電氣線路老化引發火災的機理分析與綜合防控體系構建

摘要：現階段，各類電氣設備應用廣泛，因電氣線路老化引發的火災事故時有發生，威脅著人民群眾的生命財產安全。從電線絕緣層材料老化特性、線路長期過載發熱效應、接頭處氧化與接觸不良等方面，深入剖析電氣線路老化引發火災的內在機理，針對性地提出涵蓋定期巡檢維護、優化線路設計、采用新型材料等多維度的預防措施，旨在降低電氣火災風險、保障社會生產生活安全。

關鍵詞：電氣線路；火災；氧化膜生成動力學；新型材料

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0013-03

0 引言

根據國家消防救援局統計，2024年，因電氣故障引發火災29.3萬起，占32.3%[1]。深入研究電氣線路老化引發火災的機理，并制定有效的預防措施，對于保障消防安全和社會穩定具有重要意義。本文通過材料老化實驗、熱力學建模和案例統計等方法，系統揭示電氣線路老化致災規律，為火災防控提供科學依據。

1 電氣線路老化引發火災的機理分析

1.1" 絕緣層材料老化特性

1.1.1" 溫度影響機制

絕緣材料的熱老化遵循Arrhenius方程，其壽命與溫度呈指數關系[2]。實驗表明，交聯聚乙烯（XLPE）材料在90℃環境下運行時，其壽命縮短至正常情況的1/3，而溫度每升高8～10℃，老化速率倍增。

1.1.2" 環境協同效應

除溫度外，濕度、化學腐蝕和機械應力形成協同老化效應。當相對濕度＞80%時，聚氯乙烯（PVC）材料的絕緣電阻下降40%～60%；在酸堿環境中，其抗拉強度年均衰減率達12.3%。在潮濕環境中，水分會被絕緣材料吸收，進而降低其絕緣電阻，引發漏電現象；化學物質如酸、堿等會與絕緣材料發生化學反應，破壞其分子結構；機械應力則可能導致絕緣材料出現裂縫、破損，加速老化進程。在一些化工廠等存在化學腐蝕氣體的場所，電氣線路的絕緣材料更容易受到侵蝕，老化速度明顯加快。

1.2" 線路過載的熱累積效應

基于焦耳定律建立的熱平衡方程：

（1）

式中：d——微分符號，dT/dt表示溫度T隨時間t的變化率；

T——導線溫度，℃；

I——電流，A；

R——電阻，Ω；

h——表面傳熱系數，W/（m2·℃）；

A——導線參與熱交換的有效散熱面積，m2；

T0——原始導線溫度，℃；

t——時間，s；

m——指導線的質量，kg；

c——導線材料的比熱容，J/（kg·℃）。

當電流I超過安全閾值時，熱累積導致溫度呈非線性上升。實測數據顯示，載流量超限20%時，銅導線的溫升速度提高3.8倍。當線路過載時，電流增大，根據焦耳定律，產生的熱量急劇增加。過多的熱量無法及時散發，會使線路溫度持續升高，不僅加速絕緣層老化，還可能使導線金屬材料的機械性能下降，如強度降低、延展性變差等。一些老舊居民樓私自改裝電路，增加大功率電器，導致線路長期過載，進而引發電氣火災事故，這都是線路過載熱累積效應的實際體現。

1.3" 接觸不良的致災特性

1.3.1" 氧化膜生成動力學

銅質接頭在空氣中的氧化速率滿足：

（2）

式中：δ——氧化層厚度，mm；

k——反應速率常數；

t——時間，h；

e——自然常數；

Ea——活化能，J/mol；

R——電阻，Ω；

T——導線溫度，℃。

實驗測得，在40℃、70%濕度條件下，接觸電阻半年內增長217%。接頭處由于金屬暴露在空氣中，容易發生氧化反應，形成氧化膜。氧化膜具有的電阻較大，會導致接頭處接觸電阻增大。接觸電阻增大后，接頭處會產生更多的熱量，進一步加速氧化過程，形成惡性循環。例如，在一些戶外電氣設備的接頭處，由于長期暴露在空氣中，受到濕度、溫度等環境因素的影響，氧化速度加快，接觸電阻不斷增大，容易引發過熱和火災事故。

1.3.2" 振動環境影響

國家消防救援局2023年統計顯示，振動環境中的設備接頭故障率是靜止環境的4.2倍[3]。機械振動使接觸壓力波動，導致微動磨損和電弧放電，形成“振動-氧化-發熱”的惡性循環。

2 綜合防控體系構建

2.1" 智能巡檢技術體系

1）日常巡檢：采用紅外熱像儀（精度±2℃）檢測溫度異常。通過紅外熱像儀，可以快速檢測電氣線路各部位的溫度分布情況，及時發現溫度過高的區域，這些區域可能存在線路過載、接觸不良等問題[4]。

2）專項檢測：采用介電譜分析儀評估絕緣老化程度[5]。介電譜分析儀能夠精確測量絕緣材料的介電性能，通過分析介電參數的變化，能夠準確判斷絕緣材料的老化程度。

3）預測性維護：基于剩余壽命模型制定更換策略。根據材料老化試驗數據和實際運行情況，建立電氣線路剩余壽命模型，預測線路在不同條件下的剩余使用壽命，提前制定更換計劃，避免因線路老化引發火災事故。

