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探讨家用电气火灾监控解决方案

浏览次数:126发布日期:2021-04-20

摘要:分析电气火灾高发的原因、国内外相关规范中对于电气火灾监控的要求,介绍国内相关产品标准及规范的颁布实施情况。提出组合式电气火灾监控探测器、故障电弧探测器、电气防火限流式保护器、智能防火开关/插座4种电气火灾监控解决方案,并介绍各方案的工作原理适用性应用特点。

关键词:电气火灾;火灾监控;剩余电流;故障电弧;防火限流

0引言

近年来,火灾发生起数不断攀升,尤其是电气火灾,占总火灾数量的3成以上。重大和特别重大火灾中电气火灾占比高达7成。家庭用电防火己成为我国当前火灾预防工作中的一项十分重要和紧迫的工作。

我国目前有关住宅领域的家用电气火灾监控方面的标准及设计规范比较少。GB50096-201l《住宅设计规范》中也仅仅要求在每幢住宅的总电源进线应设置剩余电流动作保护或者剩余电流动作报警,并没有针对每个家庭分别监控报警,监控每幢住宅的总电源进线剩余电流远远不够。目前,家庭入户电源进线只安装了漏电保护开关。根据消防局《中国消防年鉴》统计数据显示,由于剩余电流导致的电气火灾发生数量占比并不高,还有占比更高的短路、过热、接触不良、电气故障、过负荷等,而且家庭中目前并没有有效的、针对性的监测手段。JGJl6—2008{民用建筑电气设计规范》中规定电源进线处宜设置剩余电流火灾报警器的建筑包括住宅、公寓等居住建筑剩余电流动作保护装置的动作电流,家用电器回路或插座回路为3OmA,并不适用于洗澡间热水器及其用电回路。此标准不属于国家强制执行标准。很多家庭实际上住电源进线处安装了一个总的漏电开关,并没有细分到家用电器回路或插座回路。再加上人们对家用电气火灾监控重视不够,防范意识淡薄,相关规范的要求在家用电气火灾监控方面得不到执行和落实,家庭电气火灾悲剧年年发生。

 

1相关产品标准及规范情况

JEAC8001—1978内线规程(日本)90条要求,建筑面积在150m以上的旅馆、饭店、公寓、集体宿舍、家庭公寓、公共住宅、公共浴室等地安装能自动报警的漏电火灾报警器。此规程为日本电气火灾的控制起了重要作用,其电气火灾只占总火灾的2%-3%(其人均用电量为我国的8倍)。

1993年,由部沈阳消防研究所组织编制的GB14287-93{防火漏电电流动作报警器》发布实施。该国标实施后相关的规范和标准没有同步出台,随后的十多年没有太多的产品进入市场,推广应用工作几乎停滞。但这十多年正是我国人均用电量飞速上涨的时期,电气火灾从1978年的7.8%上升到2008年的30%,目前一直保持在这个高位水平。

2005年,GB14287-2005《电气火灾监控系统》、GB13955-2005《剩余电流动作保护装置的安装运行》推出。同时,GB50045-2005{高层民用建筑设计防火规范》局部修订条文,加入第9.5条“漏电火灾报警系统”。2005年是电气火灾标准发展重要一年,此时电气火灾监控系统趋于规范化。

2008年,新《中华人民共和国消防法》颁布实施,消防工作贯彻以“预防为主、防消结合”的方针,尤其加大对电气火灾早期预警、预报的强制性规定。JGJ16-2008{民用建筑电气设计规范》、DG/TJ2O48—2()()8《民用建筑电气防火设计规程》、JGJ242-2011《住宅建筑电气设计规范》、GB50096-20l1《住宅设计规范》、GB50054-2011《低压配电设计规范》等标准和设计规范相继推出,在民用建筑电气设计领域具有指导性意义

近年来,GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》、GB50016—2014《建筑设计防火规范》两个重要规范颁布实施。GBl4287—2O14《电气火灾监控系统》部分:电气火灾监控设备、部分:余电流式电气火灾监控探测器、第三部分:测温式电气火灾监控探测器、第四部分:故障电弧探测器推出。电气火灾领域进一步得到规范。GB14287《电气火灾监控系统》标准体系中,还有GB14287《电气火灾监控系统》第五部分:测量热解粒子式电气火灾监控探测器和第六部分:电气防火限流式保护器两项标准尚未正式颁布实施。此外,针对电气防火,还有静电探测器、绝缘监测器、无电弧开关等产品,这些产品 终能够普及应用于家庭,还需要加强基础应用技术研究和更经济、稳定的传感器探测技术研究

2家用电气火灾监控系统解决方案

家用电气火灾监控系统是电气火灾监控系统的个细分领域。在家庭特定的应用环境中,安全控制系统的总体要求为易安装布线、操作简单、美观大方、系统运行安全可靠、经济性强。

2.1组合式电气火灾监控探测器(针对家庭应用)

