浅谈易引起电气火灾的接地故障

窦甜华 / 张 强(山东同圆设计集团有限公司， 山东 济南 250101)

0 引言

民用建筑中的低压供配电系统是电力系统中与用户联系最密切的部分，它是否能够合理、安全、高效与稳定地运行，直接关系到人们的生产生活。但低压配电系统存在的问题也相对较多，据统计，在电气火灾和电击死亡事故成因中，380/220 V低压配电系统问题占70%以上。

1 低压配电系统中的接地故障及其危害

据1993～2002年特大、重大电气火灾起火部位统计资料显示：电气线路上的起火占52%。短路、过热是引发电气火灾的主要原因[1]。民用建筑中主要采用TN-C，TN-S和TN-C-S三种系统，其接地主要是通过PE线或PEN线实现。低压配电系统中的接地故障不同于一般的短路故障，是相线与地或与地有连接的导体之间的短路，如PE线、PEN线、用电设备金属外壳、金属管道及敷设的建筑物构件等对大地短路，它不包括相线与中性线之间的短路，不同于一般的单线短路，如图1所示。

与金属性短路相比，接地故障较隐蔽、复杂，不易发觉，接地故障中引起电气火灾的起火源可分为三类：故障电源起火，故障电压起火，保护线或保护中性线的接线端子导电不良起火。这些起火源因接地电阻大，限制了故障电流，不能及时切断电源，以电弧、火花的形式产生高温，引燃周围可燃物质。对于故障电源起火，常以电弧性短路的形式出现，产生的局部高温很容易引燃周围的可燃物。对于故障电压起火，不仅会造成人体电击事故，且仅有20V的电压就可维持电弧持续发生，极易引起火灾。由接地故障引起的电弧、电火花是最常见的电气火灾原因。

接地故障发生于TN-S、TN-C-S系统时，如果不及时切断电源，故障电流会沿保护性地线流向与之相连的电气设备金属外壳，也可能向邻近的水暖、煤气等接地的金属管道传导，引起故障电弧起火。因此要采取一些有效的措施来检测接地故障，预防电气火灾的发生[2]。

图1 接地故障示意图

2 接地故障预防

2.1 我国现有预防电气火灾的规范

近年来，随着电气火灾给人民的生命财产安全造成的损失越来越多，国家提高了对电气火灾的防控力度，相继制订和修改了一系列的标准规范。目前国内现有的标准、规范主要是针对接地故障造成的电气火灾制定的，如《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-2005)(简称高规)中规定高层建筑物内火灾危险性大和人员密集的场所宜设置漏电火灾报警系统。

剩余电流俗称漏电流，但含义比漏电流更广，它包含电器线路绝缘损伤流入大地的接地故障电流，对地电容电流，谐波分量电流及电器设备和线路正常运行时对地的自然泄漏电流。在《剩余电流动作保护装置安装和运行》(GB 13955-2005)中统称为“剩余电流”[3]。我国颁布的《住宅设计规范》(GB 50096-1999)也明确规定居民住宅楼的总电源进线处，应装有带剩余电流保护功能的断路器。《剩余电流动作保护装置安装和运行》(GB 13955-2005)中指出：安装剩余电流动作保护装置不仅能有效预防人身电击事故的发生，在防止因接地故障引起的电气火灾中也起到重要作用[4，5]。《电气火灾监控系统》(GB 14287-2005)标准包括3部分：《电气火灾监控系统》(GB 14287.1-2005)、《剩余电流式电气火灾监控探测器》(GB 14287.2-2005)和《测温式电气火灾监控探测器》(GB 14287.3-2005)。规范中指出：电气火灾监控探测器是指探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数变化量的探测器[6]。2012年5月山东省质量技术监督局发布了一个地方标准《电气火灾监控系统设计、施工及验收规范》，主要是针对接地故障引起的电气火灾进行检测。

2.2 接地故障预防措施

接地故障保护需根据接地形式的不同，采取相应的措施和方法。预防因接地故障引起电气火灾的措施有很多种。目前，在电气设计中，对建筑物低压配电系统实施接地保护的两种方法是：安装剩余电流保护装置和采取总等电位、局部等电位联接。等电位联接是减少设备电气事故、保护人身安全及减少电气火灾的一个重要措施。对于改造或扩建的工程项目建筑物内的电子设备、微电子设备和通信网络设备，也同样应采用全局等电位和局部等电位联结。另一个重要的措施就是按照IEC标准中的明确规定，在建筑物内设置剩余电流保护器，且采取分级保护的原则，电源总进线处设置的剩余电流保护器规格一般为300mA～500mA。剩余电流保护器的设置，不仅对建筑物低压配电系统起到预防电气火灾的作用，同时也进一步降低了人体触电事故的发生率[7]。

3 剩余电流动作保护器

目前，剩余电流保护器(Residual Current Protective Devices，RCD)已被广泛应用。监控终端编码器和剩余电流传感器安装在现场，如低压柜负荷回路出线开关处或配电箱电源进线总开关处。剩余电流保护器主要对配电系统内因接触不良、导线老化等原因引起的接地故障起监测作用，弥补传统保护装置的不足[8]。

