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電氣系統中的接地與火災

2018年05月18日

電氣火災目前有上升趨勢,其中由于接地故障引起的火災也不少。為了防止接地故障造成火災,這里對其產生的原因進行分析,并提出預防措施。
 
(一)接地故障引起火災的原因
 
接地故障為相線與電氣裝置的外露導電部分(包括電氣設備金屬外殼、敷線管槽及構架等)、外部導電部分(包括金屬的水、暖、煤氣、空調管道和建筑的金屬結構等)以及大地之間的短路,如圖1 所示。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同,與相線之間產生的相間短路也不同。
接地故障與一般短路相比,當產生火災時具有更大的危險性和復雜性。一般短路起火主要是短路電流作用在線路上的高溫引起火災,而接地故障則有以下三個原因引起火災,且危險性更大,其防范工作也十分復雜。
1.由接地故障電流引起火災
一般短路的電流通路為線路的金屬導線,短路電流大,短路點金屬常被熔焊而可忽略其阻抗,這種短路容易被過電流保護電器(熔斷器、低壓斷路器)迅速切斷而不致起火。但接地故障的電流通路內有設備外殼、敷線管槽以及接地回路的多個連接端子等,TT 系統(接地系統)還以大地為通路。大地的接地電阻大,PE、PEN 線(接地線)連接端子的電阻由于種種原因,其阻值也常常較大,所以接地故障電流比一般短路電流小,常不能使過電流保護電器及時切斷故障,且故障點多不熔焊而出現電弧、電火花。0. 5A 電流的電弧、電火花的局部高溫即可烤燃可燃物質起火。例如 1994年3月北京某廠倉庫被焚,起因即是倉庫電氣線路在進線地溝內貼近暖氣入口管道,長年受烤,絕緣水平下降,導致接地故障燃弧起火。該廠工人反映起火前一段時間內廠房燈光閃爍,說明故障未被切斷,電弧延續了一段時間,再待電路切斷,火已成勢了。
另外過去不重視 TN 系統中 PE、PEN 線在故障條件下的熱穩定,往往選用過小的截面,當 TN 系統中較大的接地故障電流通過時,易導致線路高溫起火。
2.由 PE、PEN 線端子連接不緊密引起火災
設備接地的PE線平時不通過負荷電流,只在發生接地故障時才通過故障電流。如果因受振動、腐蝕等原因,導致連接松動、接觸電阻增大等現象,平時是不易覺察的。一旦發生接地故障,接地故障電流需通過PE線返回電源時,PE 線的大接觸電阻限制了故障電流,使保護電器不能及時動作,連接端子處因接觸電阻大而產生的高溫或電弧、電火花卻能導致火災的發生。
在 TN-C 系統中 PEN 線平時通過三相不平衡電流,但在機械、紡織等一些主要為三相平衡負荷的企業內,因三相不平衡電流小,PEN 線端子連接不緊密的隱患不易發現,當大故障電流通過時同樣也可導致火災。
1994年3月,北京西便門一排商店起火,開始時是一輛集裝箱車在商店端頭胡同口碰斷兩根單相回路的電線,電線對地迸出電火花,幾分鐘后商店即起火。經查,起火處在商店后墻,一路軟電纜在該處分成三個單相回路,其中一路即是被碰斷的電線。由于多年日曬雨淋,該電線已類似裸導線,電纜芯線和該電線的接頭處連接不良,通過接地故障電流時打火引起火災。
3.由故障電壓引起火災
常有這些電氣事故:設備金屬外殼或N線對地電壓為幾十代;手攜設備本身沒有損壞,但使用者卻受電擊致死;電源已切斷,但進行維修時,外殼或N線帶電壓打火導致火災或爆炸。這類來歷不明的電壓所引起的事故,其根源大多是另外一處的接地故障。發生接地故障后四處傳導的故障電壓是危險的起火源,通過對地的電火花和電弧而導致火災。擊穿 10mm 空氣隙需 30kV 電壓,不同電位導體一經接觸拉起電弧后,同樣間隙維持電弧的電壓只需 20V,此時 2A 電流的電弧局部溫度可超過 2000℃。
上述來歷不明的故障電壓常來自電氣裝置外部,現列舉一二來進行說明。
圖2 為 TN 系統的一電氣裝置的電源線路墜大地,按圖2 所示接地電阻值,接地故障電流為
 
Id =U0/(RB+RE) =220/(4+4) =27. 5A
 
當此電流不足以使保護電器切斷電路時,變電所的 RB 上將產生電壓降
 
Uf = Id·RB = 27. 5×4 = 110V
 
變壓器中性點對地電壓隨之升高為 110V,此電壓即接地故障電壓,沿 N 線傳導至用戶電氣裝置。當用戶采用圖2 所示的 TN-C 系統時,PE線因源出于中性點也帶故障電壓,如果未設置總等電位聯結,電氣裝置內帶故障電壓的設備的金屬外殼和敷線管槽在火災危險場所和靠近可燃物質處很易因對地打火而引起火災,當然也可引起爆炸、電擊等事故。
TN 系統的 PE(PEN)線作重復接地后可降低一些故障電壓,但效果不明顯。電氣線路上的剩馀電流保護器對這種外來的故障電壓毫無反應,因為線路內沒有出現剩馀電流。