灾与其他类型的建筑火灾没有任何差别。但是，多数情况下，电气火灾引燃机理是非常特别的，这就需要有针对性的开展研究，揭示其具体引燃机理。电气火灾的相关研究非常重要，但是在英语为母语的国家中，没有一个研究机构长期从事该方面的研究工作。

在世界范围内，由于日本的深入研究，此方面得到了较好地发展。然而，日本的研究多数以日语出版发行，这就使英语国家的研究人员和工程人员无法了解相关内容。

为便于了解基本的电气火灾引燃机理，在已出版的《Ignition Handbook》中，首次用英语介绍了日本的重要研究结果，同时也介绍了英语发行的零散研究内容。这篇综述将介绍这些研究内容的要点。

通过研究现状的综述，发现在电气火灾引燃机理方面，仍存在诸多研究空白，有待深入研究。在美国急需开展电气火灾方面的系统研究工作，确定优先研究的课题。

关键词：电气火灾；电气设备；火灾调查；刑事科学；引火源；导线

1引言

首先，有必要明确一下电气火灾的概念。电气火灾不仅仅简单地指用电设备起火，而造成的火灾。例如：电炒锅加热食物油，引发火灾，常被认为是电气火灾，其实此种严格意义上不属于电气火灾。因此，电气火灾是指电流通过或静电引发火灾。

然后，应该知道电气火灾的重要性（指电气火灾在火灾总数中的占比）。最简单的方法，是查看美国的统计数据，但此时总会遇到困难。在NFIRS/NFPA的国家统计数据库中，火灾种类不包括电气火灾。其分类方法是依据引燃因素进行分类统计的，还有一种分类方法是根据引燃的设备类型进行分类。统计所有的引发电气火灾的引燃因素，见表1。在所有上报消防部门的建筑火灾中，电气火灾占16%。

表1 美国电气火灾原因统计数据（2002~2005年的平均值）

表2美国建筑火灾统计数据-电气设备火灾

注：因为雷击和静电不涉及具体用电设备，不包括这两类火灾。虽然雷击和静电火灾有一小部分数据已经被列入上述统计数据中，但是仍然没有关于静电火灾的可靠数据，数据显示1.5%的建筑火灾由雷击引起

NFIRS/NFPA数据库中，另一种火灾分类方法是根据起火点处的设备进行分类，例如：起火设备的类型。

这里应当注意，对于非发热设备，由于故障或其他原因导致线路或元件发热引发的火灾，应当属于电气火灾；而对于自身发热设备，比如烹饪器具、取暖设备，这些设备发热烤燃了附近的可燃物，不应当全都列为电气火灾。

也就是说，有一部分火灾是由发热器件直接引燃可燃物而引发的。

表2中列出了根据起火点处的设备，进行火灾分类的统计数据。在烹饪器具和取暖设备两种火灾分类中，包括大量的发热家电产品直接引燃可燃物的火灾。

烹饪器具火灾占火灾总起数的19%，预计仅有10%的该类火灾是电气火灾。取暖设备火灾占火灾总起数的12.4%，电气火灾占比也仅仅是10%。大约8%的电气线路火灾是由于灯具引发的火灾或可燃物距离太近引发的。这样，表2中的电气线路火灾应该减去8%。

在家电产品火灾分类中，衣服烘干机火灾约占3.2%，预计约3/4火灾实质上不是电气火灾，器具火灾中电气火灾的比例应有6.9%降到4.5%（计算方法：6.9-3.2×0.75）。

存在问题最大的是其他设备的分类。其他设备火灾占比约11.3%，有理由认为这种火灾多数是由于无法准确认定起火点而造成的。如果从表面数据看，实际上多数设备是电气设备，这些设备火灾可能被误认为是电气火灾。

因此，这里电气火灾的比例实际上要小一些。再者，根据设备类型的分类，在分类表格中，没有雷击这一类。据报道，大约1.5%的火灾是雷击造成的，所以设备分类列表中应该将其纳入统计。因此，根据设备分类的表格数据，考虑其他设备分类的相关内容，实际的电气火灾比例大约占18%–29%。由于表1中电气火灾比例是16%，相对于29%，电气火灾的比例可能更接近与18%。

（注：NFIRS是the United States NationalFire Incident Reporting System是美国国家火灾事故报告系统，NFPA921中认为NFIRS的报告不可作为调查报告，此报告仅是调查前有关火灾或爆炸事故的基本信息报告，详见NFPA921中1.1.1和1.1.2的相关内容。）

