淺談電氣線路短路引起的電氣火災(zāi)

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：我國(guó)人口眾多，同時(shí)對(duì)用電需求也非常多。我們?nèi)粘Ｉ钚枰娏碚樟廖覀兊募覉@并為工業(yè)供電。它可以是建設(shè)性的，也可以是破壞性的，這取決于處理它的謹(jǐn)慎程度。稍有不慎，就會(huì)引發(fā)火災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失和慘痛的傷害。電氣火災(zāi)中*危險(xiǎn)的故障之一是短路。因短路甚至因觸電而死亡而導(dǎo)致的火災(zāi)事故數(shù)不勝數(shù)。電火災(zāi)的主要原因是短路期間大電流流過導(dǎo)體而產(chǎn)生的熱量。本文簡(jiǎn)單介紹導(dǎo)線短路的定義、原因以及對(duì)短路的預(yù)防同時(shí)對(duì)整篇文章做了總結(jié)。

關(guān)鍵：詞電氣火災(zāi)電氣短路短路電弧短路熔痕短路原因

１引言

電氣短路的主要后果是火災(zāi)。根據(jù)國(guó)家消防局收集的數(shù)據(jù)，其中電氣火災(zāi)占比28.4％。其中有6.5％是由短路引起的，在導(dǎo)線短路期間的高電流會(huì)使導(dǎo)體升溫，損壞絕緣層，并可能導(dǎo)致電火災(zāi)，從而造成嚴(yán)重傷害和生命危險(xiǎn)。

2短路的定義

短路可以定義為一種不良條件，即由于在電源的端子之間形成新的低電阻路徑，大量電流在電源的端子之間或電源與地之間流動(dòng)。在短路期間，流經(jīng)短路點(diǎn)的電流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，電壓降至零。短路是由于偶然或有意在電路中的兩點(diǎn)之間建立的低電阻連接。這種過量的電流可能會(huì)導(dǎo)致電路損壞、過熱、磁應(yīng)力、電弧、火災(zāi)或爆炸。在短路中可用的電流量是由系統(tǒng)電壓源的容量和系統(tǒng)的阻抗（包括故障）決定的。由于整個(gè)電路電流突然增大，即使是連接松動(dòng)的導(dǎo)線接頭處或短路點(diǎn)處有電弧或火花，也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量熱量，溫度弧達(dá)到3000℃，不僅能熔化金屬，還可以引燃絕緣材料，還會(huì)引起導(dǎo)線附近可燃材料的蒸氣或粉塵火災(zāi)或爆炸事故。短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生短路弧、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)和力效應(yīng)，從而留下相應(yīng)的痕跡。

3什么引起短路

有幾種情況會(huì)導(dǎo)致短路，當(dāng)兩個(gè)裸導(dǎo)體接觸時(shí)，發(fā)生短路。短路是由于絕緣破裂造成的。另一種類型的短路發(fā)生時(shí)，一些導(dǎo)電物體，如工具或動(dòng)物，意外地進(jìn)入架空電線。如果物體同時(shí)接觸到兩根電線，電流在到達(dá)用戶的電力服務(wù)之前有一條短路路徑可以返回到電源。如果該物體與地面連接，地面可以作為一個(gè)短路路徑。短路的主要原因有：絕緣故障、接線不當(dāng)、設(shè)備故障、電力處理不當(dāng)、自然災(zāi)害。其中，絕緣失效是短路的主要原因。電纜絕緣損壞可能是短路的原因，不正確的接線允許直接接觸不同的相位。即使是潮濕的表面也會(huì)導(dǎo)電并導(dǎo)致短路。不正確的接線允許不同端子之間的直接接觸，從而導(dǎo)致短路。電力處理不當(dāng)或與帶電導(dǎo)體直接接觸也可能是接地故障和短路的原因。

（1）導(dǎo)線絕緣故障

通常，電線用非導(dǎo)電材料（如pvc或聚乙烯）絕緣。如果絕緣層磨損、熔化或損壞（通常是由于釘子或螺釘刺穿，或被嚙齒動(dòng)物咀嚼），帶電布線可能能夠直接接觸中性線，導(dǎo)致短路。

（2）電線連接損壞

電線連接損壞或松動(dòng)將導(dǎo)致電阻增加。反過來，這將導(dǎo)觸布線溫度升高，從而引發(fā)導(dǎo)線短路，從而可能導(dǎo)致火災(zāi)或電。

（3）設(shè)備接線故障

有時(shí)，是家庭里的用電器具，而不是電線，是引發(fā)短路造成火災(zāi)的原因。問題可能是設(shè)備本身、電源線或插頭內(nèi)的接線有故障。（故障電源線和插頭通常很容易被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谕庥^上觀察可以看出燒焦、熔化或有磨損痕跡）。

