韓歡慶

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(dòng)自行車(chē)火災事故發(fā)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(fā)生火災的原理，解構了電動(dòng)自行車(chē)內低壓電氣線(xiàn)路的分類(lèi)分布和火災風(fēng)險因素，從提升電氣線(xiàn)路本體安全的角度，探討了如何進(jìn)一步加強電動(dòng)自行車(chē)火災防控工作，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

【關(guān)鍵詞】低壓電氣；電動(dòng)自行車(chē)；火災

       ，電動(dòng)自行車(chē)是以輪轂電機、電機控制器、金屬車(chē)架等部件為主要結構，以動(dòng)力電池為行動(dòng)能源，以多元化低壓電氣系統為控制手段。其以輕便快捷、價(jià)格便宜、綠色環(huán)保、通行性高、停車(chē)不設限等先天優(yōu)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(shí)，電動(dòng)自行車(chē)引發(fā)的火災事故不斷上升，亡人傷人風(fēng)險與日俱增。防范電動(dòng)自行車(chē)火災是當前消防安全管理的重要內容之一。本文從電動(dòng)自行車(chē)構成部分低壓電氣系統的致災因素角度，粗略分析電動(dòng)自行車(chē)消防安全風(fēng)險源頭，旨在啟示電動(dòng)自行車(chē)火災防控方向。

       從電力學(xué)的角度來(lái)看，低壓電氣線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )中，不同電位的導電部分，直接用金屬導線(xiàn)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(xiàn)瞬間產(chǎn)生高溫、電弧甚至線(xiàn)路熔斷，點(diǎn)燃絕緣層和故障點(diǎn)附近可燃物，繼而引發(fā)火災事故。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，電路短路是引發(fā)電力故障和電氣火災事故的重要原因之一。

圖1常見(jiàn)電路短路示意圖

1.2接觸不良

       導線(xiàn)與導線(xiàn)、導線(xiàn)與配電、用電設備之間連接時(shí)，因接觸不良或接觸電阻過(guò)大，在電氣線(xiàn)路持續電流的作用下，致使導線(xiàn)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)火災事故。接觸不良是線(xiàn)路火災容易忽略并難以防止的一種。

1.3線(xiàn)路漏電

       低壓電氣線(xiàn)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(lái)，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?chē)扇嘉镄纬苫馂氖鹿?。此?lèi)火災難以預防，可發(fā)生于相線(xiàn)與中性線(xiàn)、相線(xiàn)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(guò)載

       通過(guò)電氣線(xiàn)路的電流超過(guò)其安全載流量，導致電氣線(xiàn)路產(chǎn)生高溫，引燃絕緣層或周?chē)扇嘉镄纬苫馂氖鹿?。線(xiàn)路過(guò)載是造成線(xiàn)路電氣火災的又一重要因素。過(guò)載不僅能直接引起火災，而且過(guò)載會(huì )損壞線(xiàn)路絕緣材料，又往往是引起線(xiàn)路短路、接觸不良、漏電等故障的先導因素，需重點(diǎn)加以防范。

       當前，國內普及的電動(dòng)自行車(chē)電氣系統由用電設備、電源設備和連接導線(xiàn)等部分組成，其主要構件有充電器、控制器、動(dòng)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(dòng)自行車(chē)補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(dòng)自行車(chē)動(dòng)力電池的壽命周期和使用安全。目前市場(chǎng)中，家庭用戶(hù)所普遍使用的充電器原理是將交流220 V電壓經(jīng)整流濾波電路轉變?yōu)?00 V左右的電壓，并通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)和電壓變換，產(chǎn)生充電時(shí)所需的低壓直流電，再由充電控制電路控制后對電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。其內部主要構成為高壓開(kāi)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，兩端電流導線(xiàn)分別為三相交流絕緣線(xiàn)和直流絕緣線(xiàn)，其質(zhì)量可能參差不齊。根據火災情況不*統計，充電器引發(fā)的火災事故占有較大比例。

2.2動(dòng)力電池系統

       因歷史存量原因，用戶(hù)使用層面存在較大部分的鉛酸蓄電池，此類(lèi)電池因技術(shù)成熟、結構簡(jiǎn)單、單位能量密度不高，其安全系數也相對較高，火災發(fā)生幾率相應較低。但是隨著(zhù)電動(dòng)自行車(chē)新國標的推進(jìn)，對電動(dòng)自行車(chē)整車(chē)質(zhì)量進(jìn)行了嚴格管控，致使廠(chǎng)商無(wú)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(xiāo)售的電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)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(lèi)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(cháng)時(shí)間使用后電池內部易形成類(lèi)似短路現象，造成鋰電池內部熱失控而產(chǎn)生爆燃，火災風(fēng)險、致災風(fēng)險非常高。

