空調器風扇電機故障模擬及致災機理研究

王 詩

(蘇州市消防救援支隊，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著國民經濟飛速發展，在各類家用電器保有量急劇增加的同時也帶來了該類火災數量的攀升。在電器設備故障引起的火災中有一類不容忽視，那就是空調器火災。在城鎮住宅中，每家每戶基本上都會配置適宜功率的空調，但是由于一些建筑電氣設計嚴重老化，加之部分空調器質量不過關、人為操作不當以及外界條件作用等不確定因素影響，使其在工作過程中具有一定的火災危險性，日益增多的空調火災給人民群眾生命財產安全帶來巨大威脅[1]。

1 主要研究內容

本研究結合火災調查實際情況，選取家用空調中易發生故障的部件風扇電機作為研究對象，進行故障模擬試驗，同時觀察、記錄電機在模擬試驗條件下的特征參數變化。對空調器風扇電機在不同故障下的火災危險性和起火后的痕跡特征進行深入研究，可為此類火災的原因認定以及防范提供參考依據。

2 風扇電機結構特征及故障形式

家用空調器用到的電機主要有室內風扇電機和室外風扇電機，一般為電容運轉式單相異步電動機，其作用是通過磁場效應將電能轉換為機械能，以此帶動風扇旋轉。電機內部分為固定部分和轉動部分：固定部分由鐵芯和繞組構成，鐵芯由硅鋼片疊壓而成，繞組一般由高強度聚酯漆包線繞制而成；轉動部分由轉子鐵芯、轉子繞組、轉軸組成。為了防止電機過熱損壞，一般都需設置過熱保護電路。電容運轉式單相異步電動機的拆解結構及在空調內的電路連接方式如圖1，圖2所示。

風扇電機工作系統中有兩種常見的故障形式：啟動電容失效以及過載(極端情況為電機堵轉)。電機的啟動電容在長期工作后，自身質量下降的同時如果受到外部異常電壓沖擊，兩電極之間可能被擊穿，主副繞組將直接并聯接入電路，導致電路電流突增燒毀電機。此外，由于空調室外機安裝在室外，不但高溫、雨雪、冰凍等惡劣的自然條件會加速空調室外機部件的老化，更會有異物進入室外機格柵，阻擋或卡住運轉的風扇，造成風扇電機過載甚至堵轉，引起繞組電流突增燒毀電機。

3 故障模擬試驗

3.1 試驗材料和儀器

某品牌空調器風扇電機(電容運轉式單相異步電動機)、啟動電容、導線、紅外熱像儀、K型熱電偶、數據采集儀、鉗形電流表、攝像機、火災模擬試驗箱。

3.2 試驗方法及步驟

3.2.1 啟動電容失效故障

1)將風扇電機內部的熱保護元件摘除；2)將啟動電容的正負級用導線直接相連；3)接通電源，監測電路中的電流大小，利用熱電偶和數據采集儀監測電機各部位溫度變化。

3.2.2 過載(堵轉)故障

1)將風扇電機內部的熱保護元件摘除；2)用外物卡住電機轉子，使得電機在接通電源后處于堵轉狀態；3)接通電源，監測電路中的電流大小，利用熱電偶和數據采集儀監測電機各部位溫度變化。

4 試驗現象及結果

4.1 風扇電機正常工作狀態

試驗中使用風扇電機的基本參數為：額定功率20 W，額定電流0.38 A，繞組絕緣等級B級。根據GB 755—2008旋轉電機定額和性能的要求[2]，B級絕緣的最高允許溫度為130 ℃，繞組溫升限值為80 K。風扇電機在正常狀態下接入電源，測得正常工作電流為0.21 A；電機正常運行后溫度趨于平穩，整體平衡溫度低于95 ℃；金屬外殼表面的平衡溫度約為60 ℃。

4.2 啟動電容失效故障試驗

在啟動電容短接的情況下接通電源。用鉗形電流表監測故障電流為0.98 A，相比于正常工作時的電流增加157.9%。試驗開始8 s時，繞組內部冒煙；39 s時出現“咔噠”爆裂聲響，轉子停止轉動；1 min 23 s時電機發生爆燃，各散熱孔均有火焰往外噴出；2 min 24 s后火焰完全熄滅。試驗中出現的主要現象如圖3所示。

接通電源后，啟動繞組和運行繞組漆包線表面溫度迅速升高，幾乎同時在39 s左右達到150 ℃。隨即主繞組瞬間被破壞斷開，溫度急劇下降。此時，電源電壓完全施加在副繞組之上，副繞組流經電流增大，直至84 s左右風扇電機整體發生爆燃。各部位經烘烤后溫度達到峰值，而后開始下降。內層線圈表面最高溫度達250 ℃。

