吴志强 王德坤 伍林 赵海龙

摘要：本文在总结实践经验的基础上，认真分析了当前电气火灾成因及防范过程中存在的问题，并就如何规范电气火灾安全防控，合理使用关键性的防范技术进行探讨。

关键词：电气火灾;防范;热解粒子;阻性漏电;故障电弧

近年来，随着经济社会的不断发展，生产生活用电量成倍增加，电气火灾频发，造成巨大的经济损失和人员伤亡，严重威胁人民生命财产安全，电气安全也成为消防安全的“头号杀手”。为防范电气火灾的发生，各地研制了众多的电气火灾预警产品，但通过三年治理，电气火灾形势依然严峻，致使电气火灾安全防控技术产品受到各界质疑。电气火灾是指由于电流通过或静电而直接引发的火灾，基于电气火灾这种特殊的引燃机理，如何准确判定识别隐患源、选择特定的电气火灾安全监控产品;如何安装设备以取得“技防”的最大效果，是影响我国当前电气火灾安全防控成效的重点及难点。本文通过分析电气火灾机理与实践应用经验，重点介绍电气火灾安全防控的关键技术。

一、我国电气火灾防控中存在的问题分析

从分析电气火灾事故发生的原因来看，重特大火灾事故多因短路引起。根据短路接触点性质的不同，短路起火可分为金属性短路起火和接地故障短路起火。金属性短路起火是指带电导体间的短路起火，是显露可见的短路现象，主要是由线路机械损伤或过载导致。接地故障短路是指带电导体与大地、包含外壳与地相连的非金属管道、构件之间的短路，会造成电弧性短路现象，引发故障短路的因素主要是穿管摩擦下的线路机械损伤或电气线路因过热、水浸、霉变、辐射等作用，使线路绝缘水平下降，在外因作用下，绝缘被击穿而短路。因此，在电气火灾安全防控过程中，应以监控短路故障为主，其他故障为辅。以下将从电气火灾成因机理和当前技术应用存在的问题两个方面论述。

（一）电气火灾重要成因机理

一般认为引发电气火灾的方式有短路、过负载、击穿空气放电等，但实际上各建筑中的电气火灾安全防控中，各种绝缘故障因素以诱发短路为主，进而引发电火花、电弧等一系列连锁反应。其中，短路的类型之一是金属性短路，即带点导体间的短路，主要由线路机械损伤后绝缘性能下降以及过载引起。金属性短路虽然起火危险大，但只要按规范要求安装短路防护电器，并保持其防护的有效性，这种短路火灾是不难避免的。当线路绝缘性能下降，在非人力因素干扰下，带电导体直接接触的概率较低，电流过载时过电流断路器瞬间可以动作而切断电源，火灾往往得以避免。因此，绝大多数金属性短路可通过安装保险丝、过流速路开关、智能断路器进行防护。短路的另一种类型是接地故障短路，即带电导体与“地”之间的短路。这里所说的“地”是泛指与地有联系的设备外壳、金属管道及构架等外露可导电部分。基于这种“地”的类型，使接地故障短路易产生电弧性短路现象。在当前我国配电系统中，接地故障短路隐蔽性强，发生概率大，具有潜在危险，可以从两个方面说明：一是接地故障短路往往以电弧性短路形式出现。电弧性短路起火的基本过程为接地故障产生，故障产生泄漏电流，当泄漏电流达到一定级别引起电火花、电弧，最终引发火灾。在这个基本过程中，电弧温度可高达2000℃以上，极易引起重大火灾。二是带电导体间的绝缘不同于导体与地之间的绝缘，使接地故障发生的机率远大于带电导体间的金属性短路故障。

綜合以上，接地故障短路的检测为电气火灾安全防范的重点。

（二）电气火灾防控技术应用中存在的问题

目前关于电气火灾监控产品的安装、使用以及产品质量等方面的标准体系亟需健全，在尚未完善的标准体系下，电气火灾监控产品存在普遍的随机性。电气火灾监控设备多样，在应用中存在诸多问题，从根本上可归纳为电气火灾防控设备漏报、误报情况严重，设备报警后不会排查问题以解除问题，设备安装、布局不当，用电安全防控产品、工程质量不过关四类主要问题，具体问题分析如下：

1.电气火灾防控设备漏报、误报情况严重。由于当前众多项目的接地故障短路检测以剩余电流检测为主要方法，检测到的剩余电流往往受配电系统内环境中的谐波等干扰，直接的测量值不能作为真正的故障、报警信息提示依据，因此亟需排除干扰，分析出剩余电流中导致隐患的决定分量。除设备技术问题外，部分地区在配置设备设定值时进行偏高性设置，忽略真正存在的安全隐患，加重了漏报情况的发生。

