呂 忠，陽(yáng)世群，高 鵬

(應(yīng)急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036)

0 引言

電路板[1]是現(xiàn)代家用電器中不可或缺的重要部件，特別是近年來(lái)隨著智能家居概念的提出，電路板作為無(wú)線通信、智能控制、交直變換[2-4]等的主要載體，更為廣泛地應(yīng)用到家用電器中。家庭中常見的筆記本、電視、空調(diào)等電器設(shè)備內(nèi)部均由電路板進(jìn)行控制。由于電路板內(nèi)部銅箔、焊盤和電子元件在工作時(shí)均存在電壓和電流，如果電路板設(shè)計(jì)不合理以及電子元件內(nèi)部存在缺陷等，極易引發(fā)局部過熱及電弧，部分電子元件甚至發(fā)生爆炸燃燒，進(jìn)而引發(fā)電氣設(shè)備火災(zāi)。

現(xiàn)階段針對(duì)電氣故障引發(fā)火災(zāi)的研究主要集中于220 V交流電氣線路[5]，對(duì)電路板的火災(zāi)危險(xiǎn)性研究尚不夠深入，主要集中在單一電子元件。張穎等[6-7]研究了金屬膜電阻和電容的火災(zāi)危險(xiǎn)性，以及鋁電解電容火災(zāi)危險(xiǎn)性和痕跡特征。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，筆者介紹現(xiàn)階段各類典型電子元件的工作原理，分析各類電子元件的火災(zāi)危險(xiǎn)性，并在此基礎(chǔ)上研究電路板火災(zāi)隱患，為預(yù)防電路板火災(zāi)事故提供依據(jù)。

1 電子元件火災(zāi)危險(xiǎn)性

在電路板中電阻器、電容器、電感器、晶體管等應(yīng)用最為廣泛，以下針對(duì)上述電子元件進(jìn)行分析。

1.1 電阻器

電阻器是在電路中產(chǎn)生阻礙電流作用的元件，在電路板中金屬膜電阻迄今為止應(yīng)用較為廣泛，如圖1所示。金屬膜電阻是采用高溫真空鍍膜技術(shù)，將鎳鉻或類似的合金緊密附在瓷棒表面形成皮膜，經(jīng)過切割調(diào)試阻值，以達(dá)到最終要求的精密阻值，然后加適當(dāng)接頭切割，并在其表面涂上環(huán)氧樹脂密封保護(hù)而成。根據(jù)金屬膜電阻的工作原理和材質(zhì)，其火災(zāi)危險(xiǎn)主要為高溫過熱和擊穿電弧。

高溫過熱主要是由于在電阻選型過程中，電阻額定功率選擇較小或者電路中長(zhǎng)期處于過負(fù)載運(yùn)行，根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)致電阻自身產(chǎn)生的熱量較大，造成局部高溫過熱。擊穿電弧主要是由于電阻兩端實(shí)際電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電阻本身的耐壓值，擊穿電阻產(chǎn)生放電電弧。

圖1 金屬膜電阻

1.2 電容器

電容器是一種容納電荷的器件，在電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、控制等方面。根據(jù)電容的容量、材質(zhì)以及制作工藝可將電容分為鋁電解電容、鉭電解電容、陶瓷電容等，如圖2～圖4所示。以鋁電解電容為例，電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要為正極鋁箔、負(fù)極(浸潤(rùn)電解液的紙)、正負(fù)極引線。不同類型的電容運(yùn)用到不同電路板中，是電路板中不可或缺的電子元件。相較于電阻，電容是一種儲(chǔ)能型元件，在通電情況下存儲(chǔ)部分電能(存儲(chǔ)電能的大小由自身容量及電壓決定)。同時(shí)，一般電容的接線需區(qū)分正負(fù)極(獨(dú)石電容、陶瓷電容等無(wú)極性，無(wú)需區(qū)分正負(fù)極)，因此，電容的火災(zāi)危險(xiǎn)性較大。

圖3 鉭電解電容

圖4 陶瓷電容

電解電容一般不會(huì)直接燒毀，產(chǎn)生火災(zāi)危險(xiǎn)的主要故障是爆炸和放電，一般情況下兩種故障是繼發(fā)形成的。引發(fā)故障主要是因?yàn)榧y波電流過大導(dǎo)致電容溫度升高，溫度升高以后電容內(nèi)部壓力增大，內(nèi)部壓力超過安全值時(shí)會(huì)把防爆閥沖開，電解液流出，電解液能導(dǎo)電，遇到高壓會(huì)形成電流甚至放電。電容只有在發(fā)熱內(nèi)部壓力突然增大時(shí)才會(huì)爆炸燒毀(有防爆閥的電容，防爆閥會(huì)撐開漏液，不會(huì)爆炸)，電容短路放電的時(shí)間很短，短時(shí)間的短路電流導(dǎo)致的熱量不足以讓電容發(fā)熱爆炸。在高電壓的作用下，電容先鼓肚，最后爆裂燃燒，因?yàn)殡娙輷舸?，整流橋過電流、燒損，歷時(shí)小于10 s。