3.1 剩余电流保护器原理

目前，应用于建筑物低压配电系统的剩余电流保护器一般由剩余电流传感器，脱扣器和报警器三部分组成。其检测原理是理论上相线、中性线电流的矢量和为零。因导线绝缘性能降低、设备漏电等原因发生接地故障时，剩余电流传感器将感应出与接地故障电流大小成正比的电流，感应电流的大小就反映配电线路或电气设备中电流的泄露情况，其值若达到设定阈值，就会使报警器发出报警信号或指示脱扣器动作切断电源[9]，以防止电气火灾的发生。

3.2 剩余电流的形式

建筑物低压配电系统中的剩余电流可分为两种形式：平均分布式剩余电流和点热积聚效应式剩余电流。平局分布式剩余电流分为两类：平均线式分布电流和平均点式分布电流，前者是指沿线路平均泄漏电流，与线路对地电容、绝缘阻抗及环境温、湿度有关；后者是指各变、配、电设备工作时产生的剩余电流，其累加值有时可高达500mA。但引起电气火灾的最大隐患还是点热集聚效应式剩余电流，即由接地性故障电弧引起的剩余电流。一个配电区域系统的自然泄露电流值等值于对地的剩余电流，平均分布式剩余电流＞300mA可能不会引起电气火灾，而点积聚式剩余电流值若＞300mA，则是真正的火灾隐患。一般，对于电弧型接地故障，其有效剩余电流动作保护值≤300mA。

3.3 剩余电流保护器的误动作

低压配电系统中的规范要求，当发生因接地故障导致人体触电，电气线路或设备内部迸发火花、电弧时，要求剩余电流保护器发出声光报警并及时切断电源。市场上现有很多可实现独立报警，不需要跟控制器连接的剩余电流保护器，当被监测的剩余电流值超过报警阈值时，就发出报警。剩余电流式保护器设定的报警阈值必须与探测电气线路相适宜，才能有效预防电气火灾的发生。目前常用的剩余电流保护器均采用设定固定阈值的方法检测剩余电流，由于各种原因，剩余电流保护器常出现拒动和误动[10]。

剩余电流保护器拒动，排除因其本身质量差、额定动作电流设置过大及投切次数频繁造成内部电子元件损坏这几个因素外，随着越来越多的电器进入普通家庭(如电视机、个人计算机等)，这些家用电器的电子整流设备导致电网中存在大量谐波，当发生故障时，谐波中的直流分量不会使剩余电流保护器中的剩余电流传感器产生感应电势，就造成了漏报。

剩余电流保护器经常误动作，是导致其在实际应用中只实施报警功能而不切断电源的重要原因。这是因为不仅当电气设备内导线或者配电线路老化时会发生接地故障产生剩余电流，当无故障发生时，建筑物内各供电线路及电气设备之间都存在分布电容，其产生的自然泄露电流的矢量和使剩余电流值升高，自然泄露的电流值超过保护器的设定阈值，致使剩余电流报警器经常误报，给用户带来诸多不变，使人们对剩余电流保护器持怀疑态度。

例如，居民住宅小区中，配电系统中的用户多、用电设备复杂，即使电气设备、电缆等质量良好，由于上述原因每户仍有10mA左右的剩余电流存在，而单元配电箱中的剩余电流保护器检测的是总的矢量和。一般自然泄漏电流控制在120mA左右是比较合适的范围，根据自然泄露情况，选择合适的参数及剩余电流传感器安装位置。现有剩余电流保护器报警阈值在设定好之后不连续可调，当多个用户使用大量电气设备时，就可能造成中间保护或总保护误动作。此外，大功率的用电设备启动或者保护器受到强的电磁干扰进一步增加了保护装置误动作的几率。实际工程中，每一个区域的配电系统泄漏电流值与环境温湿度、电压电流值、频率、电线老化程度、气压和电能质量等相关。在常温、湿度、大气压下，电力系统各部分均有自然泄漏。导线、电动机的电流泄露情况分别如表1和表2所示。

在具有一级负荷的重要建筑物中，为避免电源中断带来重大损失，不能随意断电，因此，在实际工程应用中，安装的剩余电流保护器起到只报警不断电的作用。

造成上述情况的根本原因是剩余电流保护器的报警阈值采用人工设定，在现场安装保护装置前，使用钳形漏电流表测试出配电回路中的最大剩余电流值，然后按照国标中的相关规定，并结合实际经验设定报警阈值。阈值一般分200mA，300mA，500mA3个档次，设定后便不可调。这种设置方式具有一定的局限性。保护器智能化程度不高及自适应能力不强是造成漏报警或误报警的重要原因[11]。

