淺談限流式保護器在防范電動自行車火災等低壓電氣火災中的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】為了進一步研究電動自行車火災事故發生機理，提升安全防范的針對性，文章分析了低壓電氣系統發生火災的原理，解構了電動自行車內低壓電氣線路的分類分布和火災風險因素，從提升電氣線路本體安全的角度，探討了如何進一步加強電動自行車火災防控工作，保障人民群眾生命財產安全。
【關鍵詞】低壓電氣；電動自行車；火災
0前言
眾所周知，電動自行車是以輪轂電機、電機控制器、金屬車架等部件為主要結構，以動力電池為行動能源，以多元化低壓電氣系統為控制手段。其以輕便快捷、價格便宜、綠色環保、通行性高、停車不設限等先天優勢，在我國的城鄉迅速普及，成為廣大群眾出行的主要代步工具。與此同時，電動自行車引發的火災事故不斷上升，亡人傷人風險與日俱增。防范電動自行車火災是當前消防安全管理的重要內容之一。本文從電動自行車構成部分低壓電氣系統的致災因素角度，粗略分析電動自行車消防安全風險源頭，旨在啟示電動自行車火災防控方向。
1低壓電氣火災成因
從電力學的角度來看，低壓電氣線路形成火災事故主要成因有四方面。
1.1電路短路
在常用電氣設備或電力傳輸網絡中，不同電位的導電部分，直接用金屬導線或小電阻設備連接在一起，造成短路回路電流突然劇增，從而致使導線瞬間產生高溫、電弧甚至線路熔斷，點燃絕緣層和故障點附近可燃物，繼而引發火災事故。在實際生產生活中，電路短路是引發電力故障和電氣火災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
導線與導線、導線與配電、用電設備之間連接時，因接觸不良或接觸電阻過大，在電氣線路持續電流的作用下，致使導線接觸處產生高溫或電弧，同樣可以引燃絕緣層或附近可燃物引發火災事故。接觸不良是線路火災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。在該路徑上可能產生高溫、電弧、電火花，從而引燃周圍可燃物形成火災事故。此類火災難以預防，可發生于相線與中性線、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，導致電氣線路產生高溫，引燃絕緣層或周圍可燃物形成火災事故。線路過載是造成線路電氣火災的又一重要因素。過載不僅能直接引起火災，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、漏電等故障的先導因素，需重點加以防范。
2電動自行車中低壓電氣構成
當前，國內普及的電動自行車電氣系統由用電設備、電源設備和連接導線等部分組成，其主要構件有充電器、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。此構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充電力能源的道關卡，其產品質量好壞和充電模式優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電壓經整流濾波電路轉變為300 V左右的電壓，并通過高壓開關和電壓變換，產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行充電。其內部主要構成為高壓開關電路、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，兩端電流導線分別為三相交流絕緣線和直流絕緣線，其質量可能參差不齊。根據火災情況不完全統計，充電器引發的火災事故占有較大比例。
2.2動力電池系統
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，此類電池因技術成熟、結構簡單、單位能量密度不高，其安全系數也相對較高，火災發生幾率相應較低。但是隨著電動自行車新國標的推進，對電動自行車整車質量進行了嚴格管控，致使廠商無一例外地全部選擇質量輕、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、內部構造緊湊、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部易形成類似短路現象，造成鋰電池內部熱失控而產生爆燃，火災風險、致災風險非常高。
2.3電機控制電路
電動機控制電路主要分為控制器電路、調速轉把電路、閘閥電路等部分，主要作用是根據用戶使用需求實現改變電動機轉速、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的啟動、運行、進退、停止、轉動速度，并對整車的其他電氣系統進行有效保護控制。控制器內部電路有PWN發生器電路、電源管理電路、功率驅動電路、控制部件、信號釆集單元與處理電路、過電流欠電壓保護電路等組成。此處電源管理調度頻繁、流向復雜、用電負荷較高，容易集聚高溫。
2.4輔助電路
輔助電路包含信號系統，照明系統和儀表裝置。信號系統由電喇叭及開關、轉向燈及開關、制動燈及開關組成，照明系統由前后大燈、照明及變光開關、儀表燈等組成，儀表系統由車速里程表、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范的風險。
3電動自行車火災風險因素
從具體個案來看，電動自行車的火災成因比較復雜，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原因歸根結底都是由內部低壓電氣線路因短路、過載故障引發熱失控和動力電池內部故障的熱失控所引起。
3.1電氣線路材質不合格
價格實惠是電動自行車主要優點之一，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使下，擅自降低質量標準，選用絕緣層不過關、導線線徑不合格的線材進行電機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，安裝人員敷設輔助電路時未按照標準對線路進行規范捆綁，部分電氣線路金屬接頭質量不過關，防水防銹處理不合格，導致長時間使用后線路氧化電阻增大，易過負荷發熱引起火災。
3.2改裝電氣線路不合規
有的用戶為了解除限速和車輛美容，違規對電動自行車電機控制電路、輔助電路等進行改裝，以安裝額外的燈具音響等電子設備，有的甚至換輪轂電機、換大容量動力電池。這些行為一方面增大用電負荷，另一方面忽視電力元器件的匹配和安全檢測，導致整個電動自行車電力系統短路、過負荷等風險增大，繼而增加了火災風險因素。
3.3充電電路功能不全面
部分質量較低的電動自行車充電器沒有過充、過流保護功能，動力電池充滿電后不能轉入涓流充電模式，導致動力電池極板腐蝕、隔膜擊穿，引發電池漏液或內部短路爆燃。另外，充電電路內未安裝短路和過載保護裝置，長期使用后充電器內電容、變壓線圈等元器件易形成短路故障發生火災。
3.4外觀組件材質不達標
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展，在車身構成上大量使用塑料裝飾外殼、泡沫式座墊、皮質座椅套、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，有的雖然達到難燃標準，但在外焰作用下仍能燃燒。這些因素綜合疊加，導致摩托型電動自行車在其低壓電氣系統產生電路短路、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風險幾率。據不完全統計，此類電動自行車火災占比可達90%以上。
