新能源汽车电气火灾分析与技术防范措施

徐悦

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

近几年,随着我国社会经济的持续快速发展,以及道路交通的日新月异,汽车总量在不断增加,同时由于电子工业的发展,汽车的电气化程度也越来越高。目前,我国生产的部分汽车电气设备的成本已占到整车成本的30%～35%,在一些豪华轿车上,电气设备的成本已占到整车成本的50%以上。但是,有关资料显示,在汽车运行过程中,电气系统故障占整车故障的85%左右,而在所有汽车火灾中,因电气系统故障引起的火灾占60%左右。因此,预防汽车电气系统火灾问题值得社会各界高度关注

1汽车电气系统的功能和特点

1.1汽车电气系统的功能

汽车电气系统按照功能可分为以下子系统:电源系统、启动系统、点火系统、仪表系统、信息显示系统、照明与信号系统、空调系统及辅助电器系统。

1.1.1电源系统

电源系统主要由蓄电池、发电机和调节器组成。电源系统的功用是向整车用电设备提供电能。

1.1.2启动系统

现代汽车普遍采用电磁控制式启动系统,主要由启动机、启动继电器和点火启动开关组成。启动系统主要功用是启动发动机。

1.1.3点火系统

电子点火系统由点火开关、点火线圈、分电器、容电器、火花塞等组成。主要作用是把蓄电池或者发电机输出的12V或24V经过点火线圈变为高压电1万V以上,然后由分电器送给火花塞,由火花塞两极间放电点燃混合气做功。

1.2汽车电气系统的特点

1.2.1低压

汽车电气系统的标称电压有12V和24V两种,汽油发动机普遍采用12V电系,柴油发动机大多数采用24V电系。

1.2.2直流

汽车发动机依靠直流电力启动机启动,启动机由蓄电池供电,而蓄电池使用直流电进行充电,因此汽车电系为直流电系。

1.2.3单线制

电源到用电设备只用一根导线连接,并用汽车发动机、底盘等金属机体作为另一根公用导线。

1.2.4负极搭铁

在单线制中,将电器设备的外壳与车体连接作为电路导电体的方法,称为“搭铁”。将蓄电池的负极连接到车体上称为“负极搭铁”。反之,将蓄电池的正极连接到车体上则称为“正极搭铁”。根据中华人民共和国行业标准QC/T413—1999《汽车电气设备基本技术条件》规定,汽车电气系统统一规定为负极搭铁。

因此,一般的汽车电路结构是:电源正极—开关—用电设备—电源负极。正极与用电设备之间的连接导线叫电源线,用电设备与负极之间的连接导线叫搭铁线。

2汽车电气火灾原因分析

汽车电气火灾通常指汽车电气设备线路故障或安装、使用和维护不当,在电能转化为热能过程中,电热能引燃可燃物所发生的灾害。

2.1电气火灾的类型

一般汽车电气火灾分为:短路引起的火灾;导线过负荷引起的火灾;接触不良引起的火灾;漏电引起的火灾;电气设备故障引起的火灾。

2.2电气火灾的原因

2.2.1电气线路设计不合理

(1)部分电路中未设置保险丝。汽车内大多数用电设备均设计为独立回路。部分汽车的点火线圈、喷油器、发动机电脑、危险警告灯等电气回路内没有设置电流保护装置,电路发生短路故障后,电流成倍甚至数十倍地增加,导线很快发热,冒烟,绝缘层融化,在短路电流足够大的情况下,温度升高到绝缘层及周围可燃物的着火点就会产生明火燃烧。

(2)部分电路中保险丝没有靠前设置(设置位置不当)。部分汽车的保险丝设置在搭铁线上,没有按照电气设计原理设计在电路的电源线上,因此保险丝起不到短路保护作用。在发生短路故障时,短路电流不会通过保险丝,导致电路因短路电流而自燃起火。

