電氣系統故障引發建筑火災的原因（上）

中國人民警察大學火災物證鑒定中心

西安科技大學火災物證鑒定中心

                            2019年4月9日

電氣系統故障引發建筑火災的原因

Vytenis Babrauskas

火災科學與技術有限公司     

9000-300th Place SE    Issaquah,WA 98027,USA

摘要：電氣線路或設備發生故障引發的火災，在建筑火災中占有很大比例，然而關于電氣故障引發火災的機理，一直沒有得到較為廣泛的研究。本文綜述了此方面公開發表的研究成果，并指出了需要進一步研究的方向。本文主要關注的是120/240V單相配電系統。通過研究也發現，關于此方面的系統研究還比較少，而且其中大部分都是日本學者的成果。

根據美國消防協會（NFPA）最新統計數據[1]，1993-1997年，美國平均每年有41,200起住宅建筑火災由電氣故障引發，造成336人死亡，1446人受傷，直接財產損失6.439億美元。這個數據中，包括一部分沒有查清具體起火設備的電氣火災（譯者注：類似我們常說的不排除電氣故障引發火災），但不包括設備的電源線或插頭插座故障（引發的火災）。41,200起火災（電氣故障引發建筑火災）占總建筑火災的9.7%，位于12大起火原因的第5位；直接財產損失6.439億美元占總損失的14.4%，排名第二位（僅落后于放火嫌疑火災）。美國聯邦應急管理署（FEMA）發布[2]的1985–1994年早期統計數據說明了類似結果：在所有起火原因中，從引發火災數量上來說，電氣系統排名第5，火災傷亡排名第4，財產損失排名第2。表1中詳細列出了各類電氣故障引發火災的比例[1]。

表1 美國住宅配電系統引發火災的原因

電氣火災造成如此高的損失，并不是說電氣系統的安全性不可靠。美國有2.7億人口，住在1億套住宅單元內，平均每套住宅單元有5.4個房間[3]。這意味著每套住宅單元居住著2.7人，或每個人占用2個房間。假設每個房間有4個插座母片，插座母片的數量最多可以達到4×2×270×106=21.6億個。不可能所有的插座都插著插頭但估計有一半是插著用電設備的。對于這一半使用著的插座，假設一半插座與其他插座是菊花鏈狀連接，其中一半插座在使用狀態（譯者注：所謂菊花鏈狀連接，簡單的理解就是一根電源線，連接一個有兩組以上插孔的插座板的連接。這種連接方式，各插孔的線路將可能會連接在同一根主線接點上，組成一個形似“菊花”的形狀。這里筆者想表達的意思是一個插板上往往有兩組插孔母片，這兩組插孔母片中一般有一組是使用狀態，因此筆者做假設的時候假設其中一半是使用狀態）。這樣，實際帶電的母片數量大約是總數21.6億的3/4，約16.2億（譯者注：沒有接用電設備的一組插座母片中連接火線的母片也是帶電的，因此這里的比例是3/4，這里筆者在做假設時其實忽略了一部分三孔插座）。根據NFPA的統計數據，4700起火災是由于開關、插頭和插座造成的，美國消費品安全委員會（CPSC）[4]單獨統計了開關故障引發火災的數量，占到上述數據（4700起火災）的30%。減去這些開關故障引發的火災，每年有3290火災是由插頭插座故障引發。估算一下，這種故障率僅為3290/1.62×109或每年2×10-6。這個故障率非常低，說明電氣插頭插片非常可靠。電氣系統故障引發火災的問題并不取決于每年每臺設備的故障率。相反，問題在于建筑電氣系統中分布著數量龐大的電氣設備。每個設備都輸出能量，每個設備都有可能發生故障而引發火災。