（4）短路與接地故障

當(dāng)熱線與中性線接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生典型的短路。相比之下，接地故障是指熱接線接觸電氣系統(tǒng)的接地組件的情況，例如，電器的接地部分、接地的金屬壁箱或銅接地線。接地故障的*大危險(xiǎn)不是電氣火災(zāi)，而是嚴(yán)重的電擊或觸電，特別是在潮濕的條件下。而接地故障的常見原因包括水滲入電氣箱，電線松動(dòng)或磨損，以及絕緣性不足的電器或電動(dòng)工具。

4短路效應(yīng)及痕跡形成機(jī)理

（1）短路電弧及短路熔痕

短路電弧是短路發(fā)生時(shí)電壓擊穿空氣產(chǎn)生的放電現(xiàn)象在導(dǎo)線發(fā)生短路時(shí)，一般都會(huì)伴有短路電弧發(fā)生，能產(chǎn)生耀。眼的白光，并可能伴隨“滋滋”的聲響。電弧不僅在短路時(shí)才出現(xiàn)，在干燥的地毯上行走產(chǎn)生的放電現(xiàn)象和內(nèi)電現(xiàn)象都有電弧產(chǎn)生，但這種電弧持續(xù)時(shí)間很短，只是以電火花的形式出現(xiàn)，一閃即滅。如果要使電弧能夠持續(xù)下去，則需要電離導(dǎo)體產(chǎn)生的蒸氣不斷地補(bǔ)充到周圍環(huán)境中（如在焊接過程中需要不斷充入一種氣體）。由于空氣是較好的絕緣體，因此大氣環(huán)境下要在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生電弧，不僅需要很高的電壓，而且兩導(dǎo)體間的間距還十分小，但一旦短路發(fā)生，導(dǎo)體間由金屬蒸氣和電力產(chǎn)生的空氣分子組成的導(dǎo)電路徑就能產(chǎn)生持續(xù)電弧。

短路電弧溫度雖然很高，但于其作用范圍十分小，除非距可燃物很近，否則一般的可燃物很難被其引燃。與固體燃料相比，氣體燃料（包括絕緣物質(zhì)分離產(chǎn)生的蒸氣）更容易被引燃。對(duì)于保護(hù)裝置良好的線路，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷電源，使電弧的持續(xù)時(shí)間很短，因而引燃固體燃料的可能性很小，除非保護(hù)裝置不起作用或在短路發(fā)生處存在氣體燃料以及易引燃的細(xì)碎固體燃料如棉花或碎鋸末等。

（2）熱效應(yīng)及熱作用熔痕

短路的熱效應(yīng)與火災(zāi)原因有著十分密切的關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是電流的熱效應(yīng)。當(dāng)電氣系統(tǒng)中通過短路電流時(shí)，由于電流的熱效應(yīng)，總會(huì)使電氣系統(tǒng)溫度升高。短路電流的熱效應(yīng)與正常負(fù)荷電流時(shí)的發(fā)熱不完全一樣，兩者都遵從焦耳定律，但由于短路電流大，同時(shí)產(chǎn)生的熱量也很大，且持續(xù)時(shí)間很短，一般是十分之幾秒到幾秒，這種熱量不能在短時(shí)間內(nèi)向周圍擴(kuò)散，所以可以認(rèn)為全部用于加熱導(dǎo)體。高溫會(huì)使導(dǎo)體的表面及接觸點(diǎn)處的導(dǎo)體熔化，產(chǎn)生熔痕。

（3）磁效應(yīng)

短路的磁效應(yīng)是由于短路發(fā)生時(shí)，電流由正常值瞬間升至正常值的數(shù)十倍、幾百倍甚至上千倍，并又在極短的時(shí)間內(nèi)從*大值降至零。變化的電線的周圍引起電場(chǎng)的變化，變化的電場(chǎng)又引起磁場(chǎng)的變化，當(dāng)有鐵磁性物質(zhì)如鐵釘?shù)忍幱趯?dǎo)線附近時(shí)，變化的磁場(chǎng)可將鐵磁發(fā)生材料磁化，并可能產(chǎn)生干擾信號(hào)，干擾通信、控制信號(hào)等。當(dāng)短路電流消失時(shí)，周圍鐵磁性物質(zhì)的磁性不會(huì)馬上消失，稱為剩磁。影響剩磁的主要因素有：短路電流的峰值大小；電流的空間分布影響產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；樣品和短路電線的相對(duì)位置；鐵磁性材料的磁化特性；樣品的形狀；材料的初始磁化狀態(tài)；溫度；提取樣品時(shí)的取樣工具（要盡量無磁或小磁，應(yīng)在１０Ｇｓ以下）。此外，時(shí)間對(duì)剩磁沒有影響。

