接地与火灾

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摘要：电气火灾目前有上升趋势，其中由于接地故障引起的火灾也不少。为了防止接地故障造成火灾，这里对其产生的原因进行分析，并提出预防措施

关键词：接地故障 PE、N线 接地故障电流

电气火灾目前有上升趋势，其中由于接地故障引起的火灾也不少。为了防止接地故障造成火灾，这里对其产生的原因进行分析，并提出预防措施。

（一）接地故障引起火灾的原因

接地故障为相线与电气装置的外露导电部分（包括电气设备金属外壳、敷线管槽及构架等）、外部导电部分（包括金属的水、暖、煤气、空调管道和建筑的金属结构等）以及大地之间的短路，如图1 所示。这种故障与相线和中性线间的单相短路故障不同，与相线之间产生的相间短路也不同。

接地故障与一般短路相比，当产生火灾时具有更大的危险性和复杂性。一般短路起火主要是短路电流作用在线路上的高温引起火灾，而接地故障则有以下三个原因引起火灾，且危险性更大，其防范工作也十分复杂。

1．由接地故障电流引起火灾

一般短路的电流通路为线路的金属导线，短路电流大，短路点金属常被熔焊而可忽略其阻抗，这种短路容易被过电流保护电器（熔断器、低压断路器）迅速切断而不致起火。但接地故障的电流通路内有设备外壳、敷线管槽以及接地回路的多个连接端子等，TT 系统（接地系统）还以大地为通路。大地的接地电阻大，PE、PEN 线（接地线）连接端子的电阻由于种种原因，其阻值也常常较大，所以接地故障电流比一般短路电流小，常不能使过电流保护电器及时切断故障，且故障点多不熔焊而出现电弧、电火花。0. 5A 电流的电弧、电火花的局部高温即可烤燃可燃物质起火。例如 1994年3月北京某厂仓库被焚，起因即是仓库电气线路在进线地沟内贴近暖气入口管道，长年受烤，绝缘水平下降，导致接地故障燃弧起火。该厂工人反映起火前一段时间内厂房灯光闪烁，说明故障未被切断，电弧延续了一段时间，再待电路切断，火已成势了。

另外过去不重视 TN 系统中 PE、PEN 线在故障条件下的热稳定，往往选用过小的截面，当 TN 系统中较大的接地故障电流通过时，易导致线路高温起火。

2．由 PE、PEN 线端子连接不紧密引起火灾

设备接地的PE线平时不通过负荷电流，只在发生接地故障时才通过故障电流。如果因受振动、腐蚀等原因，导致连接松动、接触电阻增大等现象，平时是不易觉察的。一旦发生接地故障，接地故障电流需通过PE线返回电源时，PE 线的大接触电阻限制了故障电流，使保护电器不能及时动作，连接端子处因接触电阻大而产生的高温或电弧、电火花却能导致火灾的发生。

在 TN-C 系统中 PEN 线平时通过三相不平衡电流，但在机械、纺织等一些主要为三相平衡负荷的企业内，因三相不平衡电流小，PEN 线端子连接不紧密的隐患不易发现，当大故障电流通过时同样也可导致火灾。

1994年3月，北京西便门一排商店起火，开始时是一辆集装箱车在商店端头胡同口碰断两根单相回路的电线，电线对地迸出电火花，几分钟后商店即起火。经查，起火处在商店后墙，一路软电缆在该处分成三个单相回路，其中一路即是被碰断的电线。由于多年日晒雨淋，该电线已类似裸导线，电缆芯线和该电线的接头处连接不良，通过接地故障电流时打火引起火灾。

3．由故障电压引起火灾

常有这些电气事故：设备金属外壳或N线对地电压为几十代；手携设备本身没有损坏，但使用者却受电击致死；电源已切断，但进行维修时，外壳或N线带电压打火导致火灾或爆炸。这类来历不明的电压所引起的事故，其根源大多是另外一处的接地故障。发生接地故障后四处传导的故障电压是危险的起火源，通过对地的电火花和电弧而导致火灾。击穿 10mm 空气隙需 30kV 电压，不同电位导体一经接触拉起电弧后，同样间隙维持电弧的电压只需 20V，此时 2A 电流的电弧局部温度可超过 2000℃。

