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中国人民警察大学火灾物证鉴定中心 西安科技大学火灾物证鉴定中心 2019年4月9日    电气系统故障引发建筑火灾的原因 Vytenis Babrauskas 火灾科学与技术有限公司 9000-300th Place SE Issaquah,WA 98027,USA 摘要：电气线路或设备发生故障引发的火灾，在建筑火灾中占有很大比例，然而关于电气故障引发火灾的机理，一直没有得到较为广泛的研究。本文综述了此方面公开发表的研究成果，并指出了需要进一步研究的方向。本文主要关注的是120/240V单相配电系统。通过研究也发现，关于此方面的系统研究还比较少，而且其中大部分都是日本学者的成果。 1 研究背景 根据美国消防协会（NFPA）最新统计数据[1]，1993-1997年，美国平均每年有41,200起住宅建筑火灾由电气故障引发，造成336人死亡，1446人受伤，直接财产损失6.439亿美元。这个数据中，包括一部分没有查清具体起火设备的电气火灾（译者注：类似我们常说的不排除电气故障引发火灾），但不包括设备的电源线或插头插座故障（引发的火灾）。41,200起火灾（电气故障引发建筑火灾）占总建筑火灾的9.7%，位于12大起火原因的第5位；直接财产损失6.439亿美元占总损失的14.4%，排名第二位（仅落后于放火嫌疑火灾）。美国联邦应急管理署（FEMA）发布[2]的1985–1994年早期统计数据说明了类似结果：在所有起火原因中，从引发火灾数量上来说，电气系统排名第5，火灾伤亡排名第4，财产损失排名第2。表1中详细列出了各类电气故障引发火灾的比例[1]。 表1 美国住宅配电系统引发火灾的原因  电气火灾造成如此高的损失，并不是说电气系统的安全性不可靠。美国有2.7亿人口，住在1亿套住宅单元内，平均每套住宅单元有5.4个房间[3]。这意味着每套住宅单元居住着2.7人，或每个人占用2个房间。假设每个房间有4个插座母片，插座母片的数量最多可以达到4×2×270×106=21.6亿个。不可能所有的插座都插着插头但估计有一半是插着用电设备的。对于这一半使用着的插座，假设一半插座与其他插座是菊花链状连接，其中一半插座在使用状态（译者注：所谓菊花链状连接，简单的理解就是一根电源线，连接一个有两组以上插孔的插座板的连接。这种连接方式，各插孔的线路将可能会连接在同一根主线接点上，组成一个形似“菊花”的形状。这里笔者想表达的意思是一个插板上往往有两组插孔母片，这两组插孔母片中一般有一组是使用状态，因此笔者做假设的时候假设其中一半是使用状态）。这样，实际带电的母片数量大约是总数21.6亿的3/4，约16.2亿（译者注：没有接用电设备的一组插座母片中连接火线的母片也是带电的，因此这里的比例是3/4，这里笔者在做假设时其实忽略了一部分三孔插座）。根据NFPA的统计数据，4700起火灾是由于开关、插头和插座造成的，美国消费品安全委员会（CPSC）[4]单独统计了开关故障引发火灾的数量，占到上述数据（4700起火灾）的30%。减去这些开关故障引发的火灾，每年有3290火灾是由插头插座故障引发。估算一下，这种故障率仅为3290/1.62×109或每年2×10-6。这个故障率非常低，说明电气插头插片非常可靠。电气系统故障引发火灾的问题并不取决于每年每台设备的故障率。相反，问题在于建筑电气系统中分布着数量庞大的电气设备。每个设备都输出能量，每个设备都有可能发生故障而引发火灾。 2 引燃方式 鉴于电气系统故障引发的火灾，造成财产损失数量位居第二，人们可能会认为，一定会有大量关于电气故障引发火灾机理的研究。但事实证明，此方面的研究还比较少，且不系统。目前对电气故障的分析，主要从以下方向开展研究： a.研究导致故障发生的具体行为或过失； b.根据设备功能或其发生故障的部件，对故障进行分类研究； c.研究故障发生的基本原理。 虽然在重构故障发生场景时，a和b非常重要，但是本文重点讨论c。由于很多学者[5,6]已经对a和b进行了研究，对c的研究显得非常重要。 通过对故障机理的分析，虽然存在各种各样的引燃情况，但实质上只有几种主要的引燃方式可以引燃导线绝缘和导线附近可燃物的： （1）电弧； （2）电阻过热，无电弧； （3）外界加热。 