当了解国家统计数据的收集方式后，也就不奇怪为什么电气火灾统计中存在那么多的不确定性了。在许多火灾中，大多数专家或工程师都可以准确确定电气火灾的故障模式。但是提供官方统计数据的消防部门内，几乎没有这方面的专家。对于非专业人员来说，电气系统一般是疑难复杂的，因此，所有这些国家统计数据都是对实际非常粗略的近似。尽管如此，无论电气火灾占16%还是29%，它仍是一种应该给予高度重视的火灾类型。

由于静电火灾在火灾总数中占比非常小，因此本文不涉及静电火灾。然而，工业企业和农业生产中的爆炸或瞬间燃烧常涉及静电，这样使得某些领域对其比较关注。

电气火灾是一个非常值得关注的问题，但令人奇怪的是，在英语为母语的国家中，没有机构专门投入精力在此领域开展深入研究。除了19世纪70年代早期，NIST（美国国家标准技术研究所）进行过短期的研究外，几乎没有火灾安全领域的实验室开展过相关研究课题。

虽然CPCS（美国消费品安全委员会）和ATF（美国酒精、烟草和枪支局）已经做了一些电气火灾方面的相关研究， CPSC也公开过非常简单研究报告，但是仍然没有机构发表过相关研究论文。

美国的UL（美国保险商实验）和国际上的IEC（国际电工技术委员会）发布相关的电气安全标准。这些机构也没有发表研究论文，在本文最后将对此内容进行专门分析讨论。

日本更加重视电气火灾的问题，日本警察科学国家研究所在电气火灾方面已经开展了长期的研究工作。

日本的其他实验室和刑事科学研究机构也在积极地开展相关研究工作。但是，在本文作者编写的2003版的引燃手册（Ignition Handbook）出版前，除了个别研究外，多数日本的研究内容是不以英语发表。

引燃手册努力收集所有引燃方面的资料。在电气火灾领域，引燃手册是第一部广泛涉及日本研究内容的专著，其中也收集了世界其他国家电气火灾方面的研究资料，是第一部广泛涉及此方面信息的知识手册。

鉴于此，此书适合用于了解研究较为成熟的领域，并将其作为参照，与研究匮乏或不成体系的领域进行对比。为了版面简洁，本文不再单独引用日语发表的相关论文。读者如果需要这些参考文献，可以查看文献[3]（引燃手册 Ignition Handbook）。

在电气火灾研究方面，几乎所有公开的研究，只涉及低压配电系统，如：民用和商用建筑中的100–240V电气线路。

查阅电气工程相关文献，虽然已有大量针对中高压电气线路电气故障机理的研究，但是很少有研究涉及中高压电气线路中故障的引燃能力的相关内容（根据美国相关标准，601V–15kV是中压，15kV以上是高压）。

由于高压系统相关研究内容的缺乏，本文重点介绍100–240V低压电气系统。反过来说，即便中高压电气系统故障和火灾可能会出现令人惊奇的现象，但是值得注意的是，它在电气火灾中所占比例较低，火灾造成的影响也较小。

2  电气火灾的机理

对于理解电气火灾的机理，表2中的统计数据并不是特别有用，因为故障设备自身并不能揭示故障的本质。

表面上看是根据故障发生机理统计，如表1。

但几乎所有消防统计报告都是由没有电气科学背景人员完成的，所以（表1）依据的数据并不准确。

因此，需要投入精力，去收集来自此领域技术专家统计的相关数据。本文中，将根据两种不同方式分析这些事故：

（1）电气故障引燃的机理；

（2）引起故障发生的诱导因素。

非专业人员一般认为只有两种引发电气火灾方式——短路和过负荷，但实际上并非如此。

根据作者的经验和与众多鉴定专家、电气工程师的交流情况，电气火灾机理的相关问题，

见表3。

关于非专业的观点，本文提两件事：过负荷很重要，但并不是最主要的原因之一; 同时，“短路”不仅局限于一种引燃方式。

实际上，短路可通过击穿空气放电、过负荷、迸溅熔珠和其他可能的方式引燃。在任何时候，短路都不是电气火灾的主要原因之一。

表3 根据重要性对引发电气火灾的机理进行排序

2.1  接触不良

在专业领域中，普遍认为接触不良（连接点过热或发光）是电气火灾的最重要的原因之一。

用电设备的供电线路中，有许多带电的连接点，并且设备也包含许多连接点。

连接点接触不良，任何一个点都可能发生故障，如果连接点周围存在可燃物，故障就可能导致火灾发生。

连接发光是连接过热的极端情况，当金属连接表面之间的接触非常差，以至于可以看到发光（图1）。

发光连接处的温度可以超过1200℃。当然，此温度是高于纯铜的熔点的，此最高温度发生在氧化铜上，而不是原始的金属铜上。

图1铰接接头由于未拧紧出现故障；接头塑料绝缘外壳

已经熔化脱离，仅留下小肩膀，

内部螺旋弹簧受热作用（Jesse Aronstein拍摄）

作为接触不良的其中一类，日本研究者记录了一个吸引人的“Cu₂O形成的过程”[5,6]，在此过程中铜本身保持在相对较低的温度，但是产生的氧化物发出亮光并以蛇状的方式蜿蜒曲折（图2）。