上述来历不明的故障电压常来自电气装置外部，现列举一二来进行说明。

图2 为 TN 系统的一电气装置的电源线路坠大地，按图2 所示接地电阻值，接地故障电流为

Id ＝U0／(RB+RE) ＝220／(4+4) ＝27. 5A

当此电流不足以使保护电器切断电路时，变电所的 RB 上将产生电压降

Uf ＝ Id·RB ＝ 27. 5×4 ＝ 110V

变压器中性点对地电压随之升高为 110V，此电压即接地故障电压，沿 N 线传导至用户电气装置。当用户采用图2 所示的 TN-C 系统时，PE线因源出于中性点也带故障电压，如果未设置总等电位联结，电气装置内带故障电压的设备的金属外壳和敷线管槽在火灾危险场所和靠近可燃物质处很易因对地打火而引起火灾，当然也可引起爆炸、电击等事故。

TN 系统的 PE（PEN）线作重复接地后可降低一些故障电压，但效果不明显。电气线路上的剩馀电流保护器对这种外来的故障电压毫无反应，因为线路内没有出现剩馀电流。

图3 中变电所的高、低压柜和变压器外壳等外露导电部分的保护接地和低压侧中性点的工作接地共用一接地极，接地电阻 RB为 4Ω，低压为TN接地系统，高压侧为不接地系统。当高压侧发生诸如鼠、蛇引起的接地故障时，其接地电流人可达 30A，在接地极 RB 上的电压降可达 Id·RB ＝ 30×4 ＝ 120V，可同样引起火灾和电击之类的电气事故。

接地故障可通过上述三个起因起火，在70年代东北某纺织厂就发生过一起三个起因同时起火的案例，损失达数百万元。开始时认为是一般的线路短路起火，但无法解释为何三处同时起火，经消防研究单位仔细分析才弄清原来是一起接地故障引起的火灾。该厂采用 TN-C 系统，如图4 所示。由于配电箱电缆芯线接线端子松动，长期发热，绝缘击穿造成接地故障，但故障电流不够大，保护电器未动作，由于故障电流和故障电压的窜导，导致三处同时起火。一处是该配电箱的PEN线端子连接不紧密，通过故障电流时打出火花，溅落在化纤堆上起火；一处是一段 3×185mm2 低压电缆的 16mm2 金属外皮被用作 PEN 线，热稳定不够，被故障电流烧红引燃该处的飞扬的纤维起火；还有一处是照明线路金属套管（经计算其上对地电压为 147V）与其邻近的暖气管打火，火花溅落在化纤堆上起火。这就是三处同时起火的由来，但火灾起源的接地故障发生处因没有可燃物质而未起火。这是一个很能说明接地故障起火特点的案例。

（二）接地故障火灾的防范措施

1．防止电气火灾的发生

（1）选用适当的导线和敷设方式　PE（PEN）线的截面应满足故障时热稳定和动稳定要求，并与线路的保护要求相适应。敷设的线路应避免遭受机械损伤。各种导线的连接端子和接头均应紧密可靠，导电良好。

（2）正确选用电气设备除了电气设　备应具有规定的绝缘水平外，对于电气火灾危险较大的高层建筑内，应考虑：

① 设备无油化，因为含油电气设备过热或电弧故障时，设备内的绝缘油在高温或电弧作用下，迅速产生热分解，析出氢、甲烷、乙烯等可燃气体，使设备外壳内压力骤增，造成外壳爆炸而喷油；有时析出的可燃气体与空气混合形成爆炸混合物，在电弧或火花作用下，引起燃烧爆炸；含油电气设备爆裂后，高温油流动引起火灾扩大。因此在高层建筑中最好采用无油的电气设备，如干式变压器、真空开关等。

