王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】為了進(jìn)一步研究電動自行車火災(zāi)事故發(fā)生機(jī)理，提升安全防范的針對性，文章分析了低壓電氣系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)的原理，解構(gòu)了電動自行車內(nèi)低壓電氣線路的分類分布和火災(zāi)風(fēng)險因素，從提升電氣線路本體安全的角度，探討了如何進(jìn)一步加強(qiáng)電動自行車火災(zāi)防控工作，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。
【關(guān)鍵詞】低壓電氣；電動自行車；火災(zāi)
0前言
電動自行車是以輪轂電機(jī)、電機(jī)控制器、金屬車架等部件為主要結(jié)構(gòu)，以動力電池為行動能源，以多元化低壓電氣系統(tǒng)為控制手段。其以輕便快捷、價格便宜、綠色環(huán)保、通行性高、停車不設(shè)限等先天優(yōu)勢，在我國的城鄉(xiāng)迅速普及，成為廣大群眾出行的主要代步工具。與此同時，電動自行車引發(fā)的火災(zāi)事故不斷上升，亡人傷人風(fēng)險與日俱增。防范電動自行車火災(zāi)是當(dāng)前消防安全管理的重要內(nèi)容之一。本文從電動自行車構(gòu)成部分低壓電氣系統(tǒng)的致災(zāi)因素角度，粗略分析電動自行車消防安全風(fēng)險源頭，旨在啟示電動自行車火災(zāi)防控方向。
1低壓電氣火災(zāi)成因
從電力學(xué)的角度來看，低壓電氣線路形成火災(zāi)事故主要成因有四方面。
1.1電路短路
在常用電氣設(shè)備或電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，不同電位的導(dǎo)電部分，直接用金屬導(dǎo)線或小電阻設(shè)備連接在一起，造成短路回路電流突然劇增，從而致使導(dǎo)線瞬間產(chǎn)生高溫、電弧甚至線路熔斷，點燃絕緣層和故障點附近可燃物，繼而引發(fā)火災(zāi)事故。在實際生產(chǎn)生活中，電路短路是引發(fā)電力故障和電氣火災(zāi)事故的重要原因之一。
圖1常見電路短路示意圖
1.2接觸不良
導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與配電、用電設(shè)備之間連接時，因接觸不良或接觸電阻過大，在電氣線路持續(xù)電流的作用下，致使導(dǎo)線接觸處產(chǎn)生高溫或電弧，同樣可以引燃絕緣層或附近可燃物引發(fā)火災(zāi)事故。接觸不良是線路火災(zāi)容易忽略并難以防止的一種。
1.3線路漏電
低壓電氣線路的絕緣材料受外部因素影響或自然老化，絕緣性能下降甚至消失，電流從電流回路內(nèi)泄漏出來，流到周邊可接地物體上，形成漏電電流路徑。在該路徑上可能產(chǎn)生高溫、電弧、電火花，從而引燃周圍可燃物形成火災(zāi)事故。此類火災(zāi)難以預(yù)防，可發(fā)生于相線與中性線、相線與接地之間。它通常還易形成人員觸電事故。
圖2示意圖2
圖3非正常漏電流示意圖
1.4電路過載
通過電氣線路的電流超過其安全載流量，導(dǎo)致電氣線路產(chǎn)生高溫，引燃絕緣層或周圍可燃物形成火災(zāi)事故。線路過載是造成線路電氣火災(zāi)的又一重要因素。過載不僅能直接引起火災(zāi)，而且過載會損壞線路絕緣材料，又往往是引起線路短路、接觸不良、漏電等故障的先導(dǎo)因素，需重點加以防范。
2電動自行車中低壓電氣構(gòu)成
當(dāng)前，國內(nèi)普及的電動自行車電氣系統(tǒng)由用電設(shè)備、電源設(shè)備和連接導(dǎo)線等部分組成，其主要構(gòu)件有充電器、控制器、動力電池、控制電路、輔助電路。這些部件日常工作電壓皆處于300 V之下，屬于典型的低壓電氣系統(tǒng)。此構(gòu)成部件所在電路主要功能如下：
2.1充電器電路
充電器是電動自行車補(bǔ)充電力能源的第一道關(guān)卡，其產(chǎn)品質(zhì)量好壞和充電模式優(yōu)劣將直接影響電動自行車動力電池的壽命周期和使用安全。目前市場中，家庭用戶所普遍使用的充電器原理是將交流220 V電壓經(jīng)整流濾波電路轉(zhuǎn)變?yōu)?00 V左右的電壓，并通過高壓開關(guān)和電壓變換，產(chǎn)生充電時所需的低壓直流電，再由充電控制電路控制后對電動自行車動力電池進(jìn)行充電。其內(nèi)部主要構(gòu)成為高壓開關(guān)電路、電壓變換電路、整流濾波電路和恒壓恒流充電控制電路等部分。充電器外殼通常為工程塑料，兩端電流導(dǎo)線分別為三相交流絕緣線和直流絕緣線，其質(zhì)量可能參差不齊。根據(jù)火災(zāi)情況不*統(tǒng)計，充電器引發(fā)的火災(zāi)事故占有較大比例。
2.2動力電池系統(tǒng)
