接地故障引起电气火灾的防护

电力18讯：    
华东理工大学  陈耕诗

新发布的GB 13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》，强调了安装剩余电流动作保护装置不仅对防止人身电击事故起保护作用，而且在防止接地故障引起的电气火灾事故中起重要的保护作用。

标准中的引言、术语和定义中的3.26、分级保护中的4.4.5等处，都强调了安装剩余电流保护装置对防止接地故障引起电气火灾的作用，并对在建筑物内安装剩余电流动作火灾监控装置及动作参数都作了明确规定，在附录中列出了分级保护方式中安装剩余电流动作火灾监控装置的模式图。修订后的标准从实际出发，提出了发生接地故障时因故障电流小，过电流保护无法保护接地故障引起的电气火灾，而剩余电流保护装置正是弥补了这方面的不足。

1 电气火灾事故的多发性

近10年来，我国发生电气火灾高居火灾事故总数的首位，约占总数的30%左右。在电气火灾中，电气短路引起的火灾事故又占一半以上。

电气短路的形成有两种：一种是由导体间直接接触，如相与相之间、相与N线之间短路，短路点往往被高温熔焊的金属短路，称为金属性短路；另一种则是带电导体对地短路，是以电弧为通路的电弧性短路。前者短路电流以若干千安计，金属线心产生高温以至炽热，绝缘被剧烈氧化而自燃，火灾危险甚大，但金属性短路产生的大短路电流能使断路器瞬时动作切断电源，火灾往往得以避免。后者因短路电流受阻抗影响，电弧长时间延续，而电弧引起的局部温度可高达3000～4000 ℃,很容易烤燃附近可燃物质引起火灾，但由于接地故障引起的短路电流较小，不足以使一般断路器动作跳闸切断电源，所以电弧性短路引起火灾危险远大于金属性短路。

2 接地故障的危险性

在电气线路短路引起的火灾中，接地故障电弧引起的火灾远多于带电导体间金属性短路引起的火灾。这首先是因为电弧性接地故障发生的几率远大于带电导体间短路的几率。

一旦发生接地故障，由它引起危险电弧的几率也远大于带电导体间产生危险电弧的几率，这可用图1来说明。图中a、b、c和d各为相线、中性线和PE线的连接端子。a、b两端子如连接不良或不导电，设备将不运转或运转不正常，可及时觉察予以修复，不致引发事故。但PE线的端子c、d不导电或导电不良却不易觉察，因设备仍能照常运转，这时c、d端子的连接不良将成为一个事故隐患而持续存在。若一旦发生图1所示碰外壳接地故障，如果c、d端子不导电，设备外壳对地带相电压而导致电击事故。如果c、d端子导电不良，端子处将迸发电火花或电弧（延续和集中的电火花即为电弧），很易引起火灾。


因此在接地故障回路全为金属导体的TN-C-S系统中，其导电性能不良失去接地保护时，并不影响电气设备的正常运行，故不易发现。但一旦发生接地故障，连接点的阻抗限制了短路电流，不能使断路器动作，而导致上述电弧性短路的发生。至于TT系统，其接地故障回路内串有电源的接地保护和设备外壳的接地保护，两个接地电阻造成回路本身的阻抗就很大，更易发生电弧性短路。由此可知，接地故障的回路阻抗大，使它易以电弧短路的形式出现，这也是单相接地短路故障容易导致火灾的一个重要原因。

电力线路受机械损伤而发生短路，如当导线与金属管道构件接触而无套管保护时，长期磨擦使绝缘损坏，这种短路多为单相接地故障造成，易发生电弧性短路。通常电气设备绝缘损坏产生电弧性接地故障的情况还有：导线和电气设备绝缘老化；电器或电动机的接线端子周围绝缘因长期发热而炭化；电动机过载而发生匝间短路；电气设备受潮或严重凝露；在电气设备中有导电尘埃沉积等。这类故障会引起接地电弧性短路，并酿成火灾。在这种情况下，泄漏电流产生的发热功率约为60～100 W，这功率如释放在几个平方毫米上，此时只要周围有可燃材料就会引起火灾。

当线路因过负荷使绝缘温度超过最高允许工作温度，绝缘老化加速使绝缘水平降至规定值以下，如果没有外因触发，短路一般还不会发生。如果有外因触发，如雷电引起的瞬态过电压、邻近大功率设备的操作过电压，以及变电所高电压侧接地故障引起的暂态过电压等，则在此大幅值过电压冲击下，老化的绝缘将被击穿而形成弧光短路。过电压转眼消失，工频短路电弧却能长时间延续，这是因为电弧的高阻抗限制了短路电流，使断路器不可能动作。这类过电压多出现在带电导体与地之间，所以这种短路也多为单相接地短路。

电气短路以单相接地故障居多，电气火灾的危险则以电弧性接地为最严重。还需说明，接地故障回路的阻抗较大，这是形成电弧性短路的一个重要原因。不论是TN系统还是TT系统，接地故障回路的阻抗都大于带电导体短路回路的阻抗。

3 安装剩余电流保护装置和火灾监控系统的必要性

一般的低压断路器主要针对电力线路和设备的过载和短路保护，因此其额定动作电流较大，而接地<