1.4　点燃源

1.4.1　电气点燃源

1.4.1.1　危险温度

电气设备运行时必然伴随产生一定的热效应，可能引起电气设备局部区域与周围介质的温度差异，称为温升。就其原因而言，首先，导体总是有电阻的，当电流通过导体时，必然要消耗一定的电能，其大小为

式中　ΔW——在t1～t2时间段内导体上消损的电能，J；

i（t）——通过导体的电流，A；

R——导体的电阻，Ω。

这部分电能转换为热能，其大小与电流的平方和导体电阻值大小成正比。其次，对于电动机、变压器等电气设备，由于使用了铁芯，交变电流的交变磁场在铁芯中产生磁滞损耗和涡轮损耗，使铁芯发热，温度升高。铁芯磁通密度越高，电流频率越高，铁芯钢片厚度越大，这部分热量越大。一般电气设备用电工钢片在磁通密度为1T、频率为50Hz的条件下，其单位质量的功率损耗通常约为1～2W/kg。

此外，有机械运动的电气设备因摩擦会引起发热，电气设备的漏磁、谐波也会引起发热等现象，这些都会使温度升高。电气设备在正常运行时，其发热与散热平衡，最高温度和最高温升都不会超过允许范围。当电气设备的正常运行遭到破坏时，发热量增加，温度升高，出现危险温度，在一定条件下即可引起火灾。

引起电气设备过度发热的不正常运行大体有以下几种情况。

（1）短路

短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接，电流不流经任何用电器。发生短路时，线路中电流增大为正常时的数倍乃至数十倍，由于载流导体来不及散热，温度急剧上升，除对电气线路和电气设备产生危害外，还形成危险温度。短路的瞬态过程会产生很大的冲击电流，造成电气设备损坏。

在三相供电系统中，可能发生的短路形式有三相短路、两相短路和单相短路。其中三相短路和两相短路属于相间短路，发生的情况相对较少。相间短路一般能够产生较大的短路电流，该短路电流使过电流保护装置动作，及时切断电源，较少发生电弧性短路，因此较少发生电气火灾。单相短路是电气系统中最常见的短路形式（占70%～80%），电气火灾多是由于供电线路单相短路造成的。单相短路的主要形式是单相接地短路，可分为金属性短路和电弧性短路。金属性短路因其短路电流大，过电流保护装置在短路电流的作用下短时间内能够切断电源，故起火的危险并不大。而电弧性短路由于故障点的接触不良，未被熔融而迸发出电弧或电火花。由于发生电弧性短路的故障点阻抗较大，它的短路电流并不大，过电流保护装置难以动作，从而使电弧持续存在。值得注意的是，略大于0.5A的电流产生的电弧温度可高达2000～3000℃，足以引燃任何可燃物，并且维持电弧的电压低至20V时仍可使电弧连续稳定存在，这种短路电弧引发的火灾占电气火灾的一半以上。

电气设备安装和检修中的接线和操作错误，可能引起短路；运行中的电气设备或线路发生绝缘变化、变质；或过度高温、潮湿、腐蚀作用；或受到机械损伤等而失去绝缘能力，可能导致短路。由于外壳防护等级不够，导电性粉尘或纤维进入电气设备内部，也可能导致短路。因防范措施不到位，小动物、霉菌及植物等也可能导致短路。由于雷击等过电压的作用，电气设备的绝缘可能遭到击穿而短路。

（2）过载

电气线路或设备长时间过载也会导致温度异常上升，形成点燃源。过载的原因主要有如下几种情况。

① 电气线路或设备选型不合理，或没有考虑足够的裕量，以致在正常使用情况下出现过热。

② 电气设备或线路使用不合理，负载超过额定值或连续使用时间过长，超过线路或设备的设计能力，由此造成过热。

③ 设备故障运行会造成设备和线路过负载，如三相电动机单相运行或三相变压器不对称运行可能造成过负载。

④ 电气回路谐波能使线路电流增大而过载。如三相四线制电路三次及其奇数倍（9次、15次谐波等），谐波电流会引起中性线过载危险，而中性线的严重过载将带来火灾隐患。

产生三次谐波的设备主要有：节能灯、荧光灯、计算机、变频空调、微波炉、镇流器、焊接设备、UPS电源等。如节能荧光灯，因灯管内电弧的负阻特性，产生的谐波电流主要为三次谐波电流。

