安規之火災風險預防 (Fire Hazards) 實務與標準應用深度解析

產品安全工程中，火災風險預防（Protection Against Fire Hazards）與電擊危害防護同等重要，其目標是透過系統性的設計分析、材料管控、元件選用及保護裝置的策略性應用，將產品在正常操作、可預見的誤用及單一故障條件（single fault conditions）下，因電氣、熱能或材料因素引發火災的可能性降至可接受的最低水平，並在不幸發生火災時，有效限制火勢蔓延，保障使用者生命財產安全及周遭環境。

火災三角形理論於產品安全工程之應用

火災的發生需具備三個基本要素：可燃物質（Combustible Material）、助燃劑（Oxidizing Agent，通常為空氣中的氧氣）及引燃源（Ignition Source），此即所謂的「火災三角形」。

在產品安全設計中，由於助燃劑（氧氣）通常無法避免，因此，火災風險預防的核心策略便集中在嚴格控制或消除潛在的引燃源，以及謹慎選擇並有效管理產品內部使用的可燃物質。

潛在引燃源（Ignition Sources）的識別與工程控制

產品內部可能產生足以引燃周圍物料的引燃源，主要來自電氣能量的非預期釋放或熱能的過度累積。

1. 電氣引燃源 (Electrical Ignition Sources)

電氣引燃源是最常見的火災肇因之一，其產生途徑多樣，工程控制需全面考量：

• 過電流（Overcurrent）： 當流經導體或元件的電流超過其安全載流安培容量（ampacity）或額定值時，將導致導線或元件過熱，可能使其自身或鄰近的可燃材料達到燃點，過電流的成因包括負載端短路、設備過載或電源系統故障。
  

  • 工程控制： 必須佈署經過精確選型與正確安裝的過電流保護裝置（Overcurrent Protective Devices, OCPDs），如熔斷器（Fuses）或斷路器（Circuit Breakers），其額定電流、分斷能力及動作特性曲線需與被保護電路及下游元件的特性緊密協調。
    

• 短路（Short Circuits）： 不同電位導體間因**絕緣（insulation）失效或異物橋接導致的低阻抗通路，會產生瞬時大電流，引發電弧、火花及局部高溫。
  

  • 工程控制： 確保足夠的電氣間隙（clearances）與爬行距離（creepage distances），選用高品質絕緣材料，並實施嚴格的製程管控，防止導線損傷或焊點不良。
    

• 不良電氣連接（Poor Electrical Connections）： 連接器、端子台、焊點或壓接點的接觸電阻過大（例如，由於氧化、鬆脫、污染物或壓接不良），在電流流過時會產生顯著的接觸點發熱，長期累積可能碳化周圍絕緣材料並引燃。
  

  • 工程控制： 選用高品質、經過認證的連接元件，確保連接的機械穩固性與電氣連續性，例如，對螺絲端子施加規定的鎖緊扭矩，對壓接端子進行拉力測試，並在設計上考慮防鬆脫措施。
    

• 電氣元件失效（Component Failure）： 電容器、電阻器、半導體等元件的內部故障（如介質擊穿、過壓損壞、過熱劣化）可能導致其自身過熱、燃燒或產生高溫熔融物。
  

  • 工程控制： 選用符合安規標準、具有適當安全裕量的認證元件，進行嚴格的供應商管理與進料檢驗，並在設計中考慮元件失效模式對整體安全的影響（故障模式影響分析，Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）。
    

• 電痕徑（Tracking）： 在長期施加工作電壓的情況下，若絕緣材料表面受到污染（如灰塵、濕氣、導電離子），可能逐漸形成導電的碳化通路，最終導致表面閃絡、短路並引發火災，此現象與材料的**相比電痕化指數（Comparative Tracking Index, CTI）**密切相關。
  

  • 工程控制： 選擇具有較高 CTI 值的絕緣材料（Material Group I, II, IIIa, IIIb），確保足夠的爬行距離，並在設計上盡可能避免污染物在關鍵絕緣表面積聚。

