电气火灾防范技术应用的现状分析

三、电气火灾防范技术应用的现状分析

（一）电气火灾防范技术应用现状

据公安部消防局的统计数据，我国重特大电气火灾多为短路、过负载、接触不良、过热、漏电等故障性电气火灾，此类火灾所占比例达到89.5%。其中，短路是引发重特大电气火灾最严重的故障形式，占比高达52.0%。

短路会引发火灾的原因在于，当电力线路发生短路时，短路阻抗比正常的负荷阻抗要小得多，短路电流比正常负荷电流要大十几倍、几十倍甚至上百倍，由于载流导体来不及散热，温度急剧上升而损坏设备。而且，短路的暂态过程还会产生很大的冲击电流，流过设备的瞬间将产生很大的电动力，破坏电气设备。再者，短路时，由于强电场发射和热电发射等作用，电子在短路点附近会碰撞游离产生温度极高（6 000℃以上）的导电电弧，不仅可能引燃自身的绝缘材料，还可能将附近的可燃材料蒸汽、粉尘点燃。

短路保护本质上就是当电流超过线路安全载流量时，在尽可能短的时间内及时切断电路，避免线路受电流高温作用造成损坏或者电弧持续释放能量而引发火灾。我国目前传统的短路保护设备（主要是断路器和熔断器）分断短路故障电流时需要毫秒级的时间，其短路电流仍然会上升到正常负荷电流的十几倍。同时，其灭弧效果比较差，因此引发火灾几率仍然很大。本节将通过分析断路器和熔断丝的工作原理、组成，来研究分析它们在电气火灾防治中的作用及其他们的优缺点。

1.熔断器

熔断器（fuse）是当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。

熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为“熔断体（fuse-link）”。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。

1）熔断器的工作原理

熔断器以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。它具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。

熔断器主要由熔体、外壳和支座三部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体的材料、尺寸和形状决定了熔断特性。熔体材料分为低熔点和高熔点两类。低熔点材料如铅和铅合金，其熔点低容易熔断，由于其电阻率较大，故制成熔体的截面尺寸较大，熔断时产生的金属蒸气较多，只适用于低分断能力的熔断器。高熔点材料如铜、银，其熔点高，不容易熔断，但由于其电阻率较低，可制成比低熔点熔体较小的截面尺寸，熔断时产生的金属蒸气少，适用于高分断能力的熔断器。熔体的形状分为丝状和带状两种。改变截面的形状可显著改变熔断器的熔断特性。

2）熔断器的类型

熔断器根据使用电压可分为高压熔断器和低压熔断器。根据保护对象可分为保护变压器用的熔断器、一般电气设备用的熔断器、保护电压互感器的熔断器、保护电力电容器的熔断器、保护半导体元件的熔断器、保护电动机的熔断器和保护家用电器的熔断器等。根据结构可分为敞开式、半封闭式、管式和喷射式熔断器。

（1）敞开式熔断器：敞开式熔断器结构简单，熔体完全暴露于空气中，由瓷柱作支撑，没有支座，适于低压户外使用。分断电流时在大气中产生较大的声光。

图6　敞开式熔断器

（2）半封闭式熔断器：半封闭式熔断器的熔体装在瓷架上，插入两端带有金属插座的瓷盒中，适于低压户内使用。分断电流时，所产生的声光被瓷盒挡住。

图7　半封闭式熔断器

（3）管式熔断器：管式熔断器的熔体装在熔断体内，然后插在支座或直接连在电路上使用。熔断体是两端套有金属帽或带有触刀的完全密封的绝缘管。这种熔断器的绝缘管内若充以石英砂，则分断电流时具有限流作用，可大大提高分断能力，故又称作高分断能力熔断器。若管内抽真空，则称作真空熔断器。若管内充以SF₆气体，则称作SF₆熔断器，其目的是改善灭弧性能。由于石英砂、真空和SF₆气体均具有较好的绝缘性能，故这种熔断器不但适用于低压也适用于高压。

图8　管式熔断器

a.螺旋式熔断器RL：在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为5～200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。