2.3電機控制電路

       電動(dòng)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(hù)使用需求實(shí)現改變電動(dòng)機轉速、控制逆充電等功能。其中控制器電路猶如電動(dòng)自行車(chē)的大腦，用來(lái)控制電動(dòng)車(chē)電機的啟動(dòng)、運行、進(jìn)退、停止、轉動(dòng)速度，并對整車(chē)的其他電氣系統進(jìn)行有效保護控制?？刂破鲀炔侩娐酚蠵WN發(fā)生器電路、電源管理電路、功率驅動(dòng)電路、控制部件、信號釆集單元與處理電路、過(guò)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(kāi)關(guān)、轉向燈及開(kāi)關(guān)、制動(dòng)燈及開(kāi)關(guān)組成，照明系統由前后大燈、照明及變光開(kāi)關(guān)、儀表燈等組成，儀表系統由車(chē)速里程表、電量表等組成。部分車(chē)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(lèi)電路存在自行改裝不規范的風(fēng)險。

       從具體個(gè)案來(lái)看，電動(dòng)自行車(chē)的火災成因比較復雜，有的是人為因素，有的是客觀(guān)因素。但從宏觀(guān)角度來(lái)看，絕大部分電動(dòng)自行車(chē)火災原因歸根結底都是由內部低壓電氣線(xiàn)路因短路、過(guò)載故障引發(fā)熱失控和動(dòng)力電池內部故障的熱失控所引起。

3.1電氣線(xiàn)路材質(zhì)不合格

       價(jià)格實(shí)惠是電動(dòng)自行車(chē)主要優(yōu)點(diǎn)之一，電動(dòng)車(chē)用戶(hù)對于價(jià)格因素較為敏感，于是部分廠(chǎng)家或商家在利潤驅使下，擅自降低質(zhì)量標準，選用絕緣層不過(guò)關(guān)、導線(xiàn)線(xiàn)徑不合格的線(xiàn)材進(jìn)行電機控制電路和輔助電路的組裝；部分品牌的電動(dòng)車(chē)在銷(xiāo)售端組裝過(guò)程中，安裝人員敷設輔助電路時(shí)未按照標準對線(xiàn)路進(jìn)行規范捆綁，部分電氣線(xiàn)路金屬接頭質(zhì)量不過(guò)關(guān)，防水防銹處理不合格，導致長(cháng)時(shí)間使用后線(xiàn)路氧化電阻增大，易過(guò)負荷發(fā)熱引起火災。

3.2改裝電氣線(xiàn)路不合規

       有的用戶(hù)為了解除限速和車(chē)輛美容，違規對電動(dòng)自行車(chē)電機控制電路、輔助電路等進(jìn)行改裝，以安裝額外的燈具音響等電子設備，有的甚至更換輪轂電機、更換大容量動(dòng)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(gè)電動(dòng)自行車(chē)電力系統短路、過(guò)負荷等風(fēng)險增大，繼而增加了火災風(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(dòng)自行車(chē)充電器沒(méi)有過(guò)充、過(guò)流保護功能，動(dòng)力電池充滿(mǎn)電后不能轉入涓流充電模式，導致動(dòng)力電池極板腐蝕、隔膜擊穿，引發(fā)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(guò)載保護裝置，長(cháng)期使用后充電器內電容、變壓線(xiàn)圈等元器件易形成短路故障發(fā)生火災。

3.4外觀(guān)組件材質(zhì)不達標

       目前，由于群眾對電動(dòng)自行車(chē)的舒適性和美觀(guān)性的需求，電動(dòng)自行車(chē)逐漸向著(zhù)摩托車(chē)樣式發(fā)展，在車(chē)身構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(dòng)自行車(chē)在其低壓電氣系統產(chǎn)生電路短路、電路過(guò)載、電路漏電和電池爆燃故障后，極易引燃外觀(guān)組件增加火災風(fēng)險幾率。據不*統計，此類(lèi)電動(dòng)自行車(chē)火災占比可達90%以上。

       通過(guò)以上分析，防范電動(dòng)自行車(chē)火災事故既要提髙安全管理措施，還要從本質(zhì)上改善車(chē)輛內在致災因素入手。綜合考慮低壓電氣線(xiàn)路防范短路、過(guò)載、漏電、接觸不良等情況的措施，有效的是嚴格選擇電線(xiàn)電纜、合理規劃線(xiàn)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(yōu)化絕緣材料性能，輔之以減少周邊可燃物(即電動(dòng)自行車(chē)易燃外殼)等方式。相應來(lái)講，電動(dòng)自行車(chē)防范火災事故，可以從以下方面進(jìn)行著(zhù)手。

4.1優(yōu)化安全技術(shù)規范

       在車(chē)身制造上，優(yōu)化整車(chē)結構研發(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(dòng)自行車(chē)能夠兼顧美觀(guān)、耐用的客戶(hù)要求和輕量、安全的標準要求。在內部電氣線(xiàn)路上，要科學(xué)布置線(xiàn)路走位，釆用優(yōu)質(zhì)線(xiàn)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(xiàn)路的連接，從而降低導線(xiàn)連接點(diǎn)的安全風(fēng)險。同時(shí)，相關(guān)部門(mén)可研究制定相應的指導意見(jiàn)，鼓勵電動(dòng)自行車(chē)生產(chǎn)企業(yè)主動(dòng)提升安全技術(shù)規范，采用成熟優(yōu)質(zhì)穩定的動(dòng)力電池，從本質(zhì)上降低電動(dòng)自行車(chē)發(fā)生火災風(fēng)險因素，提升電動(dòng)自行車(chē)防控火災的能力。