② 选用飞弧距离小或能保证飞弧不致外出的设备，以防止短路和电弧的产生。

（3）确保过负荷保护设备及短路（包括三相和单相短路）保护设备在发生过负荷或短路时可靠动作　对于距离电源较远的用电设备，如单相短路保护设备不能及时动作时，必须采用带有单相短路保护的开关或其它措施。电气事故时，如控制电源失效，往往造成爆炸和火灾事故，因此必须保证控制电源的可靠性。蓄电池干涸或放电不足，造成开关拒动的事例已屡见不鲜。最近开发的免维护蓄电池并采用微机控制充放电的设备有一定优越性。

（4）采用RCD（剩馀电流保护器）作为防止电气火灾的措施　当泄漏电流达 0. 5A 时，木质材料就能起火。因此可采用整定电流为 100mA 的 RCD 防止由于泄漏电流引起火灾。

2．防止火灾蔓延

在电气火灾中，电缆电线事故率约占 30％ 以上。电缆一般是成束敷设，成束电缆群体燃烧时，火焰温度可达 800～1100℃；在距离水平布置电缆上方 150～350mm 处的火焰温度可达 800。因此，与着火电缆并列或位于其上方的电缆，易受波及而燃烧。电缆的绝缘、填充物、护套多为可燃物，有些还会散发出有毒气体，对人造成伤害，其燃烧热能约为 960～2640kJ／kg，因此电缆群燃烧时产生热量相当大。很多电缆安装在电缆沟或电缆槽内、热量积聚，强化了延燃过程；垂直敷设的电缆群，一旦着火，由于烟囱效应，加速延燃。因此，要采取以下措施：

（1）在可能产生延燃的地方采用阻燃型电缆、电线

① 低烟、低卤阻燃全塑电线　一般的塑料电线一旦着火，不但燃烧而且还产生大量有毒气体，如氯化氢、二氧化碳等，会造成人员中毒身亡。低烟、低卤阻燃全塑电线在绝缘中加人阻燃添加剂，且为低卤材料，当绝缘着火时，产生非燃性气体，隔绝氧气或促使绝缘层碳化形成保护层，产生隔热和阻燃效果，且仅产生少量烟气。

② 阻燃电缆　采用与上述阻燃电线相同的添加剂，达到阻燃自熄效果。但在火灾场所里，也会燃烧，在敷设时还必须采用适当的防火措施。

（2）采用防火涂料或防火包带　当采用一般电缆时，可采用防火涂料涂于电缆上或采用防火阻燃电缆包带包于电缆上。涂料和包带遇火后，分解为均匀致密的碳泡沫隔热层，隔离氧气且阻止热量传递，达到阻火效果。对于消防泵、排烟风机，10kV 及以上电缆和其它重要负荷的电缆应全涂或全包扎；对于其它负荷用的电缆可在穿越阻火墙、板和孔洞封堵处局部 l～1. 5m 处涂或包扎。涂料可喷涂或刷在电缆上，每 8h 一次，涂到膜厚 1. 2mm 才算合格。

（3）采用防火堵料堵封

① 在垂直的电缆井道内敷设时，每隔 2～3 层，在楼板处用不低于楼板耐火极限的阻火材料作防火分隔，孔洞用防火堵料封堵。垂直敷设的电缆全部涂防火漆。

② 水平敷设穿墙孔处，用不低于隔墙耐火极限的阻火材料堵封。

③ 在电缆沟（或隧道）内敷设时，按防火分区要求设置阻火墙，必要时通道可设防火门。

④ 重要负荷的配电线路，当采用普通电线队，穿金属管暗敷后还应敷设在非燃烧体结构内，如厚度不小于 30mm 水泥层。穿金属管明敷时，必须在金属管上采取防火措施。当采用电缆时，则敷设于难燃封门槽盒内，这种槽盒的结构是一旦电缆着火，使氧气得不到补充而迅速自熄。