然而，对于接触不良，连接点发热，甚至引发火灾来说，亮光和Cu₂O的出现都不是必须发生的。

在国内的室内电气线路中，过热连接点的功率不高[3,6]，一般为10–50W，但当集中在小区域时，足以点燃可燃物。导致连接发光不需要多大电流，在120V电路中，发现最低0.3A时就可以出现连接发光。

图2 Cu₂O形成过程（Yasuaki Hagimoto拍摄）

在某些情况下，不良连接是在无意间出现。最常见的是，当钉子或图钉刺穿导体时，不良连接就会出现。

在其他许多国家和北美大部分地区，在室内分支配线中，允许使用塑料护套线，不加装金属外壳。

虽然这些故障并不像推测的那样普遍，但此类导线特别容易发生这种故障。

在这种故障中，当钉子或图钉刺穿导体时，会出现两个接触点，铜和钢、钢和铜。实验室中制备的此故障，如图3所示。

图3在实验室中用钉子刺穿绝缘和分叉带电导线的方法制备的接触不良故障（RichardBrugger拍摄）

接触不良之所以是一个严重问题，部分原因是由于其难以被发现。

如果通过极小的电流，连接发光处造成的电压降很低，一般在为2–5 V，这个电压降将很难检测到。发光连接是一个非纯电阻元件，电压随着电流增加而减小（纯电阻元件的特性是电压与电流成正比）。

非专业人员进行安装电气线路，是造成接触不良发生的主要原因，同时设计制造缺陷也是造成接触不良的常见原因。

在美国，20世纪70年代早期，提出在室内分支配线中使用铝导线。

由于金属自身原因，在这种布线中，导线连接点几乎不可能安全可靠（对于用于进户线的大线径铝导线，不会出现该问题）。

这是美国在少数领域已开展的大量实验室研究之一。

CPSC赞助NBS（现NIST）和其他机构进行项目研究，内容详情见[3]。

庆幸的是，非常早的发现此种连接具有严重的引发火灾的危险性，并发出了警报，随后在20世纪70年代末，铝导线就被停止使用。

“背接式，插入式”插座是另一类易产生接触不良问题的电气元件。

类似的情况，由于“推入式”连接器接触不良（图4），造成许多设备火灾的发生。

这些连接件既不需要焊接，也不需要螺钉紧固，因此作为一种经济型制造技术，被广泛使用。

但是由于正负极间的受力不足，它们可能出现故障。许多导线是通过挤压的方式连接的，并且挤压本身也可能形成接触不良。由于磨损或长期不良挤压，导致接触不良的发生。

图4火灾后故障接触点腐蚀痕迹特征；火灾由恒温器

推入式故障接头引起（Vytenis Babrauskas拍摄）

火灾后，可以通过查找异常腐蚀点，确认发生过接触不良。

铜、黄铜或类似表面的腐蚀与温度有关，如果环境条件不那么恶劣，同时对所有的铜造成破坏，就会出现接触不良的连接点腐蚀不断积累，而良好的连接不会出现腐蚀。

火灾会产生高温，但在设备中任何较小空间内，火灾温度往往差不多。

因此，如果发现一个连接点严重腐蚀，而附近的连接没有被腐蚀，就有理由将此连接点作为火灾的潜在原因进行调查（图4）。这个领域有很多实验研究的可能性，但此领域的研究非常缺乏。

2.2炭化路径短路

炭化路径电弧一般被认为是“寻踪电弧（arc tracking）”的同义词，尽管严格地说，后者所指范围更窄，且仅指由于电流通过，自身产生的炭化路径。

炭化路径也可以通过外加作用产生，例如，在物质上方，施加热源加热物质。在极端情况下，火灾加热绝缘，导致其炭化。

通常，炭化路径电弧是一种常见引发火灾的机制，但是研究不够深入。

1937年，德国教科书[7]中提到炭化路径引发火灾的原因，并且1948年出版ASTM标准中也有涉及。

但是，在文献中，没有从很多方面解释这种机制。

炭化路径电弧通常细分为两种类型：潮湿路径和干燥路径。

如果两相导线间，横穿绝缘形成潮湿、受污染的路径（蒸馏水不会发生潮湿路径电弧），潮湿炭化路径电弧就会出现。

干燥路径不太常见，在没有水分的情况下形成炭化路径。测试这种情况的标准方法是在绝缘表面上施加电弧，确定这种路径是怎样形成的。

众所周知，表面电弧放电，常见的电火花，是低温、低能的现象，但是，如果这个过程持续不断，不受限制，最终导致两个导体之间的空气充分拉弧，且后者将具有高温和相当大的破坏性。