因歷史存量原因，用戶使用層面存在較大部分的鉛酸蓄電池，此類電池因技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、單位能量密度不高，其安全系數(shù)也相對較高，火災(zāi)發(fā)生幾率相應(yīng)較低。但是隨著電動自行車新國標(biāo)的推進(jìn)，對電動自行車整車質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格管控，致使廠商無一例外地全部選擇質(zhì)量輕、便于抽取充電的鋰離子電池。因此目前市面上銷售的電動自行車動力電池主要為48 V以下的鋰離子電池(不排除私自組裝高容量電池的行為)。此類電池釆用密閉封裝、內(nèi)部構(gòu)造緊湊、單位能量密度高，由于組裝工藝精度、使用壽命等因素影響，在長時間使用后電池內(nèi)部易形成類似短路現(xiàn)象，造成鋰電池內(nèi)部熱失控而產(chǎn)生爆燃，火災(zāi)風(fēng)險、致災(zāi)風(fēng)險非常高。
2.3電機(jī)控制電路
電動機(jī)控制電路主要分為控制器電路、調(diào)速轉(zhuǎn)把電路、閘閥電路等部分，主要作用是根據(jù)用戶使用需求實現(xiàn)改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速、控制逆充電等功能。其中控制器電路猶如電動自行車的大腦，用來控制電動車電機(jī)的啟動、運行、進(jìn)退、停止、轉(zhuǎn)動速度，并對整車的其他電氣系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)控制。控制器內(nèi)部電路有PWN發(fā)生器電路、電源管理電路、功率驅(qū)動電路、控制部件、信號釆集單元與處理電路、過電流欠電壓保護(hù)電路等組成。此處電源管理調(diào)度頻繁、流向復(fù)雜、用電負(fù)荷較高，容易集聚高溫。
2.4輔助電路
輔助電路包含信號系統(tǒng)，照明系統(tǒng)和儀表裝置。信號系統(tǒng)由電喇叭及開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈及開關(guān)、制動燈及開關(guān)組成，照明系統(tǒng)由前后大燈、照明及變光開關(guān)、儀表燈等組成，儀表系統(tǒng)由車速里程表、電量表等組成。部分車型還集成了定位模塊、usb充電模塊、soc測量模塊等電子附件。此類電路存在自行改裝不規(guī)范的風(fēng)險。
3電動自行車火災(zāi)風(fēng)險因素
從具體個案來看，電動自行車的火災(zāi)成因比較復(fù)雜，有的是人為因素，有的是客觀因素。但從宏觀角度來看，絕大部分電動自行車火災(zāi)原因歸根結(jié)底都是由內(nèi)部低壓電氣線路因短路、過載故障引發(fā)熱失控和動力電池內(nèi)部故障的熱失控所引起。
3.1電氣線路材質(zhì)不合格
價格實惠是電動自行車主要優(yōu)點之一，電動車用戶對于價格因素較為敏感，于是部分廠家或商家在利潤驅(qū)使下，擅自降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，選用絕緣層不過關(guān)、導(dǎo)線線徑不合格的線材進(jìn)行電機(jī)控制電路和輔助電路的組裝；部分品牌的電動車在銷售端組裝過程中，安裝人員敷設(shè)輔助電路時未按照標(biāo)準(zhǔn)對線路進(jìn)行規(guī)范捆綁，部分電氣線路金屬接頭質(zhì)量不過關(guān)，防水防銹處理不合格，導(dǎo)致長時間使用后線路氧化電阻增大，易過負(fù)荷發(fā)熱引起火災(zāi)。
3.2改裝電氣線路不合規(guī)
有的用戶為了解除限速和車輛美容，違規(guī)對電動自行車電機(jī)控制電路、輔助電路等進(jìn)行改裝，以安裝額外的燈具音響等電子設(shè)備，有的甚至更換輪轂電機(jī)、更換大容量動力電池。這些行為一方面增大用電負(fù)荷，另一方面忽視電力元器件的匹配和安全檢測，導(dǎo)致整個電動自行車電力系統(tǒng)短路、過負(fù)荷等風(fēng)險增大，繼而增加了火災(zāi)風(fēng)險因素。
3.3充電電路功能不全面
部分質(zhì)量較低的電動自行車充電器沒有過充、過流保護(hù)功能，動力電池充滿電后不能轉(zhuǎn)入涓流充電模式，導(dǎo)致動力電池極板腐蝕、隔膜擊穿，引發(fā)電池漏液或內(nèi)部短路爆燃。另外，充電電路內(nèi)未安裝短路和過載保護(hù)裝置，長期使用后充電器內(nèi)電容、變壓線圈等元器件易形成短路故障發(fā)生火災(zāi)。
3.4外觀組件材質(zhì)不達(dá)標(biāo)
目前，由于群眾對電動自行車的舒適性和美觀性的需求，電動自行車逐漸向著摩托車樣式發(fā)展，在車身構(gòu)成上大量使用塑料裝飾外殼、泡沫式座墊、皮質(zhì)座椅套、塑料燈具外殼、塑料尾箱等組件，這些組件均釆用高分子材料制作，其燃燒性能好、燃燒速度快，有的雖然達(dá)到難燃標(biāo)準(zhǔn)，但在外焰作用下仍能燃燒。這些因素綜合疊加，導(dǎo)致摩托型電動自行車在其低壓電氣系統(tǒng)產(chǎn)生電路短路、電路過載、電路漏電和電池爆燃故障后，極易引燃外觀組件增加火災(zāi)風(fēng)險幾率。據(jù)不*統(tǒng)計，此類電動自行車火災(zāi)占比可達(dá)90%以上。