2. 熱引燃源 (Thermal Ignition Sources)

即使在無電氣故障的情況下，元件或設備的正常工作也可能產生足以引燃可燃材料的熱量。

• 元件正常工作發熱（Normal Operating Heat Dissipation）： 功率電阻、功率半導體、變壓器、馬達等元件在正常工作時均會產生熱量，若散熱設計不良或安裝位置不當，可能使其自身或鄰近材料的溫度超過安全限值。
  

  • 工程控制： 進行詳細的熱分析（thermal analysis）與溫升測試（temperature rise test），確保所有元件在最嚴苛的正常工作條件下，其表面溫度及內部溫升均不超過其額定溫度（rated temperature）及相關材料的相對溫度指數（Relative Thermal Index, RTI），合理設計散熱片、風扇等散熱系統，並確保通風路徑暢通。
    

• 外部熱源影響（External Heat Sources）： 產品若安裝於靠近其他發熱設備或高溫環境，也可能增加火災風險。
  

  • 工程控制： 在產品規格書及安裝手冊中明確規定允許的環境溫度範圍及安裝要求。

常見引燃源及其工程控制策略

引燃源類型	具體成因	關鍵工程控制策略
電氣引燃源	過電流、短路	精確選型與佈署OCPDs (熔斷器/斷路器)、確保足夠的電氣間隙與爬行距離、使用高品質絕緣材料
	不良電氣連接	選用認證連接器、確保連接的機械穩固性與電氣連續性 (扭矩/拉力控制)、防鬆脫設計
	電氣元件失效	選用認證元件、保留安全裕量、進行FMEA分析、嚴格供應商管理
	電痕徑 (Tracking)	選用高CTI值絕緣材料、確保足夠爬行距離、避免污染物積聚
熱引燃源	元件正常工作發熱	詳細熱分析與溫升測試、確保元件不超RTI、合理設計散熱系統、確保通風
	異常操作導致過熱 (如風扇失效、通風口堵塞)	進行異常操作測試、佈署過溫保護裝置 (TCOs/PTCs)、採用失效安全設計

可燃物質（Combustible Materials）的管控與材料科學應用

在產品設計中，完全避免使用可燃物質幾乎是不可能的，因此，安規工程師的職責在於對所使用的各種非金屬材料（尤其是塑膠、橡膠、PCB 基材、絕緣漆、灌封膠等）的可燃性（flammability）進行嚴格評估與管控。

• 材料的可燃性等級評定：
  

  • UL 94 標準： 這是業界廣泛採用的塑膠材料可燃性測試標準，將材料分為不同等級，如 HB（水平燃燒）、V-2、V-1、V-0（垂直燃燒，V-0 等級最高，要求火焰在規定時間內自熄且無滴落燃燒物），以及要求更為嚴苛的 5VA、5VB 等級（適用於大型固定式設備外殼）。
    

  • IEC 60695-11-10 (HB, V-0, V-1, V-2) 與 IEC 60695-11-20 (5V, 5VA, 5VB)：這些是與 UL 94 相對應的國際標準。
    

  • 工程師需根據零部件的具體應用位置、鄰近潛在引燃源的距離與功率、以及是否構成防火外殼（Fire Enclosure）等因素，選擇具有適當可燃性等級的材料。
    

• 耐熱性能指標：
  

  • 相對溫度指數 (Relative Thermal Index, RTI)： 依據 UL 746B 或 IEC 60216 系列標準評定，RTI 代表材料在長期熱老化後，仍能保持其關鍵物理性能（如電氣強度、衝擊強度、拉伸強度）50% 時的最高允許連續使用溫度，選擇材料時，其 RTI 值應高於該材料在產品正常及可預見異常工作條件下的最高實際工作溫度。
    

  • 灼熱絲測試相關指數 (Glow-Wire Test related indices)：
    

    • 灼熱絲可燃性指數 (Glow-Wire Flammability Index, GWFI)： 依據 IEC 60695-2-12，材料在特定溫度的灼熱絲作用下，火焰持續時間不超過2秒且試樣不被完全燒盡的最高溫度。
      