传统的漏电开关的主要作用是保护人身安全,在用电线路泄漏电流超过人身安全值(30mA)时立刻切断电源,无法探知电路的正常运行及跳闸时泄漏电流大小,无法了解电路绝缘状态的变化,无法对当前绝缘状态作出及时有效的评估,也无法对电气火灾作出预报。家庭发生电气火灾主要有4大类,一是过负荷,二是短路,三是接触电阻过大(接触不良,导致打火和发热),四是漏电。即除了漏电

外,还有更重要的三个原因,为供电线路有漏电保护却仍然频频发生电气火灾的原因,急需解决。行之有效的方法是科学地加装组合式电气火灾监控探测器

组合式电气火灾监控探测器主要由一路剩余电流监测加上一路温度监测,带液晶显示,采用较紧凑的导轨式或者壁挂式安装结构,独立式运行。剩余电流互感器采用特制的相当于大小的微型剩余电流互感器,可以监视家庭进户电源进线处负荷电流、剩余电流、温度值,超过设定值就报警,并预留对外数据接口。

2.2故障电弧探测器

关于故障电弧探测器相关标准,国内的有GB14287.4—2014《电气火灾监控系统》第4部分:故障电弧探测器,JB/Tl1681—20l3《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》等。国外的UI1699-2011《故障电弧断路器》,IEC62606《家用和类似用途的电弧故障检测装置(AFDD)》。由于历史及种种原因,故障电弧探测器在国内没有得到很好的推广和应用。家庭用故障电弧探测器主要可以解决家庭用电中用电线路及用电设备接触不良打火、短路打火,即串弧和并弧。尤其是串弧发生时,分布范围广,温度点测温无法全面覆盖到,电流非常小,漏电开关或者剩余电流监测不足以起作用,但是微小的电弧产生的明火能量能引燃周边可燃物。因此,安装故障电弧探测器也是一种电气火灾监控的补充。

根据标准要求,当被探测线路在1S内发生14个及以上半周期故障电弧时,探测器应在30S内发出报警信号并点亮报警指示灯。当被探测线路在1S内发生9个及以下半周期的故障电弧时,探测器不应发出声、光报警信号和控制信号,但可采取其他方式提示。其中电弧持续时间不超过O.42ms或电流值不超过额定电流值5的微小电弧不作为电弧统计。故障电弧特征如图1、图2所示。

根据家庭用电特点,故障电弧探测器带液晶显示,采用较紧凑的导轨式或者壁挂式安装结构,独立式运行。可以监视故障电弧,达到标准规定值就报警,记录发生数量以及时间,并预留接口。

2.3电气防火限流式保护器

这类产品名称有“固态断路器”、“具有短路保护功能的固态开关”或“固态短路保护器”等,属于电力电子技术领域。其工作原理是依靠改变半导体的导电性能来实现对负载的接通与断开。半导体经处理成为晶体管(半导体管),导电性能可控,能成为接近导体阻很小,0.02Q)和接近绝缘体(电阻很大,220kO)的导电状

 

家庭常用的传统空气开关的断开是一种机械运动过程,带负载断开伴随有电弧的产生,分断时间需要几十毫秒(一般30~501TIS)。固态断路器的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现的,速度快,无电弧产生,分断时间微秒级,比传统的快几万倍至几十万倍,在由短路导致的故障电流远未达到短路电流峰值时就切断电路了,而且截流值(短路保护电流整定值)可以根据需要整定的,大大降低了短路时所释放的能量,同时大大降低了短路点产生的有害的电火花。由于固态断路器的分断时间非常快和截流值是可以整定的,固态断路器的短路分断能力理论上是无限大的。固态断路器处理短路故障的能力不会由于主电源的容量增大和输电线长度减小而受到影响。

以图3短路故障前后电流与时间的关系图说明传统断路器与固态断路器的差别。

流过电阻的电生的热量Q—R£。由图4电流的平方与时间的关系图可以看出,曲线围成的面积对应于短路时所释放的能量大小,能明显看出传统断路器与固态断路器在短路时所释放的能量差别,释放的能量之比至少4000倍

由于短路故障发生后,主电源(单相220V,三相380V)的电压会明显下降甚至下落至接近零,所以固态断路器内部控制电路的供电不能依赖主电源,否则电气防火限流式保护器不能正常工作,有失控的风险。只能使用与主电源不相关的辅助电源(采取总线供电或者电池供电)作为内部控制电路的供电,这就有效解决了当主电源短路故障导致电压降低而电气防火限流式保护器取自主电源后导致工作不正常的问题,加强了一般场合的实用性。

电气防火限流式保护器特点有:微秒级完成对短路电流的限制,大大提高开关速度,提高了系统的稳定性和性;能在短路电流远未达到短路电流峰值前限制短路故障电流,大大降低电气线路/设备短路过程中引起的连续拉弧打火概率,避免引燃周边可燃物造成火灾事故;能有效防止雷击浪涌涌入家庭用电电路中烧毁用电设备;准确控制开关动作时间;声光报警,及时提醒运行维护人员;集中监控,实现故障定位,迅速显示故障单元;工作寿命长不受开关次数限制,耐久性好;整机采用环氧树脂灌封工艺,防震、防潮,适应于恶劣环境;无触头、无机械活动机构和无电弧,,减少了故障率,提高了供电可靠性