在火災(zāi)勘驗(yàn)中，根據(jù)懷疑火災(zāi)中是否存在導(dǎo)線短路或雷電引起的熔融痕跡，檢查雷電及導(dǎo)線周圍的剩磁材料進(jìn)行剩磁檢測(cè)，看是否存在剩磁，判斷存在剩磁的大小，通過對(duì)導(dǎo)線和雷電現(xiàn)象分析可以進(jìn)一步分析火災(zāi)原因。

（4）力效應(yīng)短路

電流通過導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的作用力，稱為短路電流的力效應(yīng)。電流是由電子的定向移動(dòng)形成的，電流通過導(dǎo)線時(shí)導(dǎo)線之間相互存在作用力。正常情況下，這種作用力較小，但在短路時(shí)由于短路電流很大，產(chǎn)生的作用力也很大，使線路受到很大的沖擊作用力。短路電流產(chǎn)生的作用力一般出現(xiàn)在短路發(fā)生后的第一個(gè)周期內(nèi)，此時(shí)導(dǎo)體會(huì)受到極大的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)體的強(qiáng)度不足時(shí)，就會(huì)造成損壞。在變電所和高層建筑大電流低壓供電的地方，大多數(shù)三相母線被平行布置在同一個(gè)平面內(nèi)，在這種情況下，根據(jù)同相相吸，異相相斥的原理，可以證明三相短路時(shí)，中間相受力*大。力效應(yīng)一般不會(huì)留下痕跡，但是可以通過導(dǎo)線的異?；蝿?dòng)等現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。

5如何防止電氣短路

短路保護(hù)主要有三種類型：

（1）接地故障斷路器（GPCI）

GPCI出口或電路可感應(yīng)到電流水平的微小變化，并立即關(guān)閉電流。1971年，加拿大電氣法規(guī)規(guī)定，接地故障電路滅弧室保護(hù)現(xiàn)在需要在水槽，浴缸或淋?。ㄔ∈遥瑥N房，洗衣房，吧臺(tái)等）1.5ｍ范圍內(nèi)或戶外成品等級(jí)2.5ｍ范圍內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。GPCI應(yīng)由有執(zhí)照的電工安裝。要每個(gè)月檢查一次來保證設(shè)備可以持續(xù)工作。

（2）電弧故障斷路器（AFCIS）

AFCIS通過在感應(yīng)到電流流動(dòng)方式的不規(guī)則性后立即關(guān)閉電流來保護(hù)房間免受電氣火災(zāi)的影響。它們可用作AFCIS插座或斷路器，在臥室、客廳、大廳、用餐區(qū)、未完工的地下室和附屬車庫(kù)以及許多硬連線電器中，額外AFCIS需要通過代碼來工作。

（3）斷路器／保險(xiǎn)絲

如今，大多數(shù)家庭都有一個(gè)配備斷路器的電氣服務(wù)面板，每個(gè)斷路器都控制著房屋中的特定電路。斷路器系統(tǒng)取代了20世紀(jì)60年代后建造或更新的房屋中的保險(xiǎn)絲。斷路器通過檢測(cè)電流的變化來防止電線的短路。

6安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）概述

Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)由安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)的全數(shù)字化獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，已通過國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的消防電子產(chǎn)品試驗(yàn)認(rèn)證，并且均通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn)，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國(guó)得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對(duì)剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號(hào)的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警，當(dāng)必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)切除被檢測(cè)到剩余電流、溫度和故障電弧等超標(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應(yīng)用場(chǎng)合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國(guó)家重點(diǎn)消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）系統(tǒng)功能

監(jiān)控設(shè)備能接收多臺(tái)探測(cè)器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警”指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位”按鈕或觸摸屏的“復(fù)位”按鍵遠(yuǎn)程對(duì)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對(duì)于聲音報(bào)警信號(hào)也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動(dòng)消除。

當(dāng)被監(jiān)測(cè)回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消除后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺(tái)探測(cè)器之間發(fā)生通訊故障或探測(cè)器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測(cè)器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障”指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。

當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

（5）配置方案

7總結(jié)

電氣火災(zāi)在我國(guó)火災(zāi)發(fā)生的原因中占比*大，一旦發(fā)生，會(huì)造成了經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，要預(yù)防電氣火災(zāi)，企業(yè)和人民要提高安全用電意識(shí)，規(guī)范使用用電設(shè)備，養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，從根本上預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，減少火災(zāi)對(duì)我們的傷害。本論文通過對(duì)短路故障的整理，對(duì)短路有了明確的理解，并對(duì)短路電氣火災(zāi)的發(fā)生原因進(jìn)行了理論論證。在日后對(duì)電氣火災(zāi)短路故障的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該多做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題，尋找規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。讓自己對(duì)短路概念有更深層次的認(rèn)識(shí)。

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審核編輯 黃宇