王 诗

(苏州市消防救援支队，江苏 苏州 215000)

0 引言

随着国民经济飞速发展，在各类家用电器保有量急剧增加的同时也带来了该类火灾数量的攀升。在电器设备故障引起的火灾中有一类不容忽视，那就是空调器火灾。在城镇住宅中，每家每户基本上都会配置适宜功率的空调，但是由于一些建筑电气设计严重老化，加之部分空调器质量不过关、人为操作不当以及外界条件作用等不确定因素影响，使其在工作过程中具有一定的火灾危险性，日益增多的空调火灾给人民群众生命财产安全带来巨大威胁[1]。

1 主要研究内容

本研究结合火灾调查实际情况，选取家用空调中易发生故障的部件风扇电机作为研究对象，进行故障模拟试验，同时观察、记录电机在模拟试验条件下的特征参数变化。对空调器风扇电机在不同故障下的火灾危险性和起火后的痕迹特征进行深入研究，可为此类火灾的原因认定以及防范提供参考依据。

2 风扇电机结构特征及故障形式

家用空调器用到的电机主要有室内风扇电机和室外风扇电机，一般为电容运转式单相异步电动机，其作用是通过磁场效应将电能转换为机械能，以此带动风扇旋转。电机内部分为固定部分和转动部分：固定部分由铁芯和绕组构成，铁芯由硅钢片叠压而成，绕组一般由高强度聚酯漆包线绕制而成；转动部分由转子铁芯、转子绕组、转轴组成。为了防止电机过热损坏，一般都需设置过热保护电路。电容运转式单相异步电动机的拆解结构及在空调内的电路连接方式如图1，图2所示。

风扇电机工作系统中有两种常见的故障形式：启动电容失效以及过载(极端情况为电机堵转)。电机的启动电容在长期工作后，自身质量下降的同时如果受到外部异常电压冲击，两电极之间可能被击穿，主副绕组将直接并联接入电路，导致电路电流突增烧毁电机。此外，由于空调室外机安装在室外，不但高温、雨雪、冰冻等恶劣的自然条件会加速空调室外机部件的老化，更会有异物进入室外机格栅，阻挡或卡住运转的风扇，造成风扇电机过载甚至堵转，引起绕组电流突增烧毁电机。

3 故障模拟试验

3.1 试验材料和仪器

某品牌空调器风扇电机(电容运转式单相异步电动机)、启动电容、导线、红外热像仪、K型热电偶、数据采集仪、钳形电流表、摄像机、火灾模拟试验箱。

3.2 试验方法及步骤

3.2.1 启动电容失效故障

1)将风扇电机内部的热保护元件摘除；2)将启动电容的正负级用导线直接相连；3)接通电源，监测电路中的电流大小，利用热电偶和数据采集仪监测电机各部位温度变化。

3.2.2 过载(堵转)故障

1)将风扇电机内部的热保护元件摘除；2)用外物卡住电机转子，使得电机在接通电源后处于堵转状态；3)接通电源，监测电路中的电流大小，利用热电偶和数据采集仪监测电机各部位温度变化。

4 试验现象及结果

4.1 风扇电机正常工作状态

试验中使用风扇电机的基本参数为：额定功率20 W，额定电流0.38 A，绕组绝缘等级B级。根据GB 755—2008旋转电机定额和性能的要求[2]，B级绝缘的最高允许温度为130 ℃，绕组温升限值为80 K。风扇电机在正常状态下接入电源，测得正常工作电流为0.21 A；电机正常运行后温度趋于平稳，整体平衡温度低于95 ℃；金属外壳表面的平衡温度约为60 ℃。

4.2 启动电容失效故障试验

在启动电容短接的情况下接通电源。用钳形电流表监测故障电流为0.98 A，相比于正常工作时的电流增加157.9%。试验开始8 s时，绕组内部冒烟；39 s时出现“咔哒”爆裂声响，转子停止转动；1 min 23 s时电机发生爆燃，各散热孔均有火焰往外喷出；2 min 24 s后火焰完全熄灭。试验中出现的主要现象如图3所示。

接通电源后，启动绕组和运行绕组漆包线表面温度迅速升高，几乎同时在39 s左右达到150 ℃。随即主绕组瞬间被破坏断开，温度急剧下降。此时，电源电压完全施加在副绕组之上，副绕组流经电流增大，直至84 s左右风扇电机整体发生爆燃。各部位经烘烤后温度达到峰值，而后开始下降。内层线圈表面最高温度达250 ℃。