2.4智能防火开关/插座

开关插座耐用性越来越高,但用电异常时有发生,如:一个开关插座同时供多个用电设备用电,特别是大功率的电磁炉、空调等,负荷电流过大,使电源线加速老化,产生用电隐患,特别是超过了开关插座的负载能力时,温度迅速提高,有电气火灾风险。有时出现雷雨天气,可能出现雷击等现象,开关插座无法自我保护,对用电器会有很大的损伤。日益增多的电气火灾及事故已经证明传统方式无法有效保障用电。据消防部门统计:在80%以上的电气火灾中,空气开关没有发挥作用。带过电流保护功能的智能防火开关/插座,克服了空气开关选择过大、用电过负荷不能及时跳闸而引起电气火灾的问题。家装时要注意接地保护线PE和N线严格区分开,规范施工,并且保证和建筑物的保护地线PE可靠连接。

以上电气火灾的探测和防范装置均可留有对外输出接口,可同时接入家用火灾报警系统,家用报警系统再通过无线技术将数据上传至远程云平台,探测器报警时在设备上可以报警,家用报警控制器上可以显示,也可以将报警信息推送至用户的移动终端上

3安科瑞电气火灾管理云平台构架和硬件选型

安科瑞电气推出的电气火灾管理云平台采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器和电气火灾探测器、故障电弧探测器和电气防火限流式保护器对引发电气火灾的主要因素(导线温度、电流剩余电流、故障电弧等)进行不间断的数据与统计分析,并将发现的各种隐患信息及时推送给学校管理人员指导学校实现时间的排查和治理,达到潜在电气火灾隐患,实现“防患于未然”的目的。

用户可以利用PC、手机、平板电脑等多种终端实现对平台的访问,查询包括系统信息、实时数据、报记录等在内的各种信息,使用方便。利用该系统为用户提供的低成本服务,能有提升企业的消防管理和电气设备水平,防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任事故的发生。

 

系统的整体结构如图所示:

 

3.1硬件配置

平台服务器:建议按照我方提供配置标准购买,或者客户自己租用阿里云资源。

硬件配置:(如申请阿里云可忽略)

序号

名称

型号、规格

单位

数量

备注

 

平台部分

 

 

 

 

1 

数据服务器

DellR730CPU:E5-2620内存:32G硬盘容量:4*1.2T(SAS1万转2.5英寸小盘)RAID5

1

甲供,供参考

2 

WEB服务器

DellR730CPU:E5-2603内存:16G硬盘容量:3*300G(SAS1万转2.5英寸小盘)RAID5

1

甲供,供参考

3 

打印机

 

1

甲供

4 

工业网络交换机

华为(HUAWEI)S1728GWR-4P-AC,企业级网管24口千兆交换机

1

甲供,供参考

现场硬件配置

方案一:100A以下回路,开口式互感器

序号

名称

型号、规格

单位

数量

备注

1 

用电管理云模块(2G/4G/NB)

ARCM300T-Z-2G/4G/NB,一路剩余电流,4路温度,三相电流、电压、谐波、功率、电能,四象限电能计量,4路开关量输入,1路继电器输出,事件记录,内置时钟,点阵式LCD显示,1路RS485/Modbus通讯2G无线通讯可选4G或NB无线通讯

1

安科瑞

2 

开口测量型电流互感器

AKH-0.66/K-φ24(150A)

 

3

安科瑞

3 

开口漏电流互感器

AKH-0.66/L45K16-100A)

1

安科瑞

 

4 

线缆温度传感器

ARCM-NTC

4

安科瑞

方案二:100A以下回路,普通互感器,会增加施工量

序号

名称

型号、规格

单位

数量

备注

1 

用电管理云模块(2G/4G/NB)

ARCM300T-Z-2G/4G/NB,一路剩余电流,4路温度,三相电流、电压、谐波、功率、电能,四象限电能计量,4路开关量输入,1路继电器输出,事件记录,内置时钟,点阵式LCD显示,1路RS485/Modbus通讯2G无线通讯可选4G或NB无线通讯

1

安科瑞

2 

测量型电流互感器

AKH-0.66/30I100/5

 

3

安科瑞

3

漏电流互感器

AKH-0.66/L45

1

安科瑞

4

线缆温度传感器

ARCM-NTC

4

安科瑞

 

方案三:100A以下回路,普通电流互感器,探测器和无线模块分开,可适用多回路

 

方案三:100A以下回路,普通电流互感器,探测器和无线模块分开,可适用多回路

序号

名称

型号、规格

单位

数量

备注

1 

用电管理云模块(2G/4G/NB)

ARCM200L-UI、ARCM200L-J4T12/J8T8等,可以测多回路漏电流和温度

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