许多已发表的研究都是使用标准化的国际电工委员会（IEC）或ASTM实验[9,10]测试进行的。但是，这些测试与真实电缆的性能几乎没有关系[14]，特别是IEC 60112测试[9]，具有误导性。如图5所示，尽管为PVC绝缘材料，IEC 60112测试提供了乐观的结果，但100 VAC作用到PVC绝缘电缆很容易产生潮湿路径。

图5 100V作用下日本PVC绝缘护套线内部潮湿

电弧路径（Yasuaki Hagimoto拍摄）

日本研究者发现了最不寻常的电气现象，在湿度很低的气氛中，PVC绝缘材料会自发产生潮湿路径，从而导致绝缘装置发生故障[14]。

这是因为碳酸钙（CaCO₃）普遍用作绝缘填料，会逐渐分解。当受热温度适中（长期暴露115–120℃，短期暴露165℃）时，PVC与CaCO₃发生化学反应，产生氯化钙（CaCl₂）。它具有很强的吸水性，可以在表面形成水膜。因为随着PVC热降解，HCl也会释放出来，这种薄膜特别容易产生电弧路径（如图6）。

图6 PVC插头故障由于自发诱导产生的潮湿电弧路径造成（Kiyomi Ashizawa拍摄）

通常认为，如果在电气线路上发现电弧熔痕（arc beads），则表明发生了寻踪电弧（与直接短路不同）。但是，没有研究是关于在此种故障机理下，实际导线产生的电弧，对金属线芯造成破坏。一些学者研究了在特定类型的塑料绝缘中，引起寻踪电弧所需的最小电流值[3]，

但是他们的值有很大不同，并且不知道测试条件对结果造成何种影响。

同时有一个疑问，是否存在最小功率限制，低于该值将排除在特定塑料绝缘中，产生寻踪电弧可能性。

同样，文献中没有对这一点进行说明。不同的塑料绝缘，产生寻踪电弧趋势不同。产生寻踪电弧，材料肯定要发生炭化。

因此，热固性塑料，芳香烃聚合物或含有交替双键的那些材料更易于发生。没有任何一种塑料，甚至是熔化高分子材料，如聚乙烯，可以防止寻踪电弧发生。

许多标准测试方法将特定电压值对应特定材料，低于该电压时，认为寻踪电弧不发生，或者发生可能性较小。这些值通常为几百伏，但实际上，寻踪电弧一直是汽车工业中的一个严重问题，其中电压远低于设想的这些测试分类（如图7）。

图7 汽车点火开关（普通为直流12V设备）的寻踪

电弧故障（Chris Bloom拍摄）

炭化路径电弧必须与电气工程师所说的“表面闪火”进行区分。这个术语与火灾科学中众所周知的室内轰燃无关。因此，它指的是沿着材料表面产弧的过程，该材料绝缘性不好，如：绝缘的电阻率不高。一般仅在中、高压装置中关注此问题。

2.3击穿空气放电

用电弧引燃材料非常容易，尤其是“易燃”型材料。然而，在240V及以下的电气线路中，击穿空气放电通常是另一种现象机理导致的最终结果，而不是独立现象。

因为240V电气线路对应于Paschen极限值（340 V峰值= 240 V rms），对于固定电极，240 V（rms）时不会出现电弧。然而，低至几伏时，也有可能发生线路电弧，如：打开电路，引起“断弧”。某人或某物将两根导线短接在一起时，电气线路可能就会断开。

此时，由于磁场的作用和金属的加热和迸溅，短接在一起的导线将分离，在此处产生预期电弧。接触不良连接断开时也会产生电弧放电，或者作为寻踪电弧的最终表现形式。

最低可能电流条件下，电弧温度约为6500 K，电流逐渐升高，电弧温度上升至数万开尔文（图8）[3]。

6500 K高于任何可燃物的燃点。但这并不意味着如果一个电弧接触这种物质，它就会被引燃。没被引燃的原因至少有两个：

（1）固体物体从电弧中获取热量，并散失，则电弧可能会熄灭；

（2）材料可能被燃烧得太快而无法点燃。研究电弧的未引燃将有助于实验研究，但没有这样的研究。

图8电流与电弧温度关系图

2.4过负荷和过热绝缘

这两种情况也适用于电流超过导线或线缆的额定电流的情况。导线或线缆在通过电流时，其温度的上升，取决于多种因素，主要有：导线或线缆的结构、流过的电流值，以及自然对流冷却。