電容器因故障損壞進(jìn)而發(fā)生爆炸的主要原因是：(1)由于制造質(zhì)量差等原因，電容器的內(nèi)部元件擊穿。(2)由于套管密封不良而進(jìn)入潮氣，降低了絕緣電阻；由于滲、漏油，油面下降，導(dǎo)致對(duì)外殼放電或元件擊穿。(3)內(nèi)部游離和鼓肚。當(dāng)電容器內(nèi)部產(chǎn)生電暈、擊穿放電和嚴(yán)重游離時(shí)，電容器在過電壓作用下，會(huì)產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)、電氣效應(yīng)，加速絕緣老化、分解而產(chǎn)生氣體，形成惡性循環(huán)，以致箱殼壓力增大，造成箱壁外鼓進(jìn)而導(dǎo)致爆炸。(4)絕緣損壞，尤其是高壓側(cè)引出線制造工藝不良、邊緣不平、有毛刺或嚴(yán)重變折時(shí)，尖端容易產(chǎn)生電暈，電暈使油分解、箱殼膨脹、油面下降而造成元件擊穿。此外，在封蓋時(shí)如果轉(zhuǎn)角處燒焊時(shí)間過長(zhǎng)，破壞了內(nèi)部絕緣，降低了擊穿電壓，也易導(dǎo)致電容器損壞，進(jìn)而引起爆炸事故。(5)當(dāng)進(jìn)行帶電合閘時(shí)，在合閘的瞬間，電壓極性可能與電容器殘留電荷的極性相反，因而引起爆炸。(6)通風(fēng)不良、溫升過高、嚴(yán)重過電壓和電壓諧波分量大，也會(huì)引起爆炸。

1.3 電感器

電感器是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)的電子元件，見圖5和圖6。電感器有密封式和非密封式兩種封裝形式，兩種形式又都有立式和臥式兩種外形結(jié)構(gòu)。電感器在電子電路中應(yīng)用廣泛，主要用于通直阻交，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行隔離，濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、鐵芯(或磁芯)等組成，其中繞組和鐵芯是電感的基本組成部分。根據(jù)電感器的使用條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其火災(zāi)危險(xiǎn)主要是電感線圈發(fā)熱產(chǎn)生的局部高溫。

電感器產(chǎn)生局部高溫主要是由于電感器在通電情況下自身產(chǎn)生的能量損耗過大，電感器的損耗主要分為銅耗(copper loss)和鐵耗(core loss)兩個(gè)部分。銅耗是電流流過線圈電阻后產(chǎn)生的損耗，該部分損耗主要由自身電阻和電流大小決定，由銅耗引起的異常發(fā)熱主要是由于電流過大和自身電阻過大。因此，在使用過程中線圈內(nèi)部浸漆不足引發(fā)匝間短路、長(zhǎng)期過負(fù)荷運(yùn)行、線圈制作工藝不足導(dǎo)致電阻增大等原因均會(huì)引起局部過熱。鐵耗是由磁滯損耗和渦流損耗組成，由于磁材料間絕緣阻抗很大，因此渦流損耗可以忽略不計(jì)。鐵耗主要是磁滯損耗，磁滯損耗是由于線圈經(jīng)過交流電時(shí)，交變電場(chǎng)產(chǎn)生的磁通是在鐵芯(或磁芯)上流動(dòng)的，鐵芯(或磁芯)對(duì)磁通具有磁阻，就像導(dǎo)體對(duì)電流有電阻一樣會(huì)產(chǎn)生熱量損耗。Steinmetz磁滯損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[8]為：

圖5 阻流電感器

圖6 環(huán)形電感器

(1)

式中，f為工作頻率；Bm為磁滯回線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值；K1為取決于材料性質(zhì)及其他有關(guān)因素的常數(shù)；η為施泰因梅茨系數(shù)，η值約在1.5～2.5之間。

