陳盼
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，提升安全防範的針對性，文章分析了低壓電氣系統發生火災的原理，解構了電動自行車内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，探讨了如何進一步加強電動自行車火災防控工作，保障人民群衆生命财産安全。
【關鍵詞】低壓電氣；電動自行車；火災
0前言
衆所周知，電動自行車是以輪毂電機、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，成為廣大群衆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。防範電動自行車火災是目前消防安全管理的重要内容之一。本文從電動自行車構成部分低壓電氣系統的緻災因素角度，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
在常用電氣裝置或電力傳輸網絡中，不同電位的導電部分，直接用金屬導線或小電阻裝置連接配接在一起，造成短路回路電流突然劇增，進而緻使導線瞬間産生高溫、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。在實際生産生活中，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、用電裝置之間連接配接時，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，緻使導線接觸處産生高溫或電弧，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，電流從電流回路内洩漏出來，流到周邊可接地物體上，形成漏電電流路徑。在該路徑上可能産生高溫、電弧、電火花，進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，導緻電氣線路産生高溫，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，需重點加以防範。
2電動自行車中低壓電氣構成
目前，國内普及的電動自行車電氣系統由用電裝置、電源裝置和連接配接導線等部分組成，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第一道關卡，其産品品質好壞和充電模式優劣将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，家庭使用者所普遍使用的充電器原理是将交流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，産生充電時所需的低壓直流電，再由充電控制電路控制後對電動自行車動力電池進行充電。其内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膠，兩端電流導線分别為三相交流絕緣線和直流絕緣線，其品質可能參差不齊。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
因曆史存量原因，使用者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、機關能量密度不高，其安全系數也相對較高，火災發生幾率相應較低。但是随着電動自行車新國标的推進，對電動自行車整車品質進行了嚴格管控，緻使廠商無一例外地全部選擇品質輕、便于抽取充電的锂離子電池。是以目前市面上銷售的電動自行車動力電池主要為48 V以下的锂離子電池(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、内部構造緊湊、機關能量密度高，由于組裝工藝精度、使用壽命等因素影響，在長時間使用後電池内部易形成類似短路現象，造成锂電池内部熱失控而産生爆燃，火災風險、緻災風險非常高。
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，主要作用是根據使用者使用需求實作改變電動機轉速、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、運作、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。控制器内部電路有PWN發生器電路、電源管理電路、功率驅動電路、控制部件、信号釆集單元與處理電路、過電流欠電壓保護電路等組成。此處電源管理排程頻繁、流向複雜、用電負荷較高，容易集聚高溫。
2.4輔助電路
輔助電路包含信号系統，照明系統和儀表裝置。信号系統由電喇叭及開關、轉向燈及開關、制動燈及開關組成，照明系統由前後大燈、照明及變光開關、儀表燈等組成，儀表系統由車速裡程表、電量表等組成。部分車型還內建了定位子產品、usb充電子產品、soc測量子產品等電子附件。此類電路存在自行改裝不規範的風險。
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複雜，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内部低壓電氣線路因短路、過載故障引發熱失控和動力電池内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，電動車使用者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，擅自降低品質标準，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标準對線路進行規範捆綁，部分電氣線路金屬接頭品質不過關，防水防鏽處理不合格，導緻長時間使用後線路氧化電阻增大，易過負荷發熱引起火災。
3.2改裝電氣線路不合規
有的使用者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裝置，有的甚至更換輪毂電機、更換大容量動力電池。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比對和安全檢測，導緻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
部分品質較低的電動自行車充電器沒有過充、過流保護功能，動力電池充滿電後不能轉入涓流充電模式，導緻動力電池極闆腐蝕、隔膜擊穿，引發電池漏液或内部短路爆燃。另外，充電電路内未安裝短路和過載保護裝置，長期使用後充電器内電容、變壓線圈等元器件易形成短路故障發生火災。
3.4外觀元件材質不達标
目前，由于群衆對電動自行車的舒适性和美觀性的需求，電動自行車逐漸向着機車樣式發展，在車身構成上大量使用塑膠裝飾外殼、泡沫式座墊、皮質座椅套、塑膠燈具外殼、塑膠尾箱等元件，這些元件均釆用高分子材料制作，其燃燒性能好、燃燒速度快，有的雖然達到難燃标準，但在外焰作用下仍能燃燒。這些因素綜合疊加，導緻摩托型電動自行車在其低壓電氣系統産生電路短路、電路過載、電路漏電和電池爆燃故障後，極易引燃外觀元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範