（3）漏电

电气设备或线路发生漏电时，因其电流一般较小，不能促使线路上熔断器的熔丝动作。一般当漏电电流沿线路比较均匀地分布，发热量分散时，火灾危险性不大。而当漏电电流集中在某一点时，可能引起比较严重的局部发热，引燃成灾。

（4）接触不良

电气线路或电气装置中的电路连接部位是系统中的薄弱环节，是产生危险温度的主要部位之一。

电气接头连接不牢、焊接不良或接头处夹有杂物，都会增加接触电阻而导致接头过热。刀开关、断路器、接触器的触头、插销的触点等，如果没有足够的解除压力或表面粗糙不平等，均可能增大接触电阻，产生危险温度。对于铜、铝接头，由于铜和铝的理化性能不同，接触状态会逐渐恶化，导致接头过热。

（5）铁芯过热

对于电动机、变压器、接触器等带有铁芯的电气设备，如果铁芯短路（片同绝缘破坏）或线圈电压过高，由于涡流损耗和磁滞损耗增加，使铁损增加，将造成铁芯过热并产生危险温度。

（6）散热不良

电气设备在运行时必须确保具有一定的散热或通风措施。如果这些措施失效，如通风道堵塞、电扇损坏、散热油管堵塞、安装位置不当、环境温度过高或距离外界热源太近等，均可能导致电气设备和线路过热。

（7）机械故障

由交流异步电动机驱动的设备，如果转动部分被卡死或轴承损坏，造成堵转或负载转矩过大，都会因电流显著增大而导致电动机过热。交流电磁铁在通电后，如果衔铁被卡死，不能吸合，则线圈中的大电流持续不降低，也会造成过热。

（8）电压异常

相对于额定值，电压过高和过低均属电压异常。电压过高时，除使铁芯发热增加外，对于恒阻抗设备，还会使电流增大而发热。电压过低时，除可能造成电动机堵转、电磁铁衔铁吸合不上，使线圈电流大大增加而发热外，对于恒功率设备，还会使电流增大而发热。

1.4.1.2　电火花和电弧

电火花是电极间的击穿放电，电弧是大量电火花汇集而成的。在切断感性电路时，断路器触点分开瞬间，由于高温引起热电子发射，产生的电离作用使断开的触点之间形成密度很大的电子流和离子流，形成电弧和电火花。电弧形成后的弧柱温度可高达6000～7000℃，甚至10000℃以上，不仅能引起可燃物燃烧，还能使金属熔化、飞溅，形成危险的火源。在有爆炸危险的场所，电火花和电弧是十分危险的因素。

电火花大体分为工作火花和事故火花两类。工作火花指电气设备正常工作或正常操作过程中所产生的电火花，例如，刀开关、断路器、接触器、控制器接通和断开线路时会产生电火花；插销拔出或插入时的火花；直流电动机的电刷与换向器的滑动接触处、绕线转子异步电动机的电刷与集电环的滑动接触处也会产生电火花等。切断感性电路时，断口处火花能量较大，危险性也较大。当该火花能量超过周围爆炸性混合物的最小点燃能量时，即可能引起爆炸，危险性也较大。其火花能量可按下式估算：

式中　L——电路中的电感；

I——电路中的电流。

当该火花能量超过周围爆炸性混合物的最小点燃能量时，即可能引起爆炸。

事故火花包括线路或设备发生故障时出现的火花。如绝缘损坏、导线断线或连接松动导致短路或接地时产生的火花；电路发生故障，熔丝熔断时产生的火花；沿绝缘表面发生的闪络等。