4.2嚴把安全質(zhì)量關(guān)口

       在生產(chǎn)環(huán)節，電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)集聚地區要嚴格核查電動(dòng)自行車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)資質(zhì)，要督促電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)企業(yè)嚴格按照《電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規范》(GB 17761-2018)合法生產(chǎn)合規產(chǎn)品。在銷(xiāo)售環(huán)節，各地要按照相應出臺非機動(dòng)車(chē)安全管理條例，建立市場(chǎng)監管、安監、公安等聯(lián)合執法機制，加大銷(xiāo)售、組裝等。在使用環(huán)節，公安、交管等部門(mén)要加大群眾電動(dòng)自行車(chē)日常使用的監督管理，查處違規改裝電氣線(xiàn)路、超規配置電池等行為。在維修環(huán)節，要嚴格把控電動(dòng)自行車(chē)修理維護質(zhì)量，規范維修網(wǎng)點(diǎn)的零配件質(zhì)量和安裝規范，確保維修后的整車(chē)電氣線(xiàn)路性能合規。

4.3規范充電場(chǎng)所建設

       從用戶(hù)使用場(chǎng)景來(lái)看，要參考《電動(dòng)自行車(chē)集中停放充電場(chǎng)所建設消防安全參考技術(shù)要點(diǎn)》，規范電動(dòng)自行車(chē)集中停放充電裝置建設，持續開(kāi)展高質(zhì)量的充電設施建設，力爭實(shí)現有條件的住宅小區及人員密集場(chǎng)所電動(dòng)自行車(chē)充電設施建設全覆蓋，從而解決電動(dòng)自行車(chē)或鋰電池進(jìn)門(mén)入戶(hù)充電行為，盡可能減少電動(dòng)自行車(chē)火災形成時(shí)造成的人員傷亡風(fēng)險。對于新建小區，將電動(dòng)自行車(chē)棚和充電樁規劃納入新小區的建設設計中，實(shí)現電動(dòng)自行車(chē)的停放和充電至少達到1 1的條件。對于老舊社區，協(xié)同住房城鄉建設管理部門(mén)做好電動(dòng)自行車(chē)集中停放場(chǎng)所后續增設工作。同時(shí)，輔助建設電梯智能阻車(chē)系統、電動(dòng)自行車(chē)充電棚安防設備，主動(dòng)接入政府一網(wǎng)統管系統，積極提升電動(dòng)自行車(chē)安全使用的監管成效。

4.4安全用車(chē)用電宣傳

       對人民群眾開(kāi)展經(jīng)常性的宣傳教育，提示電動(dòng)自行車(chē)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(dòng)自行車(chē)。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(dòng)車(chē)火災警示教育，加強對群眾電動(dòng)車(chē)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(dòng)自行車(chē)火災防范被動(dòng)應付的局面。

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(kāi)關(guān)和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(cháng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現滅弧保護，從而能顯著(zhù)減少電氣火災事故，保障使用場(chǎng)所人員和財產(chǎn)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(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機械運動(dòng)過(guò)程，分斷時(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導體內部的載流子運動(dòng)實(shí)現，分斷時(shí)間微秒級，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

如圖4所示，當發(fā)生短路故障時(shí)，傳統空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

 

圖4短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

       從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)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(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災。

5.1.2 ASCP200-1功能特點(diǎn)

       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(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護；

       B）過(guò)載保護功能，線(xiàn)路持續過(guò)載時(shí)，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(guò)高時(shí)，保護器限流保護；

       D）過(guò)/欠壓保護功能，線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

       E）電纜溫度監測功能，被測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

       F）漏電流監測功能，線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，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(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)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(shí)現遠程監控。

5.1.3 ASCP200-1技術(shù)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(hù)開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規格進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(xiàn)路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以?huà)靿Π惭b，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場(chǎng)所無(wú)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?？煽窟B接，接線(xiàn)時(shí)應按接線(xiàn)圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線(xiàn)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(shí)。

保護器內部帶有交流電，嚴禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護時(shí)，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路，并排除故障后，長(cháng)按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時(shí)。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時(shí)，則可能是因為負載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因導致，可通過(guò)加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來(lái)后，再長(cháng)按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

[1]李默.低壓線(xiàn)路常見(jiàn)電氣火災原因分析認定及預防措施研究[J].科技風(fēng),2016(19):1.

[2]李智超，劉建偉.住宅小區電動(dòng)自行車(chē)消防安全探討[J].消防界（電子版）,2018,4(24):2.

[3]史東和.低壓電氣火災成因對防范電動(dòng)自行車(chē)火災的啟示.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發(fā)與應用，