后者与几何结构、自然对流的减小等因素有密切的关系，特别是导线或线缆的绝缘材料关系更大。

用电器在安全使用时通过的电流的大小称为额定电流。

在电气规范和手册中，显示额定电流。

但是如果实际的安全条件对流冷却与手册中规定值的标准环境出现偏差时，额定电流经常被错误解释或使用。

在没有过热绝缘的情况下，300%–700%过负荷的短暂实验就可以引起燃烧。这是种非常严重的过负荷情况，一般不常见。

然而，长时间过热会造成绝缘的持续降解，程度较轻的过负荷也可以引起燃烧，而目前还没有过负荷持续较长时间研究的报告。

对于发生火灾来说，过热绝缘可能更普遍。由于对于新手来说，过热绝缘不是显而易见的故障，这种故障就很容易造成危险的发生。

对于布置在建筑墙体内的NM型导线，目前美国的相关电气规则条款并不完善，但这几年此方面也得到了重视。

一个国外工程师发现，在没有用塑料板覆盖的地方，墙中穿过导线的某些部分出现了炭化。

根据测试实验，发现断路器的型号匹配时，如果断路器允许最大电流持续多个小时，90℃额定温度的导线也有可能出现过热的情况。

在墙洞内布置多根导线穿过或有其他绝缘的情况下，如果此时导线负荷较大（没有达到断路器跳闸的程度），严重过热现象就会发生。

过负荷常被简单的认为是负荷增大。在负荷正常的情况下，如果电压过高，同样也会出现过负荷的情况。中性线浮动、雷击、电压冲击、不正常波形介入（谐波失真或谐波过载）（谐波是指对周期性非正玄交流量进行傅里叶级数分解得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波）

杂散电流是造成过负荷故障出现的第三种方式。电流只要流过非预期路径时，杂散电流就会出现。非预期路径不是为了流经电流而设计的，如果电流过大，可能造成火灾发生。如图9所示，带电房屋是一种极端情况，房间的金属壁板、钢丝网，以及金属构件意外带电。

图9 房屋外部金属石膏板由于接触带电物体被烧损（Al Graps拍摄）

2.5热颗粒飞溅

过负荷非常严重，以至于可以使导线熔化，如：短路故障，通常会喷溅出热颗粒。如果发生故障短接（电弧性短接，而非黏连性短接），熔化区域一般集中在短接处，热颗粒（迸溅熔珠）就会从此处喷出。熔化的金属颗粒可以引燃易燃物或其他可能的可燃物（见图10）。

这些颗粒是炽热的，即使不是炽热的，高温颗粒也可能引燃周围可燃物。虽然热颗粒引燃造成火灾发生较为常见，但除了最近的一篇文章外，并没有发现其他实验室关于此的相关研究内容。在有些情况下，由于首先考虑源发性故障直接引燃可燃物，导致后续才会考虑迸溅熔珠的引燃。

图10 故障插座中喷溅出的高温颗粒

2.6固体和液体绝缘的绝缘击穿

在高压环境中，这种机理引发的火灾较为常见，但是在普通建筑的电气线路中，此种火灾较为少见。液体绝缘常用在高压变压器中，绝缘击穿会导致变压器爆炸。

虽然关于电容中液体绝缘故障的研究非常少，但是有些电容中液体（更准确的说是凝胶）绝缘，是可能出现爆炸性故障的。固体绝缘多数情况下是指某种类型的塑料。在低压系统中，考虑到线路电压，没有关于预防绝缘击穿的安全措施。但是电压波动可能导致绝缘击穿，从而引发火灾。如下所述，当绝缘层非常薄时，即使没有高电压波动，也会发生火灾。典型例子如在机械作用时，电线电缆受到挤压，绝缘发生蠕变。在重型设备下的导线可能出现这种情况，过度装订的钉子，没有刺穿导线，但是严重挤压了绝缘。

2.7其他机理

还有很多由于电气故障引发火灾的机理，但是不常见。这些机理包括：树突增长（现在自动化领域中非常少见）、锡须、不定电池以及氢爆炸。

后面两种情况发生在潮湿环境下。在化学条件允许的情况下，产生湿电池行为，就会产生电流。处于潮湿环境的直流电气线路，电解产生氢气，有可能聚集而发生爆炸。后者不仅仅是理论分析，虽然非常罕见，但实际也发生过。