电力线路和电气设备在投切过程中由于受感性和容性负荷的影响，在电路参数与相位作用下，会产生铁磁谐振和高次谐波，并引起过电压，这个过电压也会破坏电气设备绝缘造成击穿，并产生电弧。

事故火花还包括由外部原因产生的火花，如雷电直接放电及二次放电火花、静电火花、电磁感应火花等。

此外，电动机转子与定子发生摩擦（扫膛）或风扇与其他部件相碰也会产生火花，这都是由碰撞引起的机械性质的火花。

1.4.1.3　电气装置及电气线路点燃源

（1）电动机

异步电动机的火灾危险性是由于其内部和外部的诸如制造工艺和操作运行等种种原因造成的发热所引起的。其原因主要有：电源电压波动、频率过低；电动机运行中发生过载、闷车（堵转）、扫膛；电动机绝缘破坏，产生漏电，甚至发生相间、匝间短路；绕组断线或接触不良；选型和启动方式不当等。

① 电动机过载运行　电动机过载运行是电流超过额定值长时间过载，会导致电动机超过允许温升，加速绝缘劣化，严重时会烧毁电动机，构成点燃源。

异步电动机的电磁转矩与绕组电压的平方成正比。当电源电压降低为额定电压的80%时，其电磁转矩下降到额定转矩的64%，将无法正常带动额定负载，导致电动机转速下降，转差率上升，使电流增大，时间一长，就会引起绕组过热，形成电气点燃源，严重时会烧毁电动机。

② 闷车（堵转）　当异步电动机所带负载转矩大于电动机的最大电磁转矩时，电动机将带不动负载，导致转速迅速下降为零。此时电流最大可为额定电流的7倍，会很快地使电动机烧毁并形成点燃源。

③ 电动机漏电或短路　电动机因绝缘劣化、检修时绝缘受损、异物进入电动机内、绕组受潮等会造成电动机漏电、接地短路、绕组匝间或相间短路，漏电电流或短路时的电弧会形成危险的电气点燃源。

④ 接触不良或断线　连接电动机主电路的接线处各接点接触不良或松动时，接触电阻增大，导致接点发热，使接点处的氧化加速，导致接触状态进一步劣化，因发热形成的高温会烧毁接点，形成电弧火花，构成点燃源。

三相异步电动机如果发生某相断线，则形成了缺相运行。此时，电动机绕组中的电流会明显上升，但又达不到保护电动机的熔断器的熔断电流值。因此，大电流长时间作用引起定子绕组过热，导致电动机烧毁，形成点燃源。

异步电动机形成点燃源的主要部位是绕组、铁芯和轴承以及引线（电流回路）。其既有电气方面的原因也有机械方面的原因。而它们往往不是孤立的，电气原因可能引起机械方面的故障或事故，反之亦然；有时呈互为因果的恶性循环。

（2）电缆

当导线电缆发生短路、过载、局部过热、电火花或电弧等故障状态时，所产生的热量将远远超过正常状态。火灾案例表明，有的绝缘材料是直接被电火花或电弧引燃；有的绝缘材料是在高温作用下发生自燃；有的绝缘材料是在高温作用下加速了热老化进程，导致热击穿短路，产生的电弧将其引燃。

电缆构成点燃源的原因如下。

① 电缆绝缘损坏　运输过程或敷设过程中造成的电缆绝缘的机械损伤，运行中的过载，接触不良，短路故障等都会使绝缘损坏，导致绝缘击穿而产生电弧。

② 电缆头故障使绝缘物自燃　施工不规范，质量差，电缆头不清洁等降低了线间绝缘。

③ 电缆接头盒内发生故障燃烧　电缆接头盒内的中间接头因压接不稳，焊接不良和接头材料选择不当，导致运行中接头氧化、发热、流胶和绝缘介质质量不合格，灌注时盒内存有空气，电缆盒密封不好，进入了水或潮气等，都会引起绝缘击穿，形成短路甚至发生爆炸。