有些引燃过程是几种引燃方式综合作用的结果，所以不应该将其视为相互独立的引发火灾的原因。 2.1 电弧 由电路拓扑结构讲，电弧可以分为串联电弧（图1）和并联电弧（图2）。有些学者认为电气线路中除了中性线外，还存在接地线，有可能存在第三种电弧形式，即接地电弧。但是从电路的拓扑结构讲，由于接地电弧发生时，不存在电阻，这种电弧应该属于并联电弧的一种。应该清楚这两种基本类型电弧的区别。在串联电弧发生时，电弧发生会降低电气线路中的电流值。这种情况下，过流保护器可能不会发生动作响应。 产生电弧的原因有很多，但主要有以下几种： （1）绝缘炭化（寻踪电弧）； （2）外部作用导致空气离子化（火焰或前续电弧作用产生）； （3）短路。  图 1 串联电弧  图2 并联电弧 2.1.1 绝缘炭化 在120V电路中，如果出现炭化导电路径，很难形成持续性的拉弧。有时将其叫做“穿炭拉弧”（arcing-across-char）。在电气工程领域中，很多年前就已经查明了发生此现象的机理[7]。绝缘材料之间形成炭化路径并不是一个简单问题。已经证实不止一种方式可以产生此路径。最简单的一种方式，是在有些标准试验中[8]，在绝缘表面直接产生电弧，如：将绝缘至于两极之间，加高压后产生。另一种作用机理是表面受到潮湿和污染的共同作用。这个过程有时叫做“湿式寻踪”（wet tracking），在使用聚芳酰胺作为绝缘材料的航空导线上易出现此问题[9]。表面潮湿和污染共同影响下，在绝缘材料表面产生泄漏电流，导致炭化导电路径的形成[10]。 从产生寻踪电弧难易程度来说，各种绝缘材料间的差异较大。在120V/240V电气线路中，多数导线的绝缘材料是PVC材料，但是对于预防寻踪电弧来说，PVC材料不是令人满意的绝缘高分子材料[10]。Noto和Kawamura[11]已经做了大量的关于PVC导线湿式寻踪电弧方面的实验研究。在国际电工委员会（IEC）60112标准实验中[12]，记录了很多湿式寻踪电弧引发明火燃烧的实验样本类型。 PVC绝缘材料在200–300℃的热作用下，逐渐发生炭化成为半导体材料。这就不奇怪，这个过程将导致泄漏电流发生，并拉弧。Nagata和Yokoi[13]发现，如果原始的PVC绝缘材料导线在略低于160℃条件下加热，1mm厚的绝缘材料加载100V电压，就足以引起绝缘材料燃烧。进一步研究发现，如果导线绝缘材料加热至200–300℃，冷却后再通电仅需加热至较低温度（从室温到40℃），就会出现燃烧现象，如图3所示。  图3 在100 V交流电作用下，预热温度和测试温度对1 mm 厚PVC导线绝缘层引燃的影响 Hagimoto等[14]对电弧故障（并联电弧）进行了实验研究。他们认为此过程是一个重复但是没有规律的现象。他们发现以下变化过程：
这个过程不可以完全进行重复。这些学者也对此过程中的电流波动进行测量，发现最高峰值电流可达250A，但出现次数非常少，电流波动的峰值一般不超过50A。故障发生时，断路保护开关按照预期的动作，需要较长的时间。（当然需要注意的是实际电流值取决于具体电路测试的电阻值）。 2.1.2外界导致的空气离子化 空气本身具有很高的绝缘强度（除微小间距外，击穿电压约为3MV/m），但是如果气体空间以某种方式发生电离后，击穿空气所需的电压就会降低。火焰和前续电弧就是两种造成空气电离的方式。如果在分布总线上产生一个严重的电弧故障，将产生大量的电离气体。电离气体经一定距离扩散后，一旦接触另一个电路，易造成绝缘击穿，就会在其他位置产生新的电弧[15]。Mesina[16]实验研究证明火焰将使空气的绝缘强度降低，在火焰中空气的绝缘击穿电压降至0.11MVm-1左右。但是，Mesina只研究了1600V以上的电压条件。 在火灾现场中，火灾诱发电弧是最常见的电弧破坏形式[17]。导致其发生的原因，包括绝缘炭化、空气电离或二者共同作用，但是目前并没有针对120V电气线路火灾诱发电弧产生现象的专门研究。 2.1.3短路 在电气路线中突然出现低电阻、高电流的现象，此现象通常称为短路。主要有两种短路形式： （1）黏连性短路（bolted short），金属线芯之间，完全直接短接，形成较好的连接； （2）电弧性短路（arcing short），金属线芯之间接触不是持续性的，以电弧方式产生电流。 对于黏连性短路，不仅仅是故障点局部发热，而是整个电气线路发热。