3 电气火灾的诱发因素

虽然仍没有关于诱发因素的广泛深入统计数据，但是也存在一些零散的研究内容。Hall研究分析了105个居民火灾中的诱发因素。CPCS扩展了此研究的范围，对诱发因素做了总结（见表4）。

但是，这些研究仅限于居民建筑的电气线路方面。通过分析诱发因素，可以看到一大部分是关于诱发接触不良的行为，还有一部分是诱发过负荷的行为。在这些情况下，根本原因是人们不具备安装、使用和调试电气设备的能力。但是，有些诱发因素是值得深入研究的，我们也将对这些领域进行深入研究。

表4 CPSC研究的电气系统火灾诱发因素分析

3.1机械损坏

奇怪的是，在CPSC诱发因素的列表中没有机械损坏，但是根据实践经验，这是一种非常重要的诱发因素。在这个方面，日本也做了大量的研究工作。由于机械损坏造成火灾中，最常见的原因是导线或插头连接处受力反复作用。

发生此种情况的一种方式是床架、桌腿或类似重物反复撞击插头。当导线多股都断开了，仅剩一股即将断开时，火灾就会发生。日本学者研制发明了线路缺陷自动实验装置，并进行了一些基本的热传递方面的研究。这是一种机械破坏机理，已经受到了实质性的重视。然而，这种值得称赞的研究并没有完全解决实际中的现实问题，因为这些实验研究得出：

a)直到最后一股断开，火灾都没有发生；

b)通过的电流应接近额定电流；

c)造成故障需要上千次的旋转周期。

然而，实际火灾调查中，以此种机理引发的火灾所需要的条件，与实验室模拟截然不同。除了最后一根连接的问题，机械损坏还有很多其他形式，其他多数都没有进行针对性的研究。

3.2 电压冲击

在作者调查的各类火灾中，发现许多情况下，上述诱发因素看起来没有发挥主导作用。因此，有必要寻找其他信息。在北美居民和商用建筑的电气线路中，使用聚乙烯，PVC作为绝缘材料。这样就带来一个问题：为了解释这些火灾的发生，PVC绝缘击穿的相关内容是否需要了解？

最近（2006年）的一篇文章揭示了此方面的研究内容。令人震惊的是，这此领域中第一篇试图从细节上解释PVC导线绝缘引燃的论文。在此研究中阐述了两个重要观点：

(a)电压冲击最可能是造成多数无法查明电气线路火灾的原因；

(b)PVC的绝缘等级，实际诱发故障温度非常低。温度的问题将在后面讨论。电压冲击不仅造成电子设备出现故障，也会造成线路出现问题。在薄弱点处，线路绝缘就会出现问题，例如：生产缺陷或扭点。但是PVC的研究表明，已知的击穿电压和极间间隙的关系，PVC的击穿电压应该超过8kV；对于更感兴趣的低压情况，这个关系并没有具体说明。

PVC的研究也说明，UL和IEC制定电气安全标准时，缺少对冲击电压引燃的足够测试。应该阻止6kV以上的电压发生，因为超过这个值的电压无法得到保护（6kV是一个特征值，超过这个值所有的建筑线路都会出现故障）。标准制定时，实验仅测试到1400V左右。

冲击电压达到6kV时是需要提供保护，这并不是作者妄下的结论。因为，1970年在一个高水平的电气期刊中，Martzloff和Hahn就已经发现了此问题，但是标准组织并没有采取行动。为了证明其有效性，电压冲击试验包括了三种类型波动，短、中、长。但是UL和IEC始终没有进行类似实验测试。

图11 室内分支配线中的冲击电压

3.3绝缘温度分级和老化失效

电气绝缘一般都是有机高分子材料，这样就造成了随着时间增长、温度升高，绝缘材料可能发生降解。

也就是说，对于一种特定的绝缘材料，存在一个额定温度，超过此温度就不能安全使用。UL和IEC通过将每种绝缘划分特定的温度等级，来解决此问题，但是在执行起来遇到三个问题：

(1)根据1948年一篇文章，确定的此种分类方法，近半个多世纪都没有进行过重新分析；

(2)UL的分类方法是通过实际工程经验确定的，而没有经过实验测试；当进行实验测试时，重点是测试机械性能，其次是绝缘能力，并没有对其绝缘的有效性进行直接性测试。

(3)公开的数据显示PVC绝缘的额定温度是错误的，从不保守的角度分析，也同样是错误的。这种情况意味着绝缘额定温度是不值得信赖的。为了纠正这个问题，需要对故障温度进行深入研究，也应该为日常使用建立贴近实际的实验方法。