鑒于電氣系統故障引發的火災，造成財產損失數量位居第二，人們可能會認為，一定會有大量關于電氣故障引發火災機理的研究。但事實證明，此方面的研究還比較少，且不系統。目前對電氣故障的分析，主要從以下方向開展研究：

a.研究導致故障發生的具體行為或過失；

b.根據設備功能或其發生故障的部件，對故障進行分類研究；

c.研究故障發生的基本原理。

雖然在重構故障發生場景時，a和b非常重要，但是本文重點討論c。由于很多學者[5,6]已經對a和b進行了研究，對c的研究顯得非常重要。

通過對故障機理的分析，雖然存在各種各樣的引燃情況，但實質上只有幾種主要的引燃方式可以引燃導線絕緣和導線附近可燃物的：

（1）電弧；

（2）電阻過熱，無電弧；

（3）外界加熱。

有些引燃過程是幾種引燃方式綜合作用的結果，所以不應該將其視為相互獨立的引發火災的原因。

由電路拓撲結構講，電弧可以分為串聯電弧（圖1）和并聯電弧（圖2）。有些學者認為電氣線路中除了中性線外，還存在接地線，有可能存在第三種電弧形式，即接地電弧。但是從電路的拓撲結構講，由于接地電弧發生時，不存在電阻，這種電弧應該屬于并聯電弧的一種。應該清楚這兩種基本類型電弧的區別。在串聯電弧發生時，電弧發生會降低電氣線路中的電流值。這種情況下，過流保護器可能不會發生動作響應。

產生電弧的原因有很多，但主要有以下幾種：

（1）絕緣炭化（尋蹤電弧）；

（2）外部作用導致空氣離子化（火焰或前續電弧作用產生）；

（3）短路。

圖 1 串聯電弧

圖2 并聯電弧

在120V電路中，如果出現炭化導電路徑，很難形成持續性的拉弧。有時將其叫做“穿炭拉弧”（arcing-across-char）。在電氣工程領域中，很多年前就已經查明了發生此現象的機理[7]。絕緣材料之間形成炭化路徑并不是一個簡單問題。已經證實不止一種方式可以產生此路徑。最簡單的一種方式，是在有些標準試驗中[8]，在絕緣表面直接產生電弧，如：將絕緣至于兩極之間，加高壓后產生。另一種作用機理是表面受到潮濕和污染的共同作用。這個過程有時叫做“濕式尋蹤”（wet tracking），在使用聚芳酰胺作為絕緣材料的航空導線上易出現此問題[9]。表面潮濕和污染共同影響下，在絕緣材料表面產生泄漏電流，導致炭化導電路徑的形成[10]。

從產生尋蹤電弧難易程度來說，各種絕緣材料間的差異較大。在120V/240V電氣線路中，多數導線的絕緣材料是PVC材料，但是對于預防尋蹤電弧來說，PVC材料不是令人滿意的絕緣高分子材料[10]。Noto和Kawamura[11]已經做了大量的關于PVC導線濕式尋蹤電弧方面的實驗研究。在國際電工委員會（IEC）60112標準實驗中[12]，記錄了很多濕式尋蹤電弧引發明火燃燒的實驗樣本類型。

PVC絕緣材料在200–300℃的熱作用下，逐漸發生炭化成為半導體材料。這就不奇怪，這個過程將導致泄漏電流發生，并拉弧。Nagata和Yokoi[13]發現，如果原始的PVC絕緣材料導線在略低于160℃條件下加熱，1mm厚的絕緣材料加載100V電壓，就足以引起絕緣材料燃燒。進一步研究發現，如果導線絕緣材料加熱至200–300℃，冷卻后再通電僅需加熱至較低溫度（從室溫到40℃），就會出現燃燒現象，如圖3所示。

圖3 在100 V交流電作用下，預熱溫度和測試溫度對1 mm 厚PVC導線絕緣層引燃的影響

Hagimoto等[14]對電弧故障（并聯電弧）進行了實驗研究。他們認為此過程是一個重復但是沒有規律的現象。他們發現以下變化過程：

• 在炭化層最初有電流通過；

• 電流增加并產生局部電弧；

• 電弧導致金屬熔融并噴出熔融物；

• 一旦熔融物噴出，電流斷路；

• 持續的電流通過炭化路徑，從而再次產生較大電流。

這個過程不可以完全進行重復。這些學者也對此過程中的電流波動進行測量，發現最高峰值電流可達250A，但出現次數非常少，電流波動的峰值一般不超過50A。故障發生時，斷路保護開關按照預期的動作，需要較長的時間。（當然需要注意的是實際電流值取決于具體電路測試的電阻值）。