    • 灼熱絲起燃溫度 (Glow-Wire Ignition Temperature, GWIT)： 依據 IEC 60695-2-13，材料在特定厚度下，被灼熱絲引燃且火焰持續時間超過5秒的最低溫度，要求材料的 GWIT 值高於潛在熱源的最高溫度。
      

  • 熱絲引燃性 (Hot Wire Ignition, HWI)： 依據 UL 746A 或 IEC 60695-2-20，評估材料在接觸高溫電熱絲時抵抗引燃的能力。
    

  • 高電流電弧引燃性 (High Current Arc Ignition, HAI)： 依據 UL 746A，評估材料在經受高電流電弧作用時抵抗引燃的能力。
    

• 印刷電路板 (Printed Circuit Board, PCB) 基材： PCB 基材（如 FR-4、CEM-1）的可燃性等級（通常要求 V-0）及其 RTI 值，對於整體防火安全至關重要，特別是承載大電流或高功率元件的區域。

常用塑膠材料可燃性等級簡介 (依據 UL 94 / IEC 60695-11-10 & -20)

等級	測試方向	火焰自熄時間 (單個/總計)	滴落物是否引燃脫脂棉	主要應用考量
HB	水平	燃燒速率限制	不適用	通用級，允許緩慢燃燒，適用於遠離引燃源且有額外防火屏障的場合
V-2	垂直	≤30s / ≤250s (5個試樣)	是	允許滴落燃燒物，需注意下方是否有其他可燃物
V-1	垂直	≤30s / ≤250s (5個試樣)	否	不允許滴落燃燒物引燃脫脂棉，阻燃性優於V-2
V-0	垂直	≤10s / ≤50s (5個試樣)	否	最高垂直燃燒等級，火焰快速自熄，不允許滴落燃燒物引燃脫脂棉，廣泛應用於電氣產品內部及外殼
5VB	垂直面	樣品可被燒穿	不適用	經過5次火焰衝擊後，樣品不持續燃燒超過60秒，常用於大型設備外殼評估
5VA	垂直面	樣品不可被燒穿	不適用	要求最為嚴苛，樣品在5次火焰衝擊後不可被燒穿，且不持續燃燒超過60秒，適用於對防火要求極高的外殼

防止火勢蔓延（Preventing Fire Spread）的工程策略

即使產品內部因意外引燃，設計良好的產品應能將火勢限制在局部範圍，防止其蔓延至產品外部或引燃周遭環境，IEC 62368-1 中引入了**防火安全防護（Fire Safety Safeguard, FSS）**的概念，強調多層次防護。

• 防火外殼 (Fire Enclosure)：
  

  • 功能： 這是限制火勢蔓延的主要屏障，其作用是在產品內部發生火災時，能夠在一定時間內阻止火焰、高溫熔融物或燃燒顆粒穿透外殼，並限制外殼本身的燃燒和溫升。

  • 設計要求： 材料選擇（可燃性等級如 V-1、V-0 或 5VA/B，足夠的 RTI）、結構完整性（機械強度、耐衝擊性）、開孔設計（通風孔、縫隙的大小和位置需仔細評估，防止火焰逸出）、以及不同部件間的接合密封性，均是防火外殼設計的關鍵。
    

• 防火阻隔物 (Fire Barrier)： 在產品內部，於潛在引燃源與可燃材料之間，或在不同功能區塊之間，設置由不燃或高阻燃材料構成的防火阻隔物（如金屬隔板、陶瓷片、特殊防火塗層），可以有效阻止熱量傳遞和火焰蔓延。
  

• 空間分隔 (Separation / Segregation)： 將高功率、易發熱或存在較高引燃風險的電路或元件，與其他敏感或可燃材料在物理空間上進行足夠的隔離，是簡單而有效的防火措施。
  