電機故障起火后的燒毀情況如圖4所示。電源引線與繞組的接線端燒毀嚴重；啟動繞組運行繞組燒毀嚴重。在電源線與繞組漆包導線相鉸接的部位，內外側繞組均被燒黑，繞組表面貼附的塑料紙和用以捆綁固定繞組的細繩由于高溫融化粘連在一起。燒毀最嚴重的繞組所嵌入的硅鋼片槽邊緣部分由于高溫和火燒作用變色嚴重，呈炭黑色。啟動繞組全線過熱，炭化變黑，燒損嚴重，而運行繞組燒損則較輕[3]。

4.3 過載(堵轉)故障試驗

使用外物卡住電機風扇轉子，模擬異物進入或機械故障導致電機轉子卡死堵轉的情況。用鉗形電流表監測故障電流為0.47 A，相比于正常工作時的電流增加23.7%。將電機接入電路后，機體發出持續的“嗡嗡”噪聲。試驗開始79 min 13 s時，白煙從電機頂部空隙中冒出，煙釋放速率持續增加；80 min 27 s時電機底部冒出電火花，火焰瞬間從電機的頂部和底部突破；80 min 37 s時火焰完全熄滅。試驗中出現的主要現象如圖5所示。

通電后，電機各部位溫度持續上升，約80 min時，由于電機內部打火引起整個電機爆燃而后有持續明火燃燒，各部位在明火烘烤之下溫度突躍達到峰值。電機內部電路隨即被破壞切斷，各部位溫度也隨之迅速下降。試驗過程中，外層線圈表面溫度最高達到202.7 ℃。

電機故障起火后的燒毀情況如圖6所示。用來固定繞組線圈的綁繩因高溫烘烤而斷裂松散。電機的頂蓋和底蓋對應故障繞組線圈的位置均有明顯灼燒痕跡。燒毀的一匝線圈位于啟動繞組上，且啟動繞組上有且僅有該匝線圈被燒毀，燒毀線圈所在的位置即電源引線和繞組相鉸接的繞組端部，保護二者連接處的塑料套管有嚴重的炭化變色燒損痕跡。

4.4 故障引燃機理分析

將上述模擬試驗中對電機的測溫數據加以整理，如表1所示。

表1 試驗中電機溫升情況統計

啟動和運行繞組在故障狀態下的溫升遠遠超過了B級絕緣的溫升極限值80 K。電機內部繞組采用聚酯絕緣漆包線，該絕緣材料在故障產生的高溫下會受到嚴重破壞，極易發生匝間短路，在電機的狹小空間內，短路瞬間產生的電弧和高溫可能點燃絕緣材料熱解產物，引起電機整體爆燃[4-5]。該過程的引燃時間可參考固體可燃材料受熱引燃時間：

tig=tpy+tmix+tR。

其中，tig為引燃時間；tpy為絕緣熱分解所需時間；tmix為可燃氣體擴散揮發時間；tR為發生熱失控反應所需時間。

其中，tpy遠大于后兩者之和，故主要考察絕緣材料受熱分解導致破壞失效的情況。絕緣材料受熱分解失效的過程可用Arrhenius方程表示為：

其中，K為絕緣材料在T溫度下的失效速率；As為前因子，與材料本身性質有關；Es為材料分解失效反應的活化能；R為氣體常數，取8.314 J/(mol·K)；T為熱力學溫度，K。

由上述公式推導，繞組表面聚酯絕緣材料在T1和T2溫度下，兩者的失效速率關系可以表示為：

根據相關實驗研究中的測定，取聚酯材料的熱分解活化能Es為125 kJ/mol。其中T1取模擬試驗中的環境溫度20 ℃(293 K)。當電機絕緣達到B級絕緣的極限溫升80 K時，根據上式估算，絕緣失效速率是常溫下的60 210倍。在本文的試驗中，故障狀態下繞組表面的溫升均在100 K以上，這會使得絕緣在極短時間內被破壞并導致匝間短路。

5 結語

對于空調器風扇電機，啟動電容失效故障發生后1 min左右起火；被堵轉的風扇電機約80 min后起火燃燒。故障的發生會引起電機各部位，尤其是繞組引線與電源線焊接點的異常溫升，最終引燃繞組絕緣及周圍可燃物。起火后的電機主副繞組的其中一組或兩組全部斷開，繞組上有數匝燒毀特別嚴重，電機內熱痕跡明顯。對于該類火災的模擬試驗也提示我們火災調查人員，對于由空調器自身部件故障引起的火災事故，要盡可能多地尋找符合空調部件故障起火特征規律的痕跡物證，與其他形式的證據相互印證形成完整證據鏈，綜合分析認定其火災原因。