從經(jīng)驗(yàn)公式可以得出，鐵耗主要是由電感材料及電流的工作頻率大小決定，由鐵耗引起的異常發(fā)熱主要是由于電流頻率遠(yuǎn)大于電感額定工作頻率以及鐵芯材料制作工藝不足。

1.4 晶體管

晶體管是導(dǎo)電性介于良導(dǎo)電體與絕緣體之間，利用晶體管材料特殊電特性來(lái)完成特定功能的電子元件，可用來(lái)產(chǎn)生、控制、接收、變換、放大信號(hào)和進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)階段使用較為廣泛的晶體管元件主要有晶體二極管、晶體三極管(雙極型晶體管)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、晶閘管等，如圖7～圖10所示。每種晶體管又根據(jù)制作工藝、適用范圍等分為若干種類。由于材料和使用條件的特點(diǎn)，一般來(lái)說由晶體管元件產(chǎn)生的火災(zāi)危險(xiǎn)主要分為局部高溫和爆炸。

圖7 二極管

圖8 三極管

圖9 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

圖10 晶閘管

晶體管元件產(chǎn)生局部高溫的主要原因?yàn)楹纳⒐β蔬^大，耗散功率與晶體管的最高允許結(jié)溫和集電極最大電流有密切關(guān)系。硅管的結(jié)溫允許值大約為150 ℃，鍺管的結(jié)溫允許值為85 ℃左右。當(dāng)晶體管產(chǎn)生的結(jié)溫超過其允許溫度時(shí)，晶體管內(nèi)部將因過載而產(chǎn)生損壞，進(jìn)而導(dǎo)致繼生故障。產(chǎn)生耗散功率過大主要是由于電路板設(shè)計(jì)不合理或者晶體管選型不合理，導(dǎo)致其長(zhǎng)期處于過負(fù)載運(yùn)行。晶體管元件產(chǎn)生爆炸的主要原因?yàn)榫w管在過壓、浪涌電流、反向連接等條件下，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫或電弧，造成擊穿。

2 電路板火災(zāi)隱患

由于各類電路板使用功能和設(shè)計(jì)原理有所不同，因此，電路板火災(zāi)隱患分析相較于電子元件更為復(fù)雜。電路板存在的火災(zāi)隱患主要包括以下幾個(gè)方面：

2.1 電路板中元件質(zhì)量缺陷

在電路板中，如果元件存在質(zhì)量缺陷，即使在額定范圍內(nèi)使用，也會(huì)造成元件失效或發(fā)熱異常。使用劣質(zhì)元件更易發(fā)生擊穿，甚至導(dǎo)致電路板發(fā)生短路引發(fā)火災(zāi)。

2.2 電路板中存在虛焊、焊錯(cuò)、焊反

虛焊直接導(dǎo)致焊盤和元件引腳之間接觸不良，引起接觸電阻過大或產(chǎn)生電弧，造成局部高溫，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行增加火災(zāi)隱患。焊錯(cuò)是元件焊接錯(cuò)誤，導(dǎo)致元件無(wú)法工作甚至直接短路，引發(fā)火災(zāi)。焊反是將帶有極性的元件引腳焊反，特別是有極性的電容，焊反通電后直接引發(fā)電容爆炸，火災(zāi)危險(xiǎn)性極高。

2.3 電路板設(shè)計(jì)不合理

電路板設(shè)計(jì)不合理主要包括電路板元器件選型不合理和排布不合理。選型不合理主要是選擇額定容量和額定耐壓遠(yuǎn)小于實(shí)際工作電壓，導(dǎo)致元件長(zhǎng)期處于過負(fù)荷運(yùn)行，增加火災(zāi)隱患。排布不合理主要是元件排布時(shí)未考慮元件的發(fā)熱量，將發(fā)熱量大的元件排布在同一區(qū)域，造成該區(qū)域長(zhǎng)期處于局部高溫狀態(tài)，增加火災(zāi)隱患。同時(shí)，排布不合理還表現(xiàn)在銅箔走線寬度過窄，導(dǎo)致銅箔長(zhǎng)期處于過電流狀態(tài)。

2.4 電路板使用環(huán)境惡劣

電路板長(zhǎng)期處于化學(xué)、震動(dòng)、高塵、鹽霧、潮濕與高溫等環(huán)境下工作，易產(chǎn)生腐蝕、軟化、變形、霉變等問題，導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、接觸不良和絕緣擊穿等故障，增加電路板火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.5 電路板老化