电机故障起火后的烧毁情况如图4所示。电源引线与绕组的接线端烧毁严重；启动绕组运行绕组烧毁严重。在电源线与绕组漆包导线相铰接的部位，内外侧绕组均被烧黑，绕组表面贴附的塑料纸和用以捆绑固定绕组的细绳由于高温融化粘连在一起。烧毁最严重的绕组所嵌入的硅钢片槽边缘部分由于高温和火烧作用变色严重，呈炭黑色。启动绕组全线过热，炭化变黑，烧损严重，而运行绕组烧损则较轻[3]。

4.3 过载(堵转)故障试验

使用外物卡住电机风扇转子，模拟异物进入或机械故障导致电机转子卡死堵转的情况。用钳形电流表监测故障电流为0.47 A，相比于正常工作时的电流增加23.7%。将电机接入电路后，机体发出持续的“嗡嗡”噪声。试验开始79 min 13 s时，白烟从电机顶部空隙中冒出，烟释放速率持续增加；80 min 27 s时电机底部冒出电火花，火焰瞬间从电机的顶部和底部突破；80 min 37 s时火焰完全熄灭。试验中出现的主要现象如图5所示。

通电后，电机各部位温度持续上升，约80 min时，由于电机内部打火引起整个电机爆燃而后有持续明火燃烧，各部位在明火烘烤之下温度突跃达到峰值。电机内部电路随即被破坏切断，各部位温度也随之迅速下降。试验过程中，外层线圈表面温度最高达到202.7 ℃。

电机故障起火后的烧毁情况如图6所示。用来固定绕组线圈的绑绳因高温烘烤而断裂松散。电机的顶盖和底盖对应故障绕组线圈的位置均有明显灼烧痕迹。烧毁的一匝线圈位于启动绕组上，且启动绕组上有且仅有该匝线圈被烧毁，烧毁线圈所在的位置即电源引线和绕组相铰接的绕组端部，保护二者连接处的塑料套管有严重的炭化变色烧损痕迹。

4.4 故障引燃机理分析

将上述模拟试验中对电机的测温数据加以整理，如表1所示。

表1 试验中电机温升情况统计

启动和运行绕组在故障状态下的温升远远超过了B级绝缘的温升极限值80 K。电机内部绕组采用聚酯绝缘漆包线，该绝缘材料在故障产生的高温下会受到严重破坏，极易发生匝间短路，在电机的狭小空间内，短路瞬间产生的电弧和高温可能点燃绝缘材料热解产物，引起电机整体爆燃[4-5]。该过程的引燃时间可参考固体可燃材料受热引燃时间：

tig=tpy+tmix+tR。

其中，tig为引燃时间；tpy为绝缘热分解所需时间；tmix为可燃气体扩散挥发时间；tR为发生热失控反应所需时间。

其中，tpy远大于后两者之和，故主要考察绝缘材料受热分解导致破坏失效的情况。绝缘材料受热分解失效的过程可用Arrhenius方程表示为：

其中，K为绝缘材料在T温度下的失效速率；As为前因子，与材料本身性质有关；Es为材料分解失效反应的活化能；R为气体常数，取8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度，K。

由上述公式推导，绕组表面聚酯绝缘材料在T1和T2温度下，两者的失效速率关系可以表示为：

根据相关实验研究中的测定，取聚酯材料的热分解活化能Es为125 kJ/mol。其中T1取模拟试验中的环境温度20 ℃(293 K)。当电机绝缘达到B级绝缘的极限温升80 K时，根据上式估算，绝缘失效速率是常温下的60 210倍。在本文的试验中，故障状态下绕组表面的温升均在100 K以上，这会使得绝缘在极短时间内被破坏并导致匝间短路。

5 结语

对于空调器风扇电机，启动电容失效故障发生后1 min左右起火；被堵转的风扇电机约80 min后起火燃烧。故障的发生会引起电机各部位，尤其是绕组引线与电源线焊接点的异常温升，最终引燃绕组绝缘及周围可燃物。起火后的电机主副绕组的其中一组或两组全部断开，绕组上有数匝烧毁特别严重，电机内热痕迹明显。对于该类火灾的模拟试验也提示我们火灾调查人员，对于由空调器自身部件故障引起的火灾事故，要尽可能多地寻找符合空调部件故障起火特征规律的痕迹物证，与其他形式的证据相互印证形成完整证据链，综合分析认定其火灾原因。