(3)部分电路中保险丝与导线不匹配(设置规格不当)。部分汽车在电气设计上存在线路与保险丝不匹配的情况,在发生短路故障时,导线已烧坏甚至起火,而保险丝却未熔断。

2.2.2电气线路故障

汽车电气线路故障较为常见,比如:电气线路受震动摩擦,绝缘层磨破;电气线路受挤压,绝缘层损坏;汽车长期运行中电气线路老化,绝缘层开裂,脱落;不恰当检修改装等人为因素的损坏;车辆受撞击导致电气线路绝缘外皮损坏;其他一切意外因素等。当汽车电气线路故障时出现短路的可能性较大,此时电源线与搭铁线或者与直接连通搭铁线的汽车发动机、底盘等金属机体直接连通,电流不通过用电设备,从短路点直接流到了负极。可分为两种情况:一种是金属性短路。此时如果回路中的保险丝设置符合要求,那么在短路后电流突然增大的情况下,保险丝会在高温下熔断,使整个电路中断,这种情况下不会发生起火危险。另一种是电弧性短路。此时由于短路点未被焊死,短路电流不大,保险丝也不会熔断,但是电弧或者电火花却会持续存在,其局部温度可达2000℃～3000℃,容易引燃周围可燃物质,因此这种短路电弧往往成为火灾的点火源。

2.2.3发动机调节器故障

发动机调节器组成为:逆流断电器、限压器、限流器。调节器的完好有效对于确保汽车电气系统的稳定有着十分重要的作用。一旦调节器发生故障,引起电气火灾的可能性就比较大。

(1)逆流断电器故障。机动车熄火后,电气系统中电流应为零。但是当逆流切断器发生故障时,触点(白金触点)长期闭合,失去切断逆向电流的作用,此时蓄电池内的电流会倒回发电机,进而引起发电机线圈发热产生高温起火。

(2)限压器故障。当限压器发生故障时,用电设备不能在正常电压下工作,会造成电气线路和用电设备损坏,严重的情况下可能引起火灾。

(3)限流器故障。限流器发生故障时,不能按照正常值给电气系统各回路分配电流,会造成部分电气线路和发电机的过载起火。

2.2.4汽车改装不规范

部分车主在对车辆进行改造时,随意增加防盗器、音响、空调等用电设备,导致用电负荷超过回路设计容量,引起回路过负荷,产生高温引燃可燃物。

2.2.5汽车维护保养不当

(1)检修、维护不及时。汽车在长时间使用过程中受到振动或者冷热变化,电气线路接点不实,发生松动、氧化、表面污损等现象,未及时被发现,接头处接触电阻增大,产生热能,致使接点高温引起可燃材料起火;电气线路老化,发生漏电现象未及时被发现,漏电处出现高温电弧或者电火花引燃可燃物。

(2)维修质量不高。汽车维修人员自身业务素质不高,人为造成电气线路裸露和电气设备故障,导致相线短路、过负荷、漏电,产生高温高热,引起电气线路或电气设备着火。

2.2.6汽车内消防设施设置不合理

多数汽车都配置有二氧化碳或ABC型干粉灭火器,但是这两种灭火器因汽车经常处在高温、振动的环境下,其有效性难以保证,并且由于汽车火灾大多处于发动机舱内,不易被发现,致使这两种灭火产品的功效较低。此外,汽车长时间行使后停放在车库或者停车场,处于无人值守状态,发生火灾后也不易察觉。

3预防汽车电气火灾的对策

3.1合理设计汽车电气线路

3.1.1合理设计汽车电流保护装置

在每一个独立电气回路中单独设计保险丝,保险丝要设置在电源线接近正极的位置,保险丝的容量要与电气回路匹配,保证一旦发生短路,保险丝能立即熔断。在汽车上设计安装漏电报警系统,并且在仪表盘上显示,便于及时发现线路故障。

3.1.2合理设计电路电缆

电缆外皮尽量采用耐热性、耐酸碱性、耐候性、耐磨性及阻燃性能好的特制塑料或其他材料,增加线路安全系数;将电缆套上一层护套并固定位置,以防止相互摩擦与碰撞;电缆线电容量选择要正确适中;电缆要具有较好的防水性;要使电缆线(尤其是PVC材质)远离高温排气管及温度较高的部件。3.2改装和维修汽车要规范车主不要擅自对汽车进行改装、维修。需要配备防盗器、换装高档音响、更换车灯、改进造型、添加空调时,要到专业维修店。作业时要认真分析车辆的线路布置和具体的结构,要将不同线路功率进行计算,从而使线路容量、电源容量、用电设备之间能够匹配。