5 民用建筑接地故障检测系统

电气火灾主要引火源之一是过热，国家标准《测温式电气火灾监控探测器》(GB 14287-3-2005)中也指出设置测温式探测器，是预防因导线老化或导体接触不良等产生热效应、引发电气火灾的有效措施。结合点热积聚效应式剩余电流是引起电气火灾的主要原因，测温式电气火灾监控探测器也可根据实际情况选择全部或局部范围单级或多级监控。使用温度传感器和剩余电流传感器，对建筑物低压配电系统中常发生的电弧性接地故障进行监测，主要检测对象为建筑物中的低压配电箱，对配电箱中的电缆芯线端子松动、接触不良及长期发热电缆绝缘击穿导致的接地故障进行监测。当配电箱中发生上述接地故障时，其故障电流不大，过流保护器不动作。温度传感器还起到对因过载、过流等引起的大的局部高温进行检测的作用。以住宅为例，传感器安装位置为单元总配电箱中负荷回路的出线处或楼层配电箱中电源进线的开关处。传感器的安装位置与监测系统如图2所示。

表1 220/380V线路每公里泄漏电流(mA)截面(mm2)

表2 电动机泄漏电流(mA)

5.1 剩余电流检测

剩余电流传感器安装于断路开关后面，检测电源总线的剩余电流，需要注意的是在确定剩余电流报警参数之前，需要结合建筑物的面积，计算或者实际测量建筑物内电气线路和设备的自然泄露电流。例如，《全国民用建筑工程设计技术措施》电气部分中规定：单相配电系统，住宅建筑面积在1 500m2以下和1 500～2 000m2，保护器额定动作电流宜分别设为300mA、500mA，而超过6 000m2时，总配电箱的出线回路上需装几组保护器。对三相配电系统，同样是需要根据建筑物面积的大小，设置相应参数和数量的漏电(剩余电流)保护器。之所以采取上述措施，就是基于住宅户数的增多、固有泄露电流增大的原因。住宅中某用户主要使用的家用电器产生的自然泄漏电流值如表3所示。

取家用电器同时使用的几率为0.6，加上敷设导线、设备之间存在的分布电容等情况，通过测量，一般一个三居室的自然泄露电流为18～30mA，一个住宅单元中有6个住户时，自然泄露电流(剩余电流)值为 ：Id=(108～180)×0.6=(64.8～108)mA

5.2 温度检测

配电系统中对因线路接触不良产生的局部高温或过流导致的温升，根据建筑物实际情况一般在全局或局部范围内设置单级或多级温度监控。配电系统中温度传感器的设置位置，以接近发热源(如线路接头，开关触点及导线表面)为准则。设置方法有两种：

图2 接地故障检测系统示意图

(1)将温度传感器置于电缆绝缘材料的表面，采集电缆表面的温度值，检测导线长时间过流引起的温升；

(2)将温度传感器置于线路接线端子处，检测因线路长时间过流和接点接触不良引起的高温。本文温度传感器主要用于检测配电箱接地性故障电弧发生时产生的高温。使用DS18B20，可根据实际配电箱大小，建筑物负荷等级及线路复杂程度确定温度传感器的个数，以便对进线电缆温度，出线电缆温度和配电箱体温度实施监测。

目前建筑物中最常使用的是聚氯乙烯电缆，根据《电力工程电缆设计规范》(GB 50217-2007)规定，对电缆有关温度的规定主要集中在以下几方面：60℃为聚氯乙烯绝缘电缆工作的高温环境；电缆所承受温升与敷设及散热条件有关；聚氯乙烯绝缘电缆缆芯最高温度为70℃，同时环境温度为40℃。额定温度动作值的设定，需根据电气绝缘材料等级对应的短时允许耐热温度(极限工作温度)和长期允许耐热等级确定，一般设定在55℃～140℃左右。DS18B20的温度测量范围是-55℃～125℃，精度为±0.5℃，多个DS18B20可同时挂接于一条数据总线上，与传统的热敏电阻相比，被测温度可直接被读出，不需要外加A/D转换电路，满足测量要求。

5.3 接地故障检测流程

接地故障检测流程如图3所示，将温度传感器与剩余电流传感器安装于建筑物低压配电系统配电箱中，将采集的温度和剩余电流信号进行数据融合处理，分析结果通过信号线传至消防控制室，若出现异常则发出火灾报警，通知工作人员，无异常则继续检测，发出报警信号后，若出现温度快速升高的现象，则脱扣器动作，切断电源，避免火灾事故扩大，若报警后没有快速升温现象，工作人员也应到现场检查电路，找出报警原因，以免遗漏接触不良等故障，为火灾事故埋下隐患。

表3 各种家用电器泄漏电流(mA)

图3 接地故障检测流程图

6 结束语

单纯使用剩余电流保护器对接地故障进行检测，已满足不了准确预防电气火灾的要求。检测对象多元化、监控装置智能化已成为未来接地故障检测的发展趋势。新颁布的山东省地方标准中规定，电气火灾监控系统中的电气火灾传感器包括：漏电流传感器、温度传感器、电流传感器三种，这三种探测器对常引起电气火灾的过电流、接地故障进行实时监测，以达到准确报警的目的。

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