2.设备报警后不会查找问题。电气火灾隐患具有“隐蔽性”，非专业排查人员仅靠感官往往难以发现，依靠科学、准确、可操作的安全检测方法、手段以及专业的隐患排查分析经验技术是电气安全防范工作的关键。配电线路维护过程中出现问题，电气火灾监控设备发出报警或故障信息，但因业主缺乏事故原因分析技能及经验，不能解决问题，以致配电系统“带病”运行。

3.设备安装、布局不当。针对不同场所，选择不同类型设备需要“对症下药”，如对用电安全环境要求极高的医院、高危场所，可选择以高精密漏电检测设备为主，热解粒子探测、温度探测等为辅，合理搭配，共同维护用电安全。电气火灾安全监控设备安装覆盖的泛滥，配电系统安装点位密集，不能科学、合理设定进行有效安装。如有些甚至装到末级回路，本以为报警后能定位到具体回路，但这种情况不仅浪费成本，而且起不到真正的用电防护效果。尤其在常见低压线路中电气装置的设计安装和检验中，该环节是用电安全的重要保障。

4.用电安全防控产品、工程质量不过关。电气火灾监控产品质量不过关，致使在应用后难以稳定运行，监测数据不准确，后期产品维护成本高。

二、电气火灾防控的关键技术

电气火灾安全防控以前期预防为主，尽可能在隐患初期发现，即早发现，早防控，早治理。值得注意的是，当前最先进的防控技术热解粒子检测技术、阻性漏电检测技术，不仅解决了接地故障短路发生时真正导致隐患发生的漏电检测问题，而且热解粒子检测技术实现了利用多重信息的综合性检测。

（一）阻性漏电检测技术

为了用电安全和预防电气火灾，必须对低压配电系统的绝缘电阻进行监测，以判断配电系统的绝缘状态。以往的定期断电绝缘电阻检查方法已经过时，采用24小时在线监测绝缘已成主流。目前对建筑物配电系统进行的绝缘监测，主要以检测的剩余电流为判断依据，但这种方法存在很大的偏差，它不能真实地反映配电系统的绝缘状态，容易产生误报警。随着计算机、家用电器等电气电子设备的增加，利用剩余电流原理检测出的“漏电电流”，其实不是真正的漏电，它含有“容性分量泄漏电流”和“阻性分量漏电电流”，剩余电流是二种分量的矢量和，直接采用剩余电流来衡量“配电线路的漏电”，是不准确、不可靠的，线路的容性分量越大，误差越大。全新的漏电检测技术，使漏电检测发生了革命性变化。该技术能从剩余电流中准确分离出代表绝缘性能的“电阻分量漏电”，滤除线路及各种设备而引起的“容性分量泄漏电流”，以检测纯阻性漏电电流并实施漏电报警，检测精度、报警可靠性得到大幅度提高。

全新的阻性漏电检测方法相对传统剩余电流检测方法检测精度更高、可靠性更强。阻性漏电检测技术以发现引发电气火灾隐患的阻性漏电为前提，创新性提出了阻性分离算法。与传统漏电电流检测方法不同，阻性漏电检测方法通过检测剩余电流Io，通过阻性分离得到阻性电流Ior、容性电流Ioc，各数据量检测如图1（a）所示。其中Io 、Ior、Ioc三者之间的矢量关系可如图1（b）所示。

在阻性分离过程中，去除干扰，提纯阻性漏电，确保计算出配电系统在线的绝缘电阻参数为真正的有害电流分量。该技术当前可实现对有害漏电成分0.001毫安的分辨率，有利于大幅度降低目前市场上通用的火灾报警装置的漏报和误报率。值得注意的是，受当前各种电子设备使用的影响，线路谐波干扰增多，使应用传统方法检测到的“漏电电流”误差随之增大，线路中容性电流Ioc越大，检测误差也就越大。在线路绝缘性检测方面，阻性漏电技术具有绝对的优势，与绝缘摇表、剩余电流检测对照结果，如下表1所示：

（二）热解粒子检测技术

目前电气火灾安全监控装置种类多样，但检测参数单一，如测温式电气火灾安全监控装置仅检测温度、剩余电流式电气火灾安全监控系统仅检测剩余电流、感烟式电气火灾安全监控装置仅检测烟雾浓度。选择这些监控装置实现对低压配电柜的安全监测，不仅成本高而且误报情况时有发生。

考虑到电气火灾起火过程的表征特点，综合应用这些特征以有效检测到电气火灾是热解粒子检测技术的核心。通过热解粒子变化预防电气火灾发生的工作原理是：物质在受热时分解出粒子和气体，此种粒子是能够以自由状态存在的最小物质组分。无论何种原因引起的电气火灾，早期都体现为物体发热、释放粒子、气体、产生异味等。其中高、低压配电柜内发生的电气故障主要的发热体是线缆、负荷开关和保护电器，在配电柜内发热分解出的粒子主要是烟粒子和气体分子。热解粒子检测设备通过监控聚氯乙烯绝缘电缆、铅酸电池、断路器、负荷开关等用电设备过热分解产生粒子和气体的浓度，实现电气火灾的早期监控，防患于未然。

