接地故障引起電氣火災的防護
發(fā)布時間：2020-12-02
標準中的引言、術語和定義中的3.26、分級保護中的4.4.5等處，都強調了安裝剩余電流保護裝置對防止接地故障引起電氣火災的作用，并對在建筑物內安裝剩余電流動作火災監(jiān)控裝置及動作參數都作了明確規(guī)定，在附錄中列出了分級保護方式中安裝剩余電流動作火災監(jiān)控裝置的模式圖。修訂后的標準從實際出發(fā)，提出了發(fā)生接地故障時因故障電流小，過電流保護無法保護接地故障引起的電氣火災，而剩余電流保護裝置正是彌補了這方面的不足。
1 電氣火災事故的多發(fā)性
近10年來，我國發(fā)生電氣火災高居火災事故總數的首位，約占總數的30%左右。在電氣火災中，電氣短路引起的火災事故又占一半以上。
電氣短路的形成有兩種：一種是由導體間直接接觸，如相與相之間、相與N線之間短路，短路點往往被高溫熔焊的金屬短路，稱為金屬性短路；另一種則是帶電導體對地短路，是以電弧為通路的電弧性短路。前者短路電流以若干千安計，金屬線心產生高溫以至熾熱，絕緣被劇烈氧化而自燃，火災危險甚大，但金屬性短路產生的大短路電流能使斷路器瞬時動作切斷電源，火災往往得以避免。后者因短路電流受阻抗影響，電弧長時間延續(xù)，而電弧引起的局部溫度可高達3000~4000 ℃,很容易烤燃附近可燃物質引起火災，但由于接地故障引起的短路電流較小，不足以使一般斷路器動作跳閘切斷電源，所以電弧性短路引起火災危險遠大于金屬性短路。
在電氣線路短路引起的火災中，接地故障電弧引起的火災遠多于帶電導體間金屬性短路引起的火災。這首先是因為電弧性接地故障發(fā)生的幾率遠大于帶電導體間短路的幾率。
一旦發(fā)生接地故障，由它引起危險電弧的幾率也遠大于帶電導體間產生危險電弧的幾率，這可用圖1來說明。圖中a、b、c和d各為相線、中性線和PE線的連接端子。a、b兩端子如連接不良或不導電，設備將不運轉或運轉不正常，可及時覺察予以修復，不致引發(fā)事故。但PE線的端子c、d不導電或導電不良卻不易覺察，因設備仍能照常運轉，這時c、d端子的連接不良將成為一個事故隱患而持續(xù)存在。若一旦發(fā)生圖1所示碰外殼接地故障，如果c、d端子不導電，設備外殼對地帶相電壓而導致電擊事故。如果c、d端子導電不良，端子處將迸發(fā)電火花或電?。ㄑ永m(xù)和集中的電火花即為電?。?，很易引起火災。
因此在接地故障回路全為金屬導體的TN-C-S系統(tǒng)中，其導電性能不良失去接地保護時，并不影響電氣設備的正常運行，故不易發(fā)現。但一旦發(fā)生接地故障，連接點的阻抗限制了短路電流，不能使斷路器動作，而導致上述電弧性短路的發(fā)生。至于TT系統(tǒng)，其接地故障回路內串有電源的接地保護和設備外殼的接地保護，兩個接地電阻造成回路本身的阻抗就很大，更易發(fā)生電弧性短路。由此可知，接地故障的回路阻抗大，使它易以電弧短路的形式出現，這也是單相接地短路故障容易導致火災的一個重要原因。
電力線路受機械損傷而發(fā)生短路，如當導線與金屬管道構件接觸而無套管保護時，長期磨擦使絕緣損壞，這種短路多為單相接地故障造成，易發(fā)生電弧性短路。通常電氣設備絕緣損壞產生電弧性接地故障的情況還有：導線和電氣設備絕緣老化；電器或電動機的接線端子周圍絕緣因長期發(fā)熱而炭化；電動機過載而發(fā)生匝間短路；電氣設備受潮或嚴重凝露；在電氣設備中有導電塵埃沉積等。這類故障會引起接地電弧性短路，并釀成火災。在這種情況下，泄漏電流產生的發(fā)熱功率約為60~100 W，這功率如釋放在幾個平方毫米上，此時只要周圍有可燃材料就會引起火災。
當線路因過負荷使絕緣溫度超過最高允許工作溫度，絕緣老化加速使絕緣水平降至規(guī)定值以下，如果沒有外因觸發(fā)，短路一般還不會發(fā)生。如果有外因觸發(fā)，如雷電引起的瞬態(tài)過電壓、鄰近大功率設備的操作過電壓，以及變電所高電壓側接地故障引起的暫態(tài)過電壓等，則在此大幅值過電壓沖擊下，老化的絕緣將被擊穿而形成弧光短路。過電壓轉眼消失，工頻短路電弧卻能長時間延續(xù)，這是因為電弧的高阻抗限制了短路電流，使斷路器不可能動作。這類過電壓多出現在帶電導體與地之間，所以這種短路也多為單相接地短路。
電氣短路以單相接地故障居多，電氣火災的危險則以電弧性接地為最嚴重。還需說明，接地故障回路的阻抗較大，這是形成電弧性短路的一個重要原因。不論是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng)，接地故障回路的阻抗都大于帶電導體短路回路的阻抗。