消防研究基金委已经意识到此问题，投资开展了相关研究，最近举办了会议。大多数工作实质上是统计性的，或针对于管理决策，但是UL报道了一些关于来自实际房屋的老化绝缘的有用实验数据。

对于导线来说，使用时间少于30–40年，不会出现明显的老化效果。然而，越老旧的导线，经常表现出更差的绝缘击穿能力，具有更差的机械性能。在热塑性塑料和橡胶材料的绝缘导线之间，存在较大差异。

很大一部分橡胶绝缘导线（一般安装在1960年之前），一般外形已经破损，许多地方已经破碎，或失去机械强度。这不是最新的发现，因为早在1933年，已经发现了橡胶绝缘老化的问题。

从统计的角度看，人们想知道的是，建筑中电气线路的使用时间是否和电气火灾的发生有关联。2005年新西兰进行了此方面的研究，但是没有确定的结果。更早，英国的研究发现，二战前电气火灾发生与导线使用时间有统计学关联。这就支撑了UL最近关于橡胶绝缘导线的相关研究，但是对于热塑塑料绝缘导线，没有帮助意义。

在表4中，CPSC的结果给出了绝缘老化作为诱发因素的具体比例，但是很难相信此值的准确性。

对于在此方面，如：火灾事故和线路老化，进行好的统计分析，应该不是非常难的事情。

但是涉及到一起具体建筑火灾，实际上很难将起火原因认定为绝缘老化失效造成的。

这是因为绝缘老化并不是直接引发火灾，而间接引发火灾的途径有很多种。如果认真地收集保存证据，像不正确的改动等诱发因素，都可以简单的进行分析，但是原则上绝缘老化失效可能会涉及到每一种引发火灾机理，甚至可能使单个机理以多种形式呈现。

这就造成了认定绝缘老化是导致火灾发生的诱发因素是非常困难的。例如，如果碰到绝缘出现裂缝、开裂或破碎，可能就需要考虑它的火灾危险性。

NIST的一个研究表明，导线受到高温作用，导致绝缘脆化、掉落，引发短路故障。

这种发现并不惊奇，但是至今没有实验室研究这种实际火灾的发生。圣地亚国家实验室，关于核电站的绝缘老化问题进行了一些研究工作，但是他们的研究结果并没有应用到民用建筑中，且这些研究是针对电气故障，而不是火灾引燃的。

3.4电气火灾中金相分析的相关问题

在多数火灾中，火灾会对最初起火的设备造成严重破坏，以至于常规的电气检测方法无法使用。

因此，需要借助金相分析，主要查证设备起火与否。这方面的研究非常少，可以说几乎不存在。

电气火灾调查中，唯一涉及金相分析的是对火灾前短路（直译cause beads为起火原因熔珠）熔珠和火灾中短路（直译victim beads为火灾破坏产生的熔珠）熔珠的分析方法，但遭到了严重质疑。

针对于认定短路熔珠是火灾前短路熔珠还是火灾中短路熔珠，有非常多的研究人员提出了很多方法。但遗憾的是，没有一种方法被认为是可行的技术。除了这个简单问题外，关于金相法分析故障电气设备的研究论文，在此研究领域也非常的匮乏。