接线错误易造成黏连性短路，进而导致断路器动作。引燃可燃前，断路器通常发生动作。事实上，室内分支线路中，黏连性短路引发火灾是非常困难的[18, 19]。 两个导体之间瞬时接触，可产生电弧性短路。短路造成接触部位的金属熔融，并产生磁力，将导体分开，导体之间产生的液态连接，也将断开。当导体分开时，出现电火花。在较大线径导线上，可看到电弧性短路造成的表面凹陷痕迹；电弧性短路会整个熔断较小线径导线；在NFPA921中，用图文的形式介绍了此类熔痕[20]。 在20A或规格更小的断路器或保险丝提供保护的电气线路中，电弧性短路时引燃可燃物也是非常困难的。例如，Beland[17]用锤子击打电缆、包铁电缆和电缆套管，直至断路器动作；虽然有时，木质纤维板的松散纤维可以点燃，但此种方式产生的机械火花是无法引燃木板的。另外，Kinoshita等人[21]用1.6mm2单股导线和1.25mm2多股导线，分别产生年黏连性短路故障，成功引燃了棉质纱布。这次实验中，使的是用20A热模型断路器提供保护。当使用20A热/磁型断路器提供保护时，无法引燃。 一些精心设计的实验揭示了短路引发的并联电弧具有较强的引燃能力。Franklin[22]发发现，用对角切割器切断电源线时，很容易引燃毛毯和纸张。以喷溅出铜熔珠的方式引燃。在这种情况下，在磁力作用下，导线分开，黏连性短路只会持续很短的时间，随后转化成电弧性短路。在20A断路器动作前，在电源线上出现了30次此种短路故障。Nishida[23]发现，多股导线中的0.18mm的一股与另一根多股导线的一股连接，可引燃棉布和纸张(不包括PVC)。但是他认为引燃可燃物是高温的导线，而不是电弧作用。 电锯切断通电导线时，也可能引燃周围热惯性较低的可燃物。UL（美国保险商实验室）做过一个“切纸机”实验，模拟电锯误切断电源线事故。在实验中，放置在附近的粗棉布是可以被引燃的[24]。  篇幅所限，上篇介绍了电弧引燃，下篇将介绍电阻发热引燃及结论，敬请关注！ 参考文献 1. Rohr, K. D., The us. Home Product Report (Appliances and Equipment Involved in Fires), Fire Analysis & Research Div., National Fire Protection Assn., Quincy MA (2000). 2. Fire in the UntIed States 1985-1994, 9th ed., US Fire Administration, Emmitsburg MD (1997). 3. Statistical Abstract of the United States 1999, Tables 2, 1212, and 1213, Government Printing Office (1999). 4. Ault, K., Singh, H., and Smith, L., 1996 ReSIdential Fire Loss Estimates, Consumer Product Safety Commission, Washington. 5. Hall, J. R., Jr., Bukowski, R. W., and Gomberg, A., Analysis of Electrical Fire Investigations in Ten Cllies (NBSIR 83-2803), [U.S.] Natl. Bur. Stand., Gaithersburg MD (1983). 6. Smith, L. E., and McCoskrie, D., What Causes Wiring Ares in ReSIdences, Fire J. 84, 19-24,69 (Jan/Feb 1990). 7. Olyphant, M. Jr., Arc Resistance. I. Tracking Processes in Thermosetting Insulating Materials, ASTM Bull. No. 181, 60-67. II. 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