④ 积堆在电缆上的粉尘起火　积尘不清扫，可燃性粉尘在外界高温或电缆高负荷时，在电缆表面的高温作用下，发生自燃起火。

⑤ 可燃气体从电缆沟窜入变、配电室　电缆沟与变、配电室的联通处未采取严密封堵措施，可燃气体从电缆沟窜入变、配电室，引起火灾爆炸事故。

⑥ 电缆起火形成蔓延　电缆受外界引火源作用一旦起火，火焰延电缆延燃，使危害扩大。

（3）低压开关设备和保护电器

开关电器在大气中断开时，只要电源电压超过12～20V，电流超过0.25～1A，在触头之间就会产生电弧。例如，铜触头间的最小生弧电压为13V，最小生弧电流为0.43A，当切断220V交流电路时产生电弧的最小电流为0.5A。若切断电流时加于触头间的电压小于上述值，则会产生电火花。由于开关电器工作时，电路的电压和电流都大于生弧电压和生弧电流，所以切断电路时必然产生电弧，在爆炸危险场所会引起电气火灾爆炸。

（4）电热器具和照明灯具引燃

电热器器具是将电能转换成热能的用电设备。常用的电热器有电炉，电吹风机、电烤箱、电熨斗、电烙铁、电褥子等。

电热器具的电阻丝由镍镉合金制成，使用时温度可达800℃以上，可引燃与其接触的或临近的可燃物。电热器具的功率一般比较大，使用不当容易引起火灾。电热器具连续工作时间过长，将使温度过高烧毁绝缘材料，引起火灾。电热器具电源线容量不够，可导致发热起火。

电熨斗和电烙铁的工作温度高达500～600℃，能直接引燃可燃物。电褥子通电时间过长，或经常折叠，致使电热元件损坏发生短路，将因过热而引起火灾；如将电褥子折叠使用，破坏其散热条件，亦可导致起火燃烧。

照明灯泡和灯具工作温度较高，如安装、使用不当，均可能引起火灾。白炽灯泡表面温度随功率大小和生产厂家不同而差异很大，在一般散热条件下，其表面温度可参考表1-8。

有关试验表明，200W的白炽灯灯泡紧贴纸张时，12min即可引燃（引燃时的温度为333℃）；紧贴棉被时，5min即可引燃（引燃时的温度为367℃）。卤钨灯、高压汞灯这类灯具的表面温度一般高达500～800℃，极易引起可燃物品起火。各种原因导致灯泡爆碎时，炽热的钨丝遇可燃物，会引起可燃物燃烧。

日光灯镇流器运行时间过长或质量不高，将使发热增加，温度上升，如超过镇流器所使用绝缘材料的引燃温度，亦可引燃成灾。

1.4.2　非电气点燃源

1.4.2.1　静电

静电是一种客观的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦等。静电放电（Electro-Static Discharge，ESD）是带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的过程，静电产生的外因主要有物体间的摩擦、接触带电，离子或带电粉尘的附着带电，气体、液体或粉体的喷出带电，输送液体管道的流动带电等。

可见，静电放电是一种“无源”放电，属于非电气放电，较电气放电来说，放电能量较弱。静电还有高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。人体自身的动作或与其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。

（1）静电放电有两种类别

① 绝缘体静电放电　绝缘体上静电放电的能量主要与绝缘体上所带静电电压有关。静电电压越高，绝缘体上可以释放电荷的面积就越大，释放出的电荷就越多。它是一种“局部”放电，除放电区域外，其他部分的静电电荷不会“补充”过来。放电电荷的数量与静电电压、接地导体的形状有关。

② 被绝缘的导体静电放电　被绝缘的导体因感应而发生静电放电。一旦接触到接地的导体，被绝缘的导体上感应的电荷将全部放掉。不但与接地导体接近的电荷被释放到大地，其他部分的电荷会补充过来且被释放掉。因此，这种放电比局部放电的危害更大。