4電動自行車的火災(zāi)防范
通過以上分析，防范電動自行車火災(zāi)事故既要提髙安全管理措施，還要從本質(zhì)上改善車輛內(nèi)在致災(zāi)因素入手。綜合考慮低壓電氣線路防范短路、過載、漏電、接觸不良等情況的措施，*的是嚴(yán)格選擇電線電纜、合理規(guī)劃線路敷設(shè)路徑、穩(wěn)定電氣設(shè)備電壓電流溫度等參數(shù)，保持電氣連接部位接觸良好、使用熔斷器等安全保護(hù)裝置、優(yōu)化絕緣材料性能，輔之以減少周邊可燃物(即電動自行車易燃外殼)等方式。相應(yīng)來講，電動自行車防范火災(zāi)事故，可以從以下方面進(jìn)行著手。
4.1優(yōu)化安全技術(shù)規(guī)范
在車身制造上，優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)研發(fā)，加大優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新防火材料和超輕耐用金屬材質(zhì)的使用，使電動自行車能夠兼顧美觀、耐用的客戶要求和輕量、安全的標(biāo)準(zhǔn)要求。在內(nèi)部電氣線路上，要科學(xué)布置線路走位，釆用優(yōu)質(zhì)線纜材料和電氣設(shè)備。在元件使用上，要加大各電氣系統(tǒng)模塊化整合設(shè)置，盡量減少分散的輔助電氣線路的連接，從而降低導(dǎo)線連接點的安全風(fēng)險。同時，相關(guān)部門可研究制定相應(yīng)的指導(dǎo)意見，鼓勵電動自行車生產(chǎn)企業(yè)主動提升安全技術(shù)規(guī)范，采用成熟優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的動力電池，從本質(zhì)上降低電動自行車發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險因素，提升電動自行車防控火災(zāi)的能力。
4.2嚴(yán)把安全質(zhì)量關(guān)口
在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，電動車產(chǎn)業(yè)集聚地區(qū)要嚴(yán)格核查電動自行車生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)資質(zhì)，要督促電動車生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)格按照《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》(GB 17761-2018)合法生產(chǎn)合規(guī)產(chǎn)品。在銷售環(huán)節(jié)，各地要按照相應(yīng)出臺非機(jī)動車安全管理條例，建立市場監(jiān)管、安監(jiān)、公安等聯(lián)合執(zhí)法機(jī)制，加大銷售、組裝等。在使用環(huán)節(jié)，公安、交管等部門要加大群眾電動自行車日常使用的監(jiān)督管理，查處違規(guī)改裝電氣線路、超規(guī)配置電池等行為。在維修環(huán)節(jié)，要嚴(yán)格把控電動自行車修理維護(hù)質(zhì)量，規(guī)范維修網(wǎng)點的零配件質(zhì)量和安裝規(guī)范，確保維修后的整車電氣線路性能合規(guī)。
4.3規(guī)范充電場所建設(shè)
從用戶使用場景來看，要參考《電動自行車集中停放充電場所建設(shè)消防安全參考技術(shù)要點》，規(guī)范電動自行車集中停放充電裝置建設(shè)，持續(xù)開展高質(zhì)量的充電設(shè)施建設(shè)，力爭實現(xiàn)有條件的住宅小區(qū)及人員密集場所電動自行車充電設(shè)施建設(shè)全覆蓋，從而解決電動自行車或鋰電池進(jìn)門入戶充電行為，最大限度減少電動自行車火災(zāi)形成時造成的人員傷亡風(fēng)險。對于新建小區(qū)，將電動自行車棚和充電樁規(guī)劃納入新小區(qū)的建設(shè)設(shè)計中，實現(xiàn)電動自行車的停放和充電至少達(dá)到1 1的條件。對于老舊社區(qū)，協(xié)同住房城鄉(xiāng)建設(shè)管理部門做好電動自行車集中停放場所后續(xù)增設(shè)工作。同時，輔助建設(shè)電梯智能阻車系統(tǒng)、電動自行車充電棚安防設(shè)備，主動接入政府一網(wǎng)統(tǒng)管系統(tǒng)，積極提升電動自行車安全使用的監(jiān)管成效。
4.4安全用車用電宣傳
對人民群眾開展經(jīng)常性的宣傳教育，提示電動自行車的安全隱患、正確使用方法包括充電停放、保養(yǎng)維護(hù)等，引導(dǎo)群眾安全合法使用電動自行車。嚴(yán)格依法查處違規(guī)停放、充電等行為，依法追究相應(yīng)責(zé)任。定期組織電動車火災(zāi)警示教育，加強(qiáng)對群眾電動車火災(zāi)處置和逃生知識的宣傳，提升群眾安全防范意識，扭轉(zhuǎn)電動自行車火災(zāi)防范被動應(yīng)付的局面。