• 限制可燃物質的總量與分佈： 在滿足功能和結構的前提下，盡可能減少產品內部可燃物質的使用總量，並避免大量可燃物集中分佈。

關鍵工程保護措施的應用

除了對引燃源和可燃物的管控，主動的保護裝置在預防火災中扮演重要角色。

• 過電流保護 (Overcurrent Protection)： 如前所述，精確選用並正確佈署熔斷器（Fuses）和斷路器（Circuit Breakers）是防止電氣線路或元件因過電流引發過熱起火的基礎防線，選型時需考慮其額定電流（rated current）、額定電壓（rated voltage）、分斷能力（breaking capacity / interrupting rating）、動作特性曲線（time-current characteristics, e.g., fast-acting, time-delay）以及與被保護電路的協調配合。
  

• 過溫保護 (Overtemperature Protection)：
  

  • 熱敏斷路器/溫度保險絲 (Thermal Cut-offs, TCOs)： 一次性動作的保護元件，當監測點溫度達到其預設的動作溫度時，會永久斷開電路。

  • 自動復位/手動復位型溫控器 (Thermostats)： 可重複動作，在溫度達到設定點時斷開或閉合觸點，常用於控制加熱元件或風扇。

  • 正溫度係數熱敏電阻 (Positive Temperature Coefficient Thermistors, PTCs)： 其電阻隨溫度升高而急劇增大，可用於限制電流或提供過溫指示。

  • 關鍵考量： 過溫保護裝置的選型（動作溫度、額定電流/電壓、復位特性）、安裝位置（需緊密貼合被監測的熱源表面，確保熱傳導良好）以及其自身的可靠性至關重要。
    

• 元件的審慎選用與降額設計 (Prudent Component Selection and Derating)： 選用經過安規認證、品質可靠的元器件，並在設計中對其關鍵參數（如功率、電壓、電流、溫度）進行適當的降額（derating）使用，可以顯著提高元件的可靠性，降低因元件過載或早期失效引發火災的風險。
  

• 內部佈線與連接管理 (Internal Wiring and Connection Management)：
  

  • 導線選型： 導線的線徑（gauge）應根據其承載電流和允許溫升進行選擇，絕緣材料應具有適當的耐壓等級、耐溫等級（RTI）和可燃性等級。

  • 佈線工藝： 導線應避免與銳利邊緣接觸，避免過度彎折，並予以適當固定，防止因振動或機械應力導致絕緣磨損或連接鬆脫。

  • 連接可靠性： 所有電氣連接點（焊接、壓接、螺絲緊固）必須確保低接觸電阻和長期機械穩固性。

關鍵性防火安全符合性測試項目

為驗證產品防火設計的有效性，安規標準規定了一系列嚴苛的測試項目。

• 材料可燃性測試 (Material Flammability Tests)：
  

  • 灼熱絲測試 (Glow-Wire Test, GWT)： 依據 IEC 60695-2-10、-11、-12、-13 系列標準，模擬一個因故障而過熱的電阻元件或連接點接觸到塑膠材料時的情景，評估材料是否會被引燃以及火焰是否會蔓延。主要有 GWFI（灼熱絲可燃性指數）、GWIT（灼熱絲起燃溫度）以及對最終產品的灼熱絲焰試驗（GWEPT）。對於無人看管或持續運作的設備，其直接承載電流或靠近發熱元件的塑膠部件，通常有嚴格的灼熱絲測試要求。
    

  • 針焰測試 (Needle-Flame Test)： 依據 IEC 60695-11-5，使用一個標準的小型針狀火焰（模擬小功率故障產生的小火焰）對試樣施加短時火焰衝擊，評估材料的燃燒行為，如燃燒持續時間、是否有燃燒滴落物等。
    

  • 水平/垂直燃燒測試 (Horizontal/Vertical Burning Tests)： 依據 UL 94 或 IEC 60695-11-10 / -20，對標準尺寸的材料試片進行燃燒測試，評定其 HB、V-0、V-1、V-2、5VA/B 等級。
    