2.2" 線路設計優化準則

提出“雙因子”設計法：

（3）

式中：S——導線截面積，m2；

K1——安全系數，取1.25；

K2——負荷增長系數，取0.03/年；

Imax——最大電流，A；

t——時間，年。

在電氣線路設計階段，充分考慮未來的用電需求增長。通過“雙因子”設計法，綜合考慮當前最大電流和未來負荷增長因素，合理選擇導線截面積，確保線路有足夠的載流能力，避免因過載運行而引發事故。同時，合理規劃線路布局，避免線路過長、迂回，減少不必要的接頭，降低線路電阻和能量損耗。例如，在某新建小區的電氣線路設計中，采用“雙因子”設計法[6]，根據小區的規劃戶數和預計的用電設備功率，合理選擇導線截面積，并優化線路布局，從而減少線路損耗和故障隱患，保障了小區居民的用電安全。

2.3" 新型材料應用

對比測試表明（表1），新型陶瓷化硅橡膠材料在650℃下可形成陶瓷保護層，氧指數達45%，煙密度降低78%，顯著優于傳統材料。隨著材料科學的不斷發展，新型電氣絕緣材料和防火材料不斷涌現。新型陶瓷化硅橡膠材料在高溫下能形成致密的陶瓷保護層，有效阻止火焰蔓延，且具有高氧指數和低煙密度的特點，在發生火災時，不僅自身不易燃燒，還能減少煙霧和有害氣體的產生，為人員疏散和滅火救援提供有利條件。同時，使用防火性能好的線槽、線管等材料對電氣線路進行保護，可將火災風險控制在一定范圍內。例如，在某高層建筑的電氣線路改造中，采用新型陶瓷化硅橡膠絕緣材料和防火線槽，提高了電氣線路的防火性能。在一次模擬火災實驗中，使用新型材料的電氣線路在火災中保持了較好的完整性，未發生火災蔓延，為人員疏散和消防救援爭取了寶貴時間。

2.4" 智能監控系統

新一代系統中，采用了諸多創新技術，包括以下方面。

1）分布式光纖測溫：±0.5℃精度，2m空間分辨率。分布式光纖測溫技術能夠對電氣線路進行全長度的溫度監測，實時準確地獲取線路各點的溫度信息，及時發現局部過熱問題。例如，在某地鐵線路的電氣監控系統中，采用分布式光纖測溫技術，對供電線路進行實時監測。當某段線路溫度出現異常升高時，系統立即發出警報，工作人員及時進行排查，發現是線路局部受到擠壓導致接觸不良，及時進行了修復，保障了地鐵的正常運行。

2）電弧故障檢測：基于小波變換的特征識別算法。通過小波變換對電氣信號進行分析，能夠準確識別出電弧故障產生的特征信號，及時發現電弧放電現象，避免因電弧引發火災。在某商場的電氣監控系統中，利用基于小波變換的電弧故障檢測算法，成功檢測到一次電弧故障，并及時切斷電源，避免了火災事故的發生。

3）云平臺預警：實現98.6%的故障定位準確率。利用云平臺技術，將監測數據實時傳輸到云端進行分析處理，一旦檢測到電氣故障，立即通過短信、App推送等方式發出預警，并準確快速地定位故障位置，為及時處理故障提供支持。例如，某大型工業園區的電氣監控系統通過云平臺預警，能夠在故障發生后的幾秒鐘內將預警信息發送到相關工作人員的手機上，并準確顯示故障位置，大幅度提高了故障處理效率，降低了火災風險。

3 結束語

本文提出了建立多因素耦合老化模型，量化環境-機械-電氣協同作用。綜合考慮溫度、濕度、化學腐蝕、機械應力等多種因素對電氣線路老化的影響，通過實驗數據和理論分析，建立多因素耦合老化模型，準確描述各因素之間的協同作用機制，為評估線路老化程度和剩余壽命提供科學依據。開發“雙因子”動態設計方法，適應負荷增長需求。“雙因子”設計法充分考慮當前用電負荷和未來負荷增長趨勢，能夠更加科學合理地設計電氣線路，確保線路在長期運行過程中滿足安全載流要求，有效避免因線路過載引發火災事故。

參考文獻

[1]國家消防救援局.全年接報90.8萬起 消防部門盤點2024全國火災五個特點[EB/OL].https：//www.119.gov.cn/qmxfxw/mtbd/wzbd/2025/48022.shtml

[2]武錢煉，吳自然，吳桂初，等.低壓電網中電線絕緣熱老化過程研究[J].溫州大學學報：自然科學版，2023，44（2）：55-62.

[3]劉柯，楊光，曾澤群，等.基于溫升演化的異質材料點焊接頭疲勞極限快速預測[J].焊接，2024（4）：8-13.

[4]方連茂.電氣工程中智能監控系統的設計與實現[J].信息記錄材料，2023，24（9）：164-166.

[5]吳紅林.電氣設備安裝后的性能評估與檢測技術[J].產品可靠性報告，2024（11）：102-104.

[6]郭佳銀.電力電纜火災風險評估及在線監測系統研究[D].徐州：中國礦業大學，2022.