空氣本身具有很高的絕緣強度（除微小間距外，擊穿電壓約為3MV/m），但是如果氣體空間以某種方式發生電離后，擊穿空氣所需的電壓就會降低。火焰和前續電弧就是兩種造成空氣電離的方式。如果在分布總線上產生一個嚴重的電弧故障，將產生大量的電離氣體。電離氣體經一定距離擴散后，一旦接觸另一個電路，易造成絕緣擊穿，就會在其他位置產生新的電弧[15]。Mesina[16]實驗研究證明火焰將使空氣的絕緣強度降低，在火焰中空氣的絕緣擊穿電壓降至0.11MVm-1左右。但是，Mesina只研究了1600V以上的電壓條件。

在火災現場中，火災誘發電弧是最常見的電弧破壞形式[17]。導致其發生的原因，包括絕緣炭化、空氣電離或二者共同作用，但是目前并沒有針對120V電氣線路火災誘發電弧產生現象的專門研究。

在電氣路線中突然出現低電阻、高電流的現象，此現象通常稱為短路。主要有兩種短路形式：

（1）黏連性短路（bolted short），金屬線芯之間，完全直接短接，形成較好的連接；

（2）電弧性短路（arcing short），金屬線芯之間接觸不是持續性的，以電弧方式產生電流。

對于黏連性短路，不僅僅是故障點局部發熱，而是整個電氣線路發熱。接線錯誤易造成黏連性短路，進而導致斷路器動作。引燃可燃前，斷路器通常發生動作。事實上，室內分支線路中，黏連性短路引發火災是非常困難的[18, 19]。

兩個導體之間瞬時接觸，可產生電弧性短路。短路造成接觸部位的金屬熔融，并產生磁力，將導體分開，導體之間產生的液態連接，也將斷開。當導體分開時，出現電火花。在較大線徑導線上，可看到電弧性短路造成的表面凹陷痕跡；電弧性短路會整個熔斷較小線徑導線；在NFPA921中，用圖文的形式介紹了此類熔痕[20]。

在20A或規格更小的斷路器或保險絲提供保護的電氣線路中，電弧性短路時引燃可燃物也是非常困難的。例如，Beland[17]用錘子擊打電纜、包鐵電纜和電纜套管，直至斷路器動作；雖然有時，木質纖維板的松散纖維可以點燃，但此種方式產生的機械火花是無法引燃木板的。另外，Kinoshita等人[21]用1.6mm2單股導線和1.25mm2多股導線，分別產生年黏連性短路故障，成功引燃了棉質紗布。這次實驗中，使的是用20A熱模型斷路器提供保護。當使用20A熱/磁型斷路器提供保護時，無法引燃。

一些精心設計的實驗揭示了短路引發的并聯電弧具有較強的引燃能力。Franklin[22]發發現，用對角切割器切斷電源線時，很容易引燃毛毯和紙張。以噴濺出銅熔珠的方式引燃。在這種情況下，在磁力作用下，導線分開，黏連性短路只會持續很短的時間，隨后轉化成電弧性短路。在20A斷路器動作前，在電源線上出現了30次此種短路故障。Nishida[23]發現，多股導線中的0.18mm的一股與另一根多股導線的一股連接，可引燃棉布和紙張(不包括PVC)。但是他認為引燃可燃物是高溫的導線，而不是電弧作用。

電鋸切斷通電導線時，也可能引燃周圍熱慣性較低的可燃物。UL（美國保險商實驗室）做過一個“切紙機”實驗，模擬電鋸誤切斷電源線事故。在實驗中，放置在附近的粗棉布是可以被引燃的[24]。

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2. Fire in the UntIed States 1985-1994, 9th ed., US Fire Administration, Emmitsburg MD (1997).

3. Statistical Abstract of the United States 1999, Tables 2, 1212, and 1213, Government Printing Office (1999).

4. Ault, K., Singh, H., and Smith, L., 1996 ReSIdential Fire Loss Estimates, Consumer Product Safety Commission, Washington.

5. Hall, J. R., Jr., Bukowski, R. W., and Gomberg, A., Analysis of Electrical Fire Investigations in Ten Cllies (NBSIR 83-2803), [U.S.] Natl. Bur. Stand., Gaithersburg MD (1983).