4電動自行車的火災防范
通過以上分析，防范電動自行車火災事故既要提髙安全管理措施，還要從本質上改善車輛內在致災因素入手。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，有效的是嚴格選擇電線電纜、合理規劃線路敷設路徑、穩定電氣設備電壓電流溫度等參數，保持電氣連接部位接觸良好、使用熔斷器等安全保護裝置、優化絕緣材料性能，輔之以減少周邊可燃物(即電動自行車易燃外殼)等方式。相應來講，電動自行車防范火災事故，可以從以下方面進行著手。
4.1優化安全技術規范
在車身制造上，優化整車結構研發，加大優質創新防火材料和超輕耐用金屬材質的使用，使電動自行車能夠兼顧美觀、耐用的客戶要求和輕量、安全的標準要求。在內部電氣線路上，要科學布置線路走位，釆用優質線纜材料和電氣設備。在元件使用上，要加大各電氣系統模塊化整合設置，盡量減少分散的輔助電氣線路的連接，從而降低導線連接點的安全風險。同時，相關部門可研究制定相應的指導意見，鼓勵電動自行車生產企業主動提升安全技術規范，采用成熟優質穩定的動力電池，從本質上降低電動自行車發生火災風險因素，提升電動自行車防控火災的能力。
4.2嚴把安全質量關口
在生產環節，電動車產業集聚地區要嚴格核查電動自行車生產企業的生產資質，要督促電動車生產企業嚴格按照《電動自行車安全技術規范》(GB 17761-2018)合法生產合規產品。在銷售環節，各地要按照相應出臺非機動車安全管理條例，建立市場監管、安監、公安等聯合機制，加大銷售、組裝等。在使用環節，公安、交管等部門要加大群眾電動自行車日常使用的監督管理，查處違規改裝電氣線路、超規配置電池等行為。在維修環節，要嚴格把控電動自行車修理維護質量，規范維修網點的零配件質量和安裝規范，確保維修后的整車電氣線路性能合規。
4.3規范充電場所建設
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消防安全參考技術要點》，規范電動自行車集中停放充電裝置建設，持續開展高質量的充電設施建設，力爭實現有條件的住宅小區及人員密集場所電動自行車充電設施建設全覆蓋，從而解決電動自行車或鋰電池進門入戶充電行為，大限度減少電動自行車火災形成時造成的人員傷亡風險。對于新建小區，將電動自行車棚和充電樁規劃納入新小區的建設設計中，實現電動自行車的停放和充電至少達到1 1的條件。對于老舊社區，協同住房城鄉建設管理部門做好電動自行車集中停放場所后續增設工作。同時，輔助建設電梯智能阻車系統、電動自行車充電棚安防設備，主動接入政府一網統管系統，積極提升電動自行車安全使用的監管成效。
4.4安全用車用電宣傳
對人民群眾開展經常性的宣傳教育，提示電動自行車的安全隱患、正確使用方法包括充電停放、保養維護等，引導群眾安全合法使用電動自行車。嚴格依法查處違規停放、充電等行為，依法追究相應責任。定期組織電動車火災警示教育，加強對群眾電動車火災處置和逃生知識的宣傳，提升群眾安全防范意識，扭轉電動自行車火災防范被動應付的局面。
5限流式保護器在電氣防火的應用
5.1限流式保護器的功能及應用方案
5.1.1限流式保護器的設計
電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態開關，不同于傳統家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統空氣開關的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產生。而固態開關的斷開則是依靠半導體內部的載流子運動實現，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產生。
如圖4所示，當發生短路故障時，傳統空氣開關在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態開關則可以在電流升至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，傳統空氣開關與固態開關在短路時所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發生短路故障時，就可以避免電弧的產生，從而有效降低了電氣火災。
5.1.2 ASCP200-1功能特點
ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下:
A）短路保護功能，線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護；
B）過載保護功能，線路持續過載時，保護器限流保護；
C）表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；
D）過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護（可設）；
E）電纜溫度監測功能，被測線纜溫度超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；
F）漏電流監測功能，線路漏電超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；
G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監控軟件或平臺，從而實現遠程監控。
5.1.3 ASCP200-1技術參數
5.1.4應用方案圖示
ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據入戶開關的具體規格進行設置，典型應用示意圖如圖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
在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前一級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴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器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環境溫度和通風散熱。
為確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。
保護器內部帶有交流電，嚴禁非專業人士擅自打開產品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態，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，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。
當保護器因超溫而發生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。
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作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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