综合性热解粒子检测技术主要通过获取低压配电柜内的至少7个参量的实时数值，分别包括温度、温度变化率、受热分解气体浓度、受热分解气体浓度变化率、PM1.0粒子浓度、PM2.5粒子浓度和PM10粒子浓度。通过获取上述7个参数，综合作为低压配电柜内安全早期预警评判的重要参数，并根据阈值设置、动态权重分析将这7个参数进行整体融合分析，实现了低压配电柜内电气火灾安全隐患的准确早期探测，避免了漏报、误报。

三、电气火灾防控的常规性技术

（一）故障电弧检测

当前国内对故障电弧的检测算法还广泛处于研究阶段，基于电弧电流特征的故障电弧检测方法存在信息源单一的不足，容易引起保护误动作和拒动作，常见辨别方法多根据电弧电学特性，包括光、热、电流变化率、小波频段等，但当负载类型较多时其判别难度加大。因受线路负载限制，其故障电流小，以至于现有体系无法实现对串联电弧故障保护，存在电气安全隐患。电弧发生时，会产生大量的热，易引燃周围的易燃物，从而引发火灾。与传统电气故障相比，故障电弧的电流幅值变化较小，传统的电气故障防护和保护装置难以识别，无法有效防护故障电弧的发生，使得故障电弧成为引发电气火灾的重要原因。

随着对大数据量的波形信号处理技术研究的加深，通过对大数据集电弧波形信号的处理可实现准确故障电弧的预判。值得注意的是，基于各种神经网络模型实现电弧模型类别分析的方法是当前技术研究的热点。其总体思路可概括为：电弧波形信号采集，对采集信号学习训练后的模型作为神经网络的初始模型，这种学习训练后的模型承载了大量的电弧波形特征量，基于此特征量与故障电弧波形之间的映射关系得到单个特征量输入后的故障电弧判别，有效提高故障电弧检测的準确率。

（二）温度、烟雾浓度检测

由图2电气火灾起火的表征分析模型图可以看出，高聚物的分解和液化时，烟雾和温度时重要的表征形式，虽然可以通过检测更早期的热解粒子、阻性漏电进行防控，但基于现实情况下设备成本以及各场所的安全需求，温度和烟雾浓度检测也可满足常规电气火灾安全监控要求。根据当前市场应用情况，温度检测主要以借助热敏感性电子元件的特性实现温度检测，而烟雾浓度的检测方式包括离子型、光电型、红外对射型、激光型等。

温度探测器常见的电子元件主要有热电阻和热电偶两类，但由于热电阻的温度范围、灵敏度相比热电偶更适用于各类建筑，当前温度探测器主要以热敏电阻元器件构成。热敏电阻用半导体材料，阻值随温度变化呈现规律性变化。常用PT100或PT1000铂电阻作为温感探头，其体积小、温度变化响应快，不会造成热负载，具有抗振动，耐高压的特点，这使其在温度传感器设计中得到广泛推荐。铂电阻为正温度系数热敏电阻，在其工作时，信号采集到其对应的阻值信息，便可根据分度表得到对应的温度值。

感烟探测器在火灾初期发挥作用，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾，适用于家居、商店、歌舞厅、仓库等一般性场所。有感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、红外光束感烟式等几种形式。其中离子感烟式探测器是点型探测器，它在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相结合而降低了空气的导电性，造成离子移动减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。光电感烟探测器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用，光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。根据接入方式和电池供电方式等的不同，又可分为联网型烟感、独立型烟感、无线型烟感。红外光束感烟探测器是线型探测器，它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。

四、结语

电气火灾已严重影响经济社会的发展，强力推进用电安全检测技术，为安全生产提供更加科学先进的监控预防手段，必然成为当前电气火灾安全监控系统研究和发展的趋势。

参考文献：

[1]Babrauskas V . Research on Electrical Fires： The State of the Art[J]. Fire Safety Science， 2009， 9（6）：3-18.

[2]王厚余.电弧性接地故障火灾的防范[J].电气工程应用，2001（04）：10-13.

[3]胡昆枝，刘勇，龚令翔.建筑电气火灾致因及防控对策分析研究[J].江西建材，2018，230（05）：81-82.

[4]王厚余.浅论电气线路的短路起火和线路过载的防范[A].中国消防协会年会面向新世纪消防学术研讨会论文集[C].1999.

[5]王厚余.建筑物电气装置600问[M].中国电力出版社，2013.

[6]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].中国电力出版社，2007.

作者简介：

吴志强（1958—），男，黑龙江哈尔滨人，原北京市消防总队总队长（消防局局长），高级工程师，少将，国务院安委会应急救援专家组成员，灭火救援专家组成员，中国消防协会常务理事。