图9　螺旋式熔断器

b.有填料管式熔断器RT：有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为50～1 000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。

c.无填料管式熔断器RM：无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。使用的熔体为变截面的锌合金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关使用。

d.有填料封闭管式快速熔断器RS：有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。

（4）喷射式熔断器：是将熔体装在由固体产气材料制成的绝缘管内。固体产气材料可采用电工反白纸板或有机玻璃材料等。当短路电流通过熔体时，熔体随即熔断产生电弧，高温电弧使固体产气材料迅速分解产生大量高压气体，从而将电离的气体带电弧在管子两端喷出，发出极大的声光，并在交流电流过零时熄灭电弧而分断电流。绝缘管通常是装在一个绝缘支架上，组成熔断器整体。有时绝缘管上端做成可活动式，在分断电流后随即脱开而跌落，此种喷射式熔断器俗称跌落熔断器。一般适用于电压高于6kV的户外场合。

图10　喷射式熔断器

此外，熔断器根据分断电流范围还可分为一般用途熔断器、后备熔断器和全范围熔断器。一般用途熔断器的分断电流范围指从过载电流大于额定电流1.6～2倍起，到最大分断电流的范围。这种熔断器主要用于保护电力变压器和一般电气设备。后备熔断器的分断电流范围指从过载电流大于额定电流4～7倍起至最大分断电流的范围。这种熔断器常与接触器串联使用，在过载电流小于额定电流4～7倍的范围时，由接触器来实现分断保护，主要用于保护电动机。

随着工业发展的需要，还制造出适用于各种不同要求的特殊熔断器，如电子熔断器、自复熔断器等。

3）熔断器对于火灾防范的缺陷

根据熔断器的工作原理，当线路电流过大时，熔体自身发热而断开，从而断开线路，保护用电系统。但下列情况可能导致熔断器不工作并可能引发火灾：

（1）熔断器选择不当，额定电流选择过大；

（2）用户私自将高熔点金属（铜丝、铁丝等）代替低熔点熔体；

（3）线路铺设不符合规定，线路系统内阻抗较大，短路时电流上升较少，达不到熔断器额定工作电流。

2.断路器

断路器（circuit-breaker）是能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。

1）断路器的工作原理

断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。当短路时，大电流产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。

现在有电子型的断路器，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。

2）断路器的类型

断路器按其使用范围分为低压断路器和高压断路器。

低压断路器又称自动开关，俗称“空气开关”，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，现已获得了广泛的应用。图13为典型低压断路器原理图。

图11　低压断路器外观图

图12　典型低压断路器的内部结构图

图13　典型低压断路器的原理图

1—操作手柄　2—主触头　3—自由脱扣电磁铁　4—分闸弹簧　5—过流脱扣电磁铁　6—过流脱扣器衔铁　7—反作用力弹簧　8—热脱扣器双金属片　9—热脱扣器电流整定螺丝　10—加热元件　11—失压脱扣电磁铁　12—失压脱扣器衔铁　13—反作用力弹簧　14、16—断路器辅助触头　15、17—分闸按钮　18—传递元件　19—分励脱扣电磁铁　20—分励脱扣器衔铁

图14　典型真空断路器外观图

高压断路器又称高压开关，是发电厂、变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路以及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。高压断路器种类很多，按其灭弧机理的不同，可分为：油断路器（多油断路器、少油断路器）、六氟化硫断路器（SF₆断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等。

3）断路器对于火灾防范的缺陷

根据断路器的工作原理，室温20℃时，断路器跳闸的技术参数为正常情况下：110%额定电流时，3h不动作，超3h可能动作；135%额定电流时，30min不动作，超30min可能动作；600%额定电流时，1～5s动作。下列情况下可能导致断路器不动作，具有引发火灾的危险。

图15　典型真空断路器结构示意图

（1）当线路过载时，电流上升较慢，时间较长，可能引发火灾而断路器不工作；

（2）线越粗、越短、短路电流越大，线越小、越长、短路电流越小。短路发生后，短路电流上升，短路电流受短路点、回路线径等限制，但没有达到额定动作电流时，断路器不动作；

（3）断路器选择不当，额定工作电流选择过大。

（二）电气火灾防范技术发展趋势

电气线路最初的设计、安装大都是符合规范要求的，但由于企事业单位在使用中管理失位，用电设备增多，大量增加临时线路；在居民生活中，熔断器发生故障后经常图省事随意更换成其他替代品，线路日久老化，这些因素都导致电气线路在后期成为引发火灾的隐患。而对电气线路的检测、维护保养方面，虽然技术手段上已经成熟，但检查过程较为复杂，面对线路错综复杂的建筑群，或年代久远的老式居民住宅区，日常的电气线路检查难以发挥应有的作用，隐患、死角依然存在。研发新技术和新产品，是预防电气火灾的一项重要技术措施，也是防范电气火灾的发展趋势。