（2）静电放电能量影响因素

静电放电的能量即点燃源能量。静电放电的能量与静电电压、积累的电荷量、绝缘体的现状、放电间隙、绝缘体上放电面积等很多因素有关。其中，静电电荷数量是关键因素。而在静电电荷产生和积累过程中，受很多因素影响，如起电过程中材料的电阻率、放电时间常数、介电常数、过程发生的速度、物质状态、摩擦接触点的多少以及环境湿度等。其中，材料的电阻率和放电时间是影响绝缘体产生和积累静电电荷的主要因素。根据静电理论可知，静电电荷会随时间的按照指数规律衰减，如式（1-1）所示：

Q=Q0e- t/ τ 　　（1-1）

式中　Q——绝缘体上静电电荷数量，C；

Q0——绝缘体上静电电荷的初始数量，C；

t——持续时间，s；

τ——时间常数，τ=RC=ρε；

ρ——材料电阻率，Ω·m；

ε——材料的介电常数。

由式（1-1）可知，经过τ时间后，静电电荷可以衰减至初始值的1/e，即37%。一般认为，此时的绝缘材料就不带静电电荷了。

一般来说，时间常数τ=0.01s的材料不易产生和积累静电电荷。而大多数材料的介电常数ε=1F/m。因此，只有材料的电阻率≤1×108Ω·m时，才不易产生和积累静电电荷。降低材料的电阻率是抗静电的根本方法。

1.4.2.2　碰撞与摩擦

机械火花通常指一种由不止一个固体发生碰撞或摩擦时，从固体上分离出来的微粒在碰撞或摩擦能量作用下发生燃烧现象。机械火花是一种非电气引火源，已有文献证实，机械火花能够点燃爆炸性气体混合物或可燃性粉尘云。在实际的工业生产中，生产机械之间、生产机械与产品之间、生产机械与岩石之间常常发生碰撞和摩擦。在爆炸性环境中，由碰撞和摩擦而产生的机械火花点燃爆炸性气体混合物或可燃性粉尘云的可能性是较大的。

机械火花点燃爆炸性气体混合物的现象是相当复杂的。从动力学观点出发，在物体发生碰撞摩擦时总要有能量的转换，动能转化成热能或其他形式的能。实际上，在碰撞和摩擦时，碰撞部分的变形使其内部的摩擦增加，晶格变形，因而温度升高。碰撞部分晶格的变形越大，温度升高越高。另外，碰撞时常常有一些碰撞体的物质微粒从碰撞体上分离出来。这些微粒本身具有很高的温度和很大的动能，从碰撞体上分离出来时能够发光，并且可以飞出很远。这就是所谓的机械火花。实际上，在碰撞摩擦时，碰撞部分的温度并不危险，因为碰撞体的热容量很大，所以温度不会太高。然而，从碰撞体上飞出的微粒却能发光，这是因为微粒的热容量小，一个不大的能量就能使其温度上升很高，因而，碰撞摩擦火花对于点燃爆炸性气体混合物来说是相当危险的。机械火花引起气体爆炸事故的主要影响因素

① 碰撞角度　在自由落体冲击试验时被冲击物平面与冲击方向的夹角不同，机械火花点燃爆炸性气体混合物的能力也不同。通常，当碰撞角度约为50°时，碰撞的有效能量处于最佳值，可以产生最激烈的火花，因而最容易引燃，机械火花的点燃概率也就最大。随着碰撞角的减小或增大，点燃概率都在减小。

② 混合物浓度　混合物中可燃气体的浓度对机械火花的点燃能力有显著影响。

通常，机械火花点燃爆炸性气体混合物的最佳浓度都处于爆炸极限的低浓度侧。这主要是与混合物中氧气的相对含量有关。在低浓度侧氧气的相对含量较大，有利于火花微粒的进一步氧化，而此时混合物中可燃气体的浓度更适于被点燃。随着混合物浓度的增加，氧气的相对含量减小，不利于氧化放热反应的进行。