3．保证火灾时的必要供电

当高层建筑发生火灾时，必须利用建筑物本身的消防设施进行灭火和疏散人员。这些消防设施，例如消防水泵、消防电梯、排烟设备、应急照明和报警灭火设备等，如没有可靠的电源，发生火灾时不能及时报警、灭火，无法有效地疏散人员和物资以及控制火势蔓延，势必造成重大损失。这些负荷应属于一级负荷。对于特别重要场所，如其中有经常用于国际活动且人员众多、不允许中断供电的场所以及超高层建筑则应为一级负荷中的特别重要负荷。对于这类负荷，除两个电源外，还必须增设应急电源，对特别重要的负荷供电。应急电源一般采用柴油发电机组，起动时间不超过 10s。

这种负荷的供电电缆最好采用耐火电缆，可采用铜芯铜套氧化镁绝缘耐火电缆、全塑耐火电缆和耐火电缆桥架。

铜芯铜套氧化镁绝缘耐火电缆是以铜芯作导体、无缝钢套作护套，中间充以耐高温、高绝缘性能的无机物氧化镁粉作绝缘材料，允许在 250℃ 高温下长期使用，最高使用温度达 l000℃。优点是具有优良的防火性能，耐高温、不燃烧、寿命长，常作为消防泵的供电电缆。缺点是受无缝钢管坯料长度的限制，电缆制造长度较短，且机械硬度大，电缆接头及放线施工困难，价格较高。

全塑耐火电缆与普通电缆相似，但其绝缘和护套中加入阻燃添加剂，在线芯外还包以云母玻璃带等无机绝缘材料，在 750℃ 的火焰中燃烧了 3h 后，施加 1000V 工频电压不击穿。这种电缆的施工安装与普通电缆相似，价格则较贵，由于尚没有长期使用的经验，对于高层建筑尚不宜采用。

耐火桥架已由消防部门鉴定，并已成批生产，计有以下四种：

（1）耐火钢制槽盒　）耐火钢制槽盒　能经受火焰熏烤，槽内温度可限制在电缆安全允许值内，设有防雨罩，可广泛用于室外易燃场所。

（2）耐火无机槽盒　）耐火无机槽盒　外壳由无机材料和增强玻璃纤维构成，密封性好，可有效地防止电缆自身燃烧及外部火源造成危害，用于碱、酸腐蚀及室外场合。

（3）隧道用阻火托架　具有良好的通风透气性能，当电缆自身燃烧时，由于高温使原来开启的浸有特种防火涂料的通风网孔堵塞，由于缺氧而自熄。

（4）电缆过热报警桥架　当电缆过热或外部火灾超过 70℃ 时发出声光报警，可与上述几种耐火电缆槽盒和托架配合使用。

4．设置总等电位联结

为防止外部故障电压进入建筑物内引起的事故，IEC 标准和一些发达国家电气标准都规定建筑电气装置内必须设置总等电位联结，见图5。即在进线配电箱近旁安装一接地母排、其上有若干接线端子，将配电箱的 PE（PEN）母排、接地极引入线和建筑物内的水、暖、气等金属管道以及金属建筑结构都与它联结。当外部故障电压沿任何管线进入建筑物内时，这些金属部分的电位同时升高而不出现电位差，自然无从发生火灾、爆炸、电击等事故了。

由同一变压器供电的所有TN系统线路，故障电压可沿互相连通的 PE（PEN）线四处传导蔓延，所以总等电位联结对TN系统尤为重要。

需要说明，电弧、电火花不能立即引起火灾，而爆炸则可发生在电火花产生的一瞬间，它不能用切断电路的办法来防止，而只能用等电位联结使电火花无从产生来防止。因此 IEC 标准规定，在爆炸危险场所内为避免产生危险的电火花，在任何情况下都必须实施等电位联结。