4  有待研究的方向

4.1引燃机理方面的研究

目前电流相关的引燃机理方面的研究非常少，即使有也是探究性的研究。这样一来，在此方面研究的全面进步，将有助于推动整个领域的发展。

但有些引燃机理非常重要，需要进行专门的研究。

可能在未进行深入有效的研究之中，最重要的一个问题是在千伏以下电压系统中，塑料绝缘材料的击穿电压的问题。

目前来看，还没有开展研究。即便是最常见的绝缘材料PVC，也没有相关研究数据。

这种情况的研究十分缺乏，以至于主要函数关系（间隙距离和击穿电压）仍模糊不清。

还有一个和击穿电压问题相关的研究内容。

重物不小心压在电线电缆上，有时火灾就会发生。其引燃机理可认为是首先发生了缓慢的变化，随后发生了绝缘击穿。

但始终没有对这些引燃细节进行过实验研究和理论验证。实际上，需要对固体绝缘击穿引燃这一主题进行整体深入研究。

虽然发表了不少关于固体绝缘击穿的理论分析和实验研究的论文，但关于此类故障引燃能力方面，并没有找到和发现相关研究内容。

在电弧不具备引燃能力方面，也缺乏相关研究。

此方面可能涉及范围更宽，由于除了电弧外，还存在其他类型的高热通量热源，但无法引燃周围可燃物的情况。

目前关于此现象，有一些理论研究，但无法解决实际问题，仍需开展相关的研究，并且相关研究应涵盖更宽的范围。

还有一种类似现象，没有得到充分的研究。有时只有在热源作用时，火焰就会出现，一旦移除热源，马上就会熄灭。虽然这是一个常识现象，但也缺少深入研究。

4.2引燃相关阈值的研究

常被问到这样一个问题：是否存在电压、电流或功率的阈值，当超过这个阈值时，电气火灾才会发生。

虽然标准制定组织认为功率有限的电气线路中，引发火灾的可能性更小，但这个重要的关于电压、电流阈值的问题，并没有针对性的研究。

虽然缺少相关的研究，但是引燃能力等级划分对于调查十分有用。等级划分与被引燃物有关，如气体最易引燃，粉尘次之，固体再次之。

然而，公布阈值实际上是非常小的。打碎1个1W的炽热灯泡即可引燃可燃气体，而打碎1个3W的灯泡足以引发粉尘爆炸。

床垫可被6W的夜灯引燃。相比之下，规范中通常认为功率在15或30W以下时，火灾危险性较低。

具有感应特性0.5V的电源可引燃可燃气体，1.2V Ni-Cd电池发生短路，可以引燃人的口袋。

发现在6V电气系统中，也可以发生寻踪电弧，在12V的汽车系统（运行时一般为14V）中，寻踪电弧是引起火灾的主要原因之一。

4.3引燃时间框架的研究

在构建引燃时间框架方面，没有发现任何相关研究。在有些火灾中，此方面存在一定争议。

如果电工在480V电路中进行施工作业，由于操作失误引发火灾，实质上火灾是瞬时发生的，因此不需要对时间要素进行分析。

但是在其他火灾中，就需要对时间要素进行深入分析，尤其是在接触不良故障和炭化路径电弧这两个方面。这两个现象发生通常都需要一定的时间积累，但目前还没有方法可以估算这段时间的长短。

4.4工业电气火灾

关于中、高压电路的电气火灾的研究非常稀少，甚至在480V工业电路也存在这种情况。

有些研究人员研究了变压器爆炸、检查井爆炸以及导线撞击。

但除了对个别主题进行研究外，几乎没有什么其他方面的研究。

虽然有些文章是关于电气事故的，但多数文献资料是关于如何预防触电伤亡事故，以及介绍一些工业火灾的案例资料，但没有开展实质性的实验研究。

4.5支撑规范标准的研究

电气规范的主要目的是为了从根本上减少触电致死事故，如：美国的NEC，但是目的之二是降低火灾发生的可能性。

为了提供NEC的相关背景信息和辅导资料，出版发行了大量的课本和文字材料。

但奇怪的是，始终都没有研究是关于对比规范安装后，违反规定安装或不按现行规范安装带来的火灾危险性的。

反言之，规范取决于产品标准，从而确保电工产品以可靠的方式进行测试。

此处，这种情况同样是不容乐观。只有两个这样制定标准的组织： UL和IEC。

每个组织都发布了数百个标准，来管控电工产品的运行状况和测试。

为了使每个工程标准更加完备，通常还需要开展深入研究。

然而，没有一个组织将其指定标准时，所记录任何研究内容进行公开发表。

这种情况造成人们的极度不满，致使人们得出如下结论：标准设置既没有建立在任何研究的基础上，也没有良好研究结果向社会发布。最近，本文作者最近发表一篇文章中，分析了UL和IEC多个标准的细节，得到的结论是这些标准可靠性不强。

之前讲到的一个具体问题是，半个多世纪之前制定的UL和IEC使用的绝缘温度分类等级，有理由认为这种分类方法是存在问题的，分类依据是不可靠的。如果按照最优要求进行等级分类，那么电气火灾将会更频繁的发生（可查阅绝缘等级的相关资料）。

4.6一般研究

在电气火灾领域，英语为母语的国家如此依赖日语发表的研究内容，这不是理想状态。

引燃手册的出版将提供一个将日本相关研究呈现给西方世界的特殊机会，但这并没有解决不断发展的基础研究问题。

而且，电气火灾的某些方面具有地域性或具体规范性，有必要成立美国的研究机构，专门承担电气火灾领域持续深入的研究工作。

日本的法庭科学研究机构从事电气火灾方面的研究（日本国家警察科学研究所是最主要从事电气火灾研究的机构），是值得美国借鉴的研究发展途径，是非常好的发展策略。

此外，在美国还需考虑的是，并没有一家研究机构愿意主动，从事法庭科学的任何相关实验研究，这一情况需要得到改善。同时，鉴于火灾中金属类证据的重要性，金相分析的研究不应仅局限于电气工程领域，还应在电气火灾调查领域得到广泛应用（中国此方面做的要好的多）。