電路板長(zhǎng)期通電工作，超過設(shè)計(jì)壽命，電路板上的一些元件參數(shù)會(huì)隨著使用時(shí)間的改變而發(fā)生變化，可能導(dǎo)致部分元件自身發(fā)熱增加，甚至是失效短路，增大電路板火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.6 供電質(zhì)量惡劣

外部供電長(zhǎng)期出現(xiàn)過壓、欠壓、浪涌電流時(shí)，超過電路板額定工作范圍，會(huì)加速電路板元件的損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短路擊穿等故障，引發(fā)電路板火災(zāi)。

3 充電器電路板引發(fā)火災(zāi)的原因

不同功能不同類型的電路板，其設(shè)計(jì)原理也不盡相同，所以針對(duì)某一類電路板，需要結(jié)合其線路結(jié)構(gòu)和使用功能具體分析其火災(zāi)隱患。以下以常見的充電器電路板為例，介紹其工作原理并分析其引發(fā)火災(zāi)的原因。

隨著電動(dòng)自行車的大規(guī)模使用，其火災(zāi)事故也與日俱增，而我國(guó)80%以上的電動(dòng)車火災(zāi)發(fā)生在充電過程中[9]。這一方面是由于電池質(zhì)量存在缺陷，另一方面是由于使用劣質(zhì)充電器充電。使用劣質(zhì)充電器充電主要存在兩大隱患，首先劣質(zhì)充電器由于輸出電壓和電流不滿足標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致電池出現(xiàn)過充引發(fā)火災(zāi)；其次劣質(zhì)充電器在充電時(shí)發(fā)熱過高，自身引發(fā)火災(zāi)。

3.1 充電器電路板工作原理

充電電路本質(zhì)上是將220 V交流電通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為可供電池充電的直流電，現(xiàn)在普遍使用的是三段式充電方案，即恒流充電、恒壓充電、浮充充電。充電器電路板的主要元件包括整流橋、電流控制型脈寬調(diào)制芯片、晶閘管、運(yùn)算放大器、可調(diào)電阻、光耦合器、變壓器等，如圖11所示。其工作原理為：首先將220 V交流電通過整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?；其次?jīng)過變壓器降壓到可供電池充電的電壓范圍；再次利用運(yùn)算放大比較電路比較充電電壓與電池電壓的壓差，通過光耦合器反饋至一次側(cè)，由電流控制型脈寬調(diào)制芯片調(diào)節(jié)輸出電壓，最終達(dá)到三段式智能充電的目的。

圖11 充電器電路板

3.2 充電器電路板引發(fā)火災(zāi)的原因

根據(jù)充電器電路板的線路結(jié)構(gòu)，充電器電路板可能引發(fā)火災(zāi)的原因有以下幾點(diǎn)：

3.2.1 電路板散熱不良。電路板在正常工作時(shí)，特別是前期恒流充電，充電電流較大，導(dǎo)致晶閘管和三極管產(chǎn)生的熱量較大，如果不及時(shí)排出熱量，會(huì)造成該類型元件產(chǎn)生局部高溫，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)火災(zāi)。造成電路板散熱不良的原因主要有散熱風(fēng)扇未正常工作、晶體管背部散熱片與晶體管分離、充電器排風(fēng)口有遮擋等。

3.2.2 光耦合器失效。光耦合器是充電電路中反饋電路的重要一環(huán)，一旦出現(xiàn)故障，無(wú)法及時(shí)反饋充電電池的電壓，導(dǎo)致電路板長(zhǎng)期處于恒流充電階段，最終充電電池出現(xiàn)過充故障，引發(fā)電池燃燒，造成火災(zāi)事故。

3.2.3 可調(diào)電阻松動(dòng)?？烧{(diào)電阻在充電線路中的作用是通過調(diào)節(jié)電阻改變輸出電壓值，在充電器出廠時(shí)已經(jīng)根據(jù)額定輸出電壓調(diào)節(jié)完成。在日常使用中，電路板產(chǎn)生振動(dòng)、碰撞或其他機(jī)械運(yùn)動(dòng)均可能導(dǎo)致可調(diào)電阻偏移，如果可調(diào)電阻出現(xiàn)偏移，可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓偏高，造成過壓充電故障，引發(fā)電池燃燒，造成火災(zāi)事故。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)各類常見電子元件的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，總結(jié)了各類電子元件的火災(zāi)危險(xiǎn)性。同時(shí)，分析了電路板存在的共性火災(zāi)隱患，并以常見的充電器電路板為例，結(jié)合該類型電路板的結(jié)構(gòu)和工作原理，探討其引發(fā)火災(zāi)的原因，為分析其他電路板提供參考。