6. Smith, L. E., and McCoskrie, D., What Causes Wiring Ares in ReSIdences, Fire J. 84, 19-24,69 (Jan/Feb 1990).

7. Olyphant, M. Jr., Arc Resistance. I. Tracking Processes in Thermosetting Insulating Materials, ASTM Bull. No. 181, 60-67. II. Effect of Testing Conditions on Tracking Properties of Thermosetting Insulating Materials, No. 185, 41-38 (1952).

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10. Billings, M. J., Smith, A., and Wilkins, R., Tracking in Polymeric Insulation, IEEE Trans. Elec. Insu/. IE-2, 131-137 (Dec. 1967).

11. Noto, F., and Kawamura, K., Tracking and Ignition Phenomena of Polyvinyl Chloride Resin Under Wet Polluted Conditions, IEEE Trans. Elec. Insu/. EI-13, 418-425 (1978).

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13. Nagata, M., and Yokoi, Y, Deterioration and Firing Properties of Polyvinyl Chloride Covering Cords at Elevated Temperatures, Bull. Japan Assn. of Are Science and Engineering 33:2, 25-29 (1983).

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16. Mesina, J. G., Determination of Electrical Clearances for Permissible Equipment Operating in Gassy Mines and Tunnels, IEEE Trans. Ind. App/. IA-30, 1339-1350 (1994).

17. Beland, B., Electrical Damages-Cause or Consequence? J Forensic Sciences 29, 747-761 (1984).

18. Zimmerer, C. W., and Neumer, F., Aluminum Building I1'lres and Connectors

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19. Ettling, B. V., Ignitability of PVC Electrical Insulation by Arcing, IAA/-Oregon Chapter Newsletter, 6 (Mar. 1997).

20. Guide for Are and Explosion Investigations (NFPA 921), National Fire Protection Assn., Quincy, MA (1998).

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22. Franklin, F. F., Circuit Breakers: The Myth of Safety, Fire and Arson Investigator41, 42-45 (June 1991).

23. Nishida, Y, Ignition Hazard by Short Circuit between Element Wires of a Stranded Cord, Reports of the National Research Institute of Police Science 45:4, 57 (Nov. 1992).

24. Wagner, R. V., Boden, P. J., Skuggevig, W., and Davidson, R. J., Technology for Detecting and Monitoring Conditions That Could Cause Electrical I1'lring System Fires (UL Project NC233, 94ME78760), Underwriters Laboratories Inc., Northbrook IL (1995).

李陽

就職于中國人民警察大學火災物證鑒定中心，碩士研究生導師，主要翻譯摘要和研究背景以及全文校對工作。

李九霖

中國人民警察大學研究生二隊研究生，火災調查技術專業，本文主要翻譯外界導致的空氣離子化至過電壓部分內容。

王樸真

中國人民警察大學碩士，火災調查方向，本文主要翻譯接觸不良至接觸不良引燃部分內容。

楊雯

西安科技大學研究生，安全科學與工程專業，本文主要翻譯第二章綜合作用至第三章結論部分內容。

蘇文威

河南省消防總隊火災調查處工程師，從事火災事故調查工作，負責全文校對工作。

楊漪

清華大學公共安全研究院博士后，西安科技大學安全學院消防工程系副教授，主要負責全文校對工作。

呂慧菲

西安科技大學博士，安全科學與工程專業，負責翻譯工作實施及全文校對工作。

為將平日閱讀發現的火災調查優質經典文獻與大家分享，中國人民警察大學火災物證鑒定中心李陽與西安科技大學火災物證鑒定中心楊漪2名教師，組織2名博士研究生和10名碩士研究生，精選領域內知名專家已公開發表的綜述性、研究性英文論文，翻譯為中文論文，便于大家了解國外火災調查方法的研究現狀。翻譯內容完全忠實原版論文內容，絕不摻雜譯者觀點。

此翻譯是碩博士研究生學習的延伸，純義務勞動行為。由于譯者能力水平有限，出現錯誤在所難免，對所譯內容存在異議，請查閱原文，歡迎大家多批評指正。