5限流式保護(hù)器在電氣防火的應(yīng)用
5.1限流式保護(hù)器的功能及應(yīng)用方案
5.1.1限流式保護(hù)器的設(shè)計
電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當(dāng)弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。
安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運動過程，分?jǐn)鄷r間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)，分?jǐn)鄷r間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。
如圖4所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。
圖4短路故障前后電流與時間關(guān)系圖
從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(guān)在短路時所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護(hù)器的回路發(fā)生短路故障時，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災(zāi)。
5.1.2 ASCP200-1功能特點
ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器是單相限流式保護(hù)器，較大額定電流為63A。主要功能如下:
A）短路保護(hù)功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護(hù)；
B）過載保護(hù)功能，線路持續(xù)過載時，保護(hù)器限流保護(hù)；
C）表內(nèi)超溫保護(hù)功能，保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護(hù)器限流保護(hù)；
D）過/欠壓保護(hù)功能，線路欠壓或過壓時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
G）通訊功能，保護(hù)器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
5.1.3 ASCP200-1技術(shù)參數(shù)
5.1.4應(yīng)用方案圖示
ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器建議安裝在入戶開關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，典型應(yīng)用示意圖如圖5所示：
圖5 ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖
5.1.5使用注意事項
在選用限流式保護(hù)器時，限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前一級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護(hù)器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護(hù)器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護(hù)器的正常使用，嚴(yán)禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。
ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。
為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進(jìn)行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。
保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間，若被保護(hù)線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護(hù)時，保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護(hù)器恢復(fù)正常運行時。
當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時，則可能是因為負(fù)載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。
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