• 異常操作與故障條件測試 (Abnormal Operation and Fault Condition Tests)： 模擬產品內部可能發生的各種單一故障，如元件短路/開路、馬達堵轉、風扇停轉、散熱孔被部分或完全堵塞、變壓器次級短路等，在這些極端條件下，監測產品的溫升、電流變化，並觀察是否有冒煙、起火、熔融物滴落或外殼變形導致危險部件外露等現象。
  

• 溫升測試 (Temperature Rise Test)： 在產品於額定電壓、最大負載或最不利的正常工作條件下長時間運行，直至達到熱平衡狀態，使用熱電偶等精密測溫儀器，量測產品內部關鍵元件（如變壓器繞組、功率半導體管殼、電容表面、PCB熱點）以及使用者可能接觸的外殼表面的溫度，確保其不超過相關元件的額定工作溫度、材料的 RTI 值以及標準規定的安全限值。
  

• 輸入測試/功率量測 (Input Test / Power Measurement)： 在規定的電源電壓範圍（通常為額定電壓的90%至110%或更寬）內，量測產品的實際輸入電流和功率，確保其不超過產品銘牌標示的額定值，也為溫升測試和過電流保護協調提供依據。
  

• 球壓試驗 (Ball Pressure Test)： 依據 IEC 60695-10-2，主要針對熱塑性塑膠材料，評估其在承載可能發熱的部件時，於高溫下抵抗永久變形的能力，試驗時將帶有標準鋼球的負載裝置施加於預熱後的試樣表面，保持一定時間後移除，量測壓痕直徑，若壓痕過大，則表明材料在高溫下機械強度不足，可能導致帶電部件移位或安全距離減小。

關鍵防火安全測試及其工程驗證目標

測試類別	核心測試標準 (舉例)	主要驗證目標	關鍵觀察點/判讀標準
材料可燃性	UL 94, IEC 60695-11-10/20 (垂直/水平燃燒)	評定材料本身的阻燃等級 (HB, V-0/1/2, 5VA/B)	火焰自熄時間、燃燒長度/速率、是否有燃燒滴落物及其是否引燃脫脂棉
	IEC 60695-2-10/11/12/13 (灼熱絲系列)	模擬過熱元件接觸材料時的起燃與蔓延風險；評估材料的GWFI, GWIT及最終產品的GWEPT	是否起燃、火焰高度與持續時間、試樣是否燒穿、周圍鋪底层是否被引燃
	IEC 60695-11-5 (針焰)	模擬小火焰對材料的影響	燃燒持續時間、火焰蔓延範圍、是否有燃燒滴落物
產品層級防火	各類產品標準中的異常操作/故障條件測試章節	驗證在單一故障下，產品是否會產生過熱、冒煙、起火、熔融等危險，或防火外殼是否能有效限制火勢	元件溫升、外殼變形、火焰蔓延情況、保護裝置是否正確動作
	各類產品標準中的溫升測試章節	確保正常工作時，各部件溫度不超限 (元件額定/材料RTI/標準限值)	各量測點的最高穩定溫度，與標準限值比較
	IEC 60695-10-2 (球壓試驗)	評估熱塑性材料在高溫下的機械穩定性，防止因變形導致安全問題	試樣在高溫受壓後的壓痕直徑是否超過規定值 (通常為2mm)

結論：系統性思維與多層次防護是實現產品防火安全的基石

火災風險預防絕非單一技術點的控制，而是一項涉及材料科學、電氣工程、熱力學、結構設計及製程管控等多個學科的複雜系統工程，安規工程師必須秉持預防為主、多層防護的原則，在產品設計的每一個階段都將防火安全置於優先考量，從引燃源的有效抑制、可燃物質的審慎選擇與用量控制，到防火外殼及內部阻隔結構的精心設計，再輔以可靠的過電流/過溫保護裝置，並最終通過一系列嚴苛的符合性測試驗證，才能最大限度地降低產品的火災風險，打造出真正值得市場與使用者信賴的安全產品，這不僅是符合法規的強制要求，更是企業社會責任與專業精神的體現。