通過以上分析，防範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内在緻災因素入手。綜合考慮低壓電氣線路防範短路、過載、漏電、接觸不良等情況的措施，最有效的是嚴格選擇電線電纜、合理規劃線路敷設路徑、穩定電氣裝置電壓電流溫度等參數，保持電氣連接配接部位接觸良好、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，電動自行車防範火災事故，可以從以下方面進行着手。
4.1優化安全技術規範
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、安全的标準要求。在内部電氣線路上，要科學布置線路走位，釆用優質線纜材料和電氣裝置。在元件使用上，要加大各電氣系統子產品化整合設定，盡量減少分散的輔助電氣線路的連接配接，進而降低導線連接配接點的安全風險。同時，相關部門可研究制定相應的指導意見，鼓勵電動自行車生産企業主動提升安全技術規範，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嚴把安全品質關口
在生産環節，電動車産業集聚地區要嚴格核查電動自行車生産企業的生産資質，要督促電動車生産企業嚴格按照《電動自行車安全技術規範》(GB 17761-2018)合法生産合規産品。在銷售環節，各地要按照相應出台非機動車安全管理條例，建立市場監管、安監、公安等聯合執法機制，加大銷售、組裝等。在使用環節，公安、交管等部門要加大群衆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品質，規範維修網點的零配件品質和安裝規範，確定維修後的整車電氣線路性能合規。
4.3規範充電場所建設
從使用者使用場景來看，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》，規範電動自行車集中停放充電裝置建設，持續開展高品質的充電設施建設，力争實作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寫，進而解決電動自行車或锂電池進門入戶充電行為，最大限度減少電動自行車火災形成時造成的人員傷亡風險。對于建立小區，将電動自行車棚和充電樁規劃納入新小區的建設設計中，實作電動自行車的停放和充電至少達到1 1的條件。對于老舊社群，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後續增設工作。同時，輔助建設電梯智能阻車系統、電動自行車充電棚安防裝置，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
對人民群衆開展經常性的宣傳教育，提示電動自行車的安全隐患、正确使用方法包括充電停放、保養維護等，引導群衆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，加強對群衆電動車火災處置和逃生知識的宣傳，提升群衆安全防範意識，扭轉電動自行車火災防範被動應付的局面。
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、空氣開關和監控裝置存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時産生的電弧火花大，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作滅弧保護，進而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和财産的安全。
安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固态開關，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随有電弧的産生。而固态開關的斷開則是依靠半導體内部的載流子運動實作，分斷時間微秒級，速度快，無電弧産生。
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，而固态開關則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。
圖4短路故障前後電流與時間關系圖
從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開關與固态開關在短路時所釋放的能量差别可以達到數千倍之多。是以當裝配限流式保護器的回路發生短路故障時，就可以避免電弧的産生，進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微秒内實作快速限流保護；
B）過載保護功能，線路持續過載時，保護器限流保護；
C）表内超溫保護功能，保護器内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，可以将資料發送到安科瑞Acrel-6000安全雲平台，或第三方監控軟體或平台，進而實作遠端監控。
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定，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緻。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應将限流式保護器的額定電流設定為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁将其使用于與其前端斷路器的額定電流不比對的配電線路中。
ASCP200系列采用限流式保護器采用壁挂式安裝，可以挂牆安裝，也可以安裝在箱體内，應確定安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉澱物質，并注意環境溫度和通風散熱。
為確定可靠連接配接，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緻局部過熱，也避免因接觸不良而導緻保護器工作不正常，線頭應采用合适大小的U形冷壓頭壓接後，再插入保護器相應端子上并将螺釘擰緊壓實。
保護器内部帶有交流電，嚴禁非專業人士擅自打開産品外殼。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态，不允許随意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障後，長按保護器的複位按鍵約2秒鐘，使保護器恢複正常運作時。
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緻，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來後，再長按複位鍵，使保護器複位，恢複正常運作。
參考文獻
[1]李默.低壓線路常見電氣火災原因分析認定及預防措施研究[J].科技風,2016(19):1.