3.2 改装和维修汽车要规范

车主不要擅自对汽车进行改装、维修。需要配备防盗器、换装高档音响、更换车灯、改进造型、添加空调时, 要到专业维修店。作业时要认真分析车辆的线路布置和具体的结构, 要将不同线路功率进行计算, 从而使线路容量、电源容量、用电设备之间能够匹配。

3.3注意对电气设备的维护保养

电气设备的维护保养主要有两个目标:一是确保电气系统电压、电流稳定;二是确保电气线路和设备完好有效。从这两个目标分析,应重点加强对以下设备的维护保养。

3.3.1蓄电池的维护

为使蓄电池经常处于完好状态,保证充放电正常,对使用中的蓄电池需要定期(汽车行驶6000km～7500km或30天～45天)进行维护工作。

(1)合理确定电解液液面。在加入电解液时,应当符合其蓄电池的技术要求(一般电解液液面的高度应高出极板防护网10mm～15mm),以避免电解液从通气孔溢出,连通正负极而引发危险。

(2)合理确定电解液密度。应当按规定适当调节电解液密度。液面降低,正常情况下只能补加蒸馏水(因电解液的正常消耗实际上是水的消耗),只有确因渗漏等造成的液面降低,才可补加一定浓度的电解液。当电解液密度高时,不要用河水、井水、自来水代替补充液使用。

(3)加液孔盖或螺塞上的通气孔要保证畅通。

(4)导线接头与极柱的连接要紧固,要及时清理接头和极柱上的氧化物。

3.3.2发电机的维护

汽车每行使15000km,应检查驱动带情况;每行使30000km,应将交流发电机从车上拆下来检修一次,主要检查电刷和轴承磨损情况。新电刷高度为14mm,磨损至7mm～8mm时,应当更换新电刷;轴承如有明显松动,应予以更换。

(1)合理调整充电电压。由于发电机充电电压过低时,蓄电池因充电不足而容量下降;而当充电电压值过高时,将导致蓄电池电解液温度升高,水分蒸发过快,使用寿命缩短,并容易损坏用电设备。因此,发电机充电电压值应符合该车使用说明书上的标准值。

(2)发电机驱动带松紧度要适中。驱动带太紧不仅会使之拉长变形造成损伤和断裂,缩短驱动带的使用寿命,而且也极易造成轴承损坏。驱动带过松则会打滑而难以传递动力,引起充电率降低。因此,发电机驱动带的松紧度应调整合适,使之符合技术要求。

3.3.3启动机的维护

(1)每次接通启动机的时间不要超过5s,连续两次接通启动机应间隔15s以上时间,当连续3次接通仍不能启动发动机时,应查明原因并排除故障后再使用。

(2)接通启动机时,如检测蓄电池端电压低于9.6V,说明蓄电池存点不足或有硫化、短路等故障,应及时充电或更换电池。

(3)汽车每行使12000km～15000km,应使用发电机检测仪或仪器检测启动电压和启动电流。

3.3.4分电器的维护

合理确定分电器上的白金间隙。分电器上的白金触点被串联在点火线圈初级电路中,触点闭合时,初级电流一般达到3A～5A。若触点间隙过大,触点闭合时间变短,则初级电流太小,次级电压降低;若触点间隙过小,初级电流过大,也会降低点火线圈的次级电压。另外,若触点错位使接触面不足以及触点弹簧过大过小,都会降低高压火花能量。因此,分电器上的白金间隙应适当(一般间隙为0.35mm～0.45mm)。

3.3.5电气线路的维护

维修、更换、保养是预防汽车电气线路火灾的一个重要环节。要采用专业电气检测设备定期对线路老化程度、接头情况、负荷量进行检查,确保电气线路运行情况良好。

3.4在汽车内设置自动灭火装置

目前,北京、上海、南京、武汉、成都、哈尔滨等地的公交车普遍使用了一种新型的自动灭火装置,即脉冲超细干粉车用自动灭火装置。在使用过程中,成功地抑制了数十起初级火灾,效果明显。它和传统灭火装置相比较具有以下特点:

(1)灭火及时、迅速。这种灭火装置可以直接安装在发动机舱内,全天候自动监控,发动机舱内一旦起火,超导感应装置使它能够在1s内自动启动,以脉冲方式喷射干粉灭火剂,并且在保护区内形成局部全淹没状态,迅速扑灭火灾。