3 安裝剩余電流保護裝置和火災監(jiān)控系統(tǒng)的必要性
一般的低壓斷路器主要針對電力線路和設備的過載和短路保護，因此其額定動作電流較大，而接地故障引起的接地短路電流較小，一般不足以使斷路器動作跳閘，因此低壓斷路器不能防止因接地故障引起的電氣火災，而只有帶剩余電流動作保護的斷路器，在過電流保護裝置不動作的情況下，能有效地切斷故障電路，防止電氣火災。
應用剩余電流保護裝置來防止電氣火災，必須正確選擇額定剩余動作電流。在IEC《火災保護》的有關條文中規(guī)定，在有火災危險的場所，要防止故障電流引起火災，必須在線路中裝設剩余電流保護裝置，或裝設火災監(jiān)控系統(tǒng)，在發(fā)生接地故障時發(fā)出警報。
為防止電弧性接地短路故障引起的電氣火災，在電源進線處裝用帶剩余電流保護功能的斷路器和電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)是一項重要的防火災措施。其剩余電流保護功能對建筑物的電弧性接地故障引起的電氣火災進行防范。這在一些發(fā)達國家已是廣泛應用的電氣防火技術，一些供電公司，包括新加坡和我國香港的供電公司，為了用戶的安全用電，對不具備這一防火措施的用戶是不予接電的。國際電工標準IEC 60364-5-53第531.2.4條規(guī)定，TT系統(tǒng)的電源進線端必須裝用剩余電流保護裝置。TN系統(tǒng)的電源進線端為切斷建筑物內的電弧性接地故障，也應裝用剩余電流保護裝置。我國有關的《住宅設計規(guī)范》，也規(guī)定每幢住宅樓的總電源進線斷路器，應帶有剩余電流保護功能的明確規(guī)定。因用戶不懂得用電安全知識，又無專業(yè)電工維護管理，住宅電氣火災發(fā)生較多。據近年統(tǒng)計，我國住宅電氣火災占電氣火災總數的一半以上，所以這一規(guī)定是十分必要的。
在進線處安裝帶過載保護、短路保護、剩余電流保護于一體的多功能低壓斷路器和電氣火災監(jiān)控裝置，不僅可以保護線路、保護設備，而且還可防止因接地故障引起的電氣火災。
4 剩余電流動作電氣火災監(jiān)控裝置及其應用
為防止電氣設備或線路因絕緣損壞引起電氣火災，應裝設當接地故障電流（包括對地泄漏電流）超過預定值時，能發(fā)出報警信號或自動切斷電源的剩余電流動作的電氣火災監(jiān)控裝置。安裝電氣火災監(jiān)控裝置時，應對建筑物內防火區(qū)域作出合理的分布設計，確定適當的保護范圍、預定的剩余電流動作值和動作時間，并應滿足分級保護的動作特性要求。
為有效地防止人身電擊和接地故障引起的火災事故，建筑物內應設兩級或三級剩余電流保護裝置。圖2所示為建筑物內兩級或三級剩余電流保護裝置的方案。第三級保護通常為末端回路上安裝30 mA或100 mA的一般型瞬時動作剩余電流保護裝置，第二級為建筑物第二分支線處安裝的延時動作的剩余電流保護裝置，第一級保護一般安裝在第一分支線處，常選用延時型、動作特性可調的保護裝置或火災監(jiān)控裝置。第二級保護的動作特性選擇應與第一級和第三級協(xié)調配合，這樣，三級剩余電流保護裝置在動作時間和動作電流上都滿足了選擇性要求。第一級和第二級剩余電流保護裝置是防止間接接觸電擊和接地故障引起電氣火災的防護，更重要的是建筑物電氣裝置內任一處發(fā)生電弧性接地故障時，它都能有效地切斷電源，以防止常見多發(fā)性的電弧性接地火災的發(fā)生。
強調電源端和分支線路上的剩余電流保護裝置，應能滿足防止接地故障引起電氣火災的要求。
目前國內的剩余電流保護裝置，已有能夠滿足防止電氣火災要求的設備，如安裝在電源端的能夠根據預測故障電流大小，采用報警或自動切斷電源的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，和安裝在分支線路上能夠對電氣火災預測、需要跳閘或報警的剩余電流保護裝置。
為防電氣火災，強調采用分級保護時，電源端或分支線路上的剩余電流保護裝置應與末端的剩余電流保護裝置的動作特性應當協(xié)調配合。一般情況下，在電源端或分支線上，應選用低靈敏度延時型或動作特性可調的剩余電流保護裝置。而在末端，應采用一般型（無延時）的剩余電流保護裝置。在采用分級保護時，上下級剩余電流保護裝置的動作時間差值不得小于0.2s。