③ 冲击能量　在固体的碰撞或者摩擦中，冲击能量对点燃爆炸性气体混合物有显著影响。冲击能量越大，用于点燃的有效能量也就越大，于是点燃概率就相应增加。

④ 碰撞物表面状态　不同的碰撞物表面状态对点燃爆炸性气体混合物存在不同程度的影响，如覆盖有煤尘、铁锈或潮湿的表面。例如，已有试验表明，铁锈对点燃能力的提高有很大影响。在轻合金（铝）同生锈的钢板碰撞时观察到了明亮的火花闪光。试验指出，由潮湿的生锈钢板碰撞时机械火花点燃甲烷-空气混合物的概率明显高于由干燥的生锈钢板碰撞时的火花点燃概率。

⑤ 硬度和材质　在碰撞摩擦时，材料的硬度和材质对点燃能力也有不同程度影响。材料的硬度越大，碰撞时越容易分离出炽热的金属微粒，形成火花；硬度小时，碰撞时发生范性变形，吸收碰撞能量，难以分离出金属微粒。

碰撞物的材质（即化学成分）对点燃概率也有显著影响。用碳、锰、镁制成的合金在碰撞时能使火花金属微粒激烈氧化，容易点燃爆炸性气体混合物；用硅、镉制成的合金在碰撞时能使火花金属微粒表面形成一层很薄的难熔氧化膜。这种氧化膜能防止金属微粒进一步氧化。因此，此时的火花难以点燃爆炸性气体混合物。

1.4.2.3　固体表面

固体热表面引燃可燃性气体混合物，实际上就是所谓的“危险温度”的点燃。“危险温度”和电气火花、电弧一样，是爆炸性气体混合物的一种典型点燃源。

（1）较大热表面

固体热表面点燃可燃性气体混合物的温度大小，与诸多因素有关。除可燃性气体的物理化学性质外，固体热表面的尺寸、材料、形状以及与可燃性气体接触的时间等，都对点燃温度存在影响。

例如，实验发现，固体热表面在接触可燃性气体时有强烈的催化作用，这种作用将导致点燃温度增加。固体热表面接触可燃性气体的时间增长，点燃温度也将有所增高。实验还发现，在固体热表面积相等的情况下，表面积与体积比最小的物体具有最小的点燃温度。

（2）炽热金属丝

炽热金属丝引燃爆炸性气体混合物通常是指白炽灯丝对可燃性气体的引燃。实验表明，白炽灯丝引燃可燃性气体混合物时存在一个最易引燃浓度，如甲烷对应的最佳引燃浓度为5.5%～6.0%，氢对应的最佳引燃浓度为10%～15%。

白炽灯丝引燃可燃性气体混合物的本质是一种“火花”引燃，而不是“温度”引燃。白炽灯丝是在真空状态下被加到上千度而发光的，由于是真空，所以灯未被氧化，燃烧。一旦灯泡被破碎，高温的灯丝立即被氧化，在空气中形成火花，这样的火花可以很容易地引燃周围存在可燃性气体混合物。

1.4.2.4　激光辐射

激光辐射是一种新型的可非电气点燃源。通常，人们会使用激光仪器来进行一些精密测量，因此可能给爆炸性气体环境的安全带来潜在威胁。激光辐射的特点是，激光传播的光束窄，但携带能量高度集中。因此，激光“火花”与电气火花、机械火花一样，具有点燃可燃性气体混合物的能力。

激光辐射通常分为三种形式，即脉冲式辐射、连续式辐射和周期式辐射。脉冲式激光辐射是一种高度浓缩的光通量。它能够在气体介质中引起光击穿，通过可燃性气体混合物时引起可燃性气体混合物点燃，尤其是在激光束前进的通道（空气）中存在悬尘埃时，激光辐射很容易点燃可燃性气体混合物。连续式激光辐射对可燃性气体混合物的引燃机理不同于脉冲式激光辐射，不是由光击穿引燃的，而是由辐射加热了受照射点出现高温而引燃的。周期式激光辐射则同时具有前两种辐射的性质。