(2)稳定性高。脉冲超细干粉车用自动灭火装置符合国际ISO车用灭火器的振动标准,产品的稳定性较高。

(3)适合汽车的运行环境。脉冲超细干粉车用自动灭火装置一般设计为粗碗状,开口较大,克服了车辆行驶中气流的影响,特别适用于封闭性差的发动机舱室,比国外用于发动机舱的热气溶胶灭火器更具优越性。因此,可以考虑在易发生火灾的汽车发动机舱内设置脉冲超细干粉车用自动灭火装置,充分利用该系统“快速响应、早期抑制、高效灭火”的特点,提高汽车自身抵御火灾的能力,增加汽车的安全系数。

4安科瑞电气火灾监控系统

4.1概述

Acre1-6000电气火灾监控系统，是根据现行规范标准由安科瑞电气股份有限公司研发的全数字化独立运行的系统，已通过消防电子产品质量监督检验的消防电子产品试验认证，并且均通过严格的EMC电磁兼容试验，保证了该系列产品在低压配电系统中的安全正常运行，现均已批量生产并在全国得到广泛地应用。该系统通过对剩余电流、过电流、过电压、温度和故障电弧等信号的采集与监视，实现对电气火灾的早期预防和报警，当必要时还能联动切除被检测到剩余电流、温度和故障电弧等超标的配电回路;并根据用户的需求，还可以满足与AcreIEMS企业微电网管理云平台或火灾自动报警系统等进行数据交换和共享。

4.2应用场合

适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

4.3系统结构

4.4系统功能

监控设备能接收多台探测器的剩余电流、温度信息，报警时发出声、光报警信号，同时设备上红色“报警”指示灯亮，显示屏指示报警部位及报警类型，记录报警时间，声光报警一直保持，直至按设备的“复位”按钮或触摸屏的“复位”按键远程对探测器实现复位。对于声音报警信号也可以使用触摸屏“消声”按键手动消除。

当被监测回路报警时，控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当报警消除后，控制输出继电器释放。

通讯故障报警：当监控设备与所接的任一台探测器之间发生通讯故障或探测器本身发生故障时，监控画面中相应的探测器显示故障提示，同时设备上的黄色“故障”指示灯亮，并发出故障报警声音。电源故障报警：当主电源或备用电源发生故障时，监控设备也发出声光报警信号并显示故障信息，可进入相应的界面查看详细信息并可解除报警声响。

当发生剩余电流、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。

4.5配置方案

应用场合	型号	产品照片	功能
消防控制室	Acrel-6000/B		适用于1~4条通信总线多可连接256个探测器，可适用于壁挂安装的场所。
	Acrel-6000/Q		适用于大型组网，壁挂式监控主机数量较多且需集中查看的场所，主要监测壁挂主机信息。
一、二级 低压配电	ARCM200L-Z2		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，2路独立RS485/Modbus通讯
	ARCM200L-J8		8路剩余电流监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路RS485/Modbus通讯
	ARCM300-J1		1路剩余电流监测，4路温度监测，1路继电器输出，事件记录，LCD显示，1路RS485/Modbus通讯
	AAFD-□		检测末端线路的故障电弧，485通讯，导轨式安装。
	ASCP200-□		短路限流保护、过载保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测，1路RS485通讯，1路GPRS或NB无线通讯，额定电流为0-40A可设。
			短路限流保护、过载保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测，1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯，额定电流为0-63A可设。
配套附件	AKH-0.66		测量型互感器，采集交流电流信号
	AKH-0.66/L		剩余电流互感器，采集剩余电流信号
	ARCM-NTC		温度传感器，采集线缆或配电箱体温度

5结语

汽车电气火灾的频繁发生,对人身安全和财产安全形成了威胁。我们从汽车电气火灾发生的原因入手,进行深入分析,得出在汽车电路设计、维修保养、消防设施设置三方面的技术防范措施和合理化建议,对于提高汽车电气系统安全系数,减少汽车电气火灾的发生有一定的帮助。

参考文献

[1]舒华,姚国平.汽车电器设备与维修[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版

[3]周俊涛.汽车电气火灾分析与技术防范措施

作者简介：
徐悦，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司。手机：[phone]（微信同号），QQ：2885206556
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审核编辑 黄宇