劉細鳳

(安科瑞電氣股份有限公司，上海，201801)

摘 要：通過對石油化工企業(yè)電氣火災成因的分析,針對目前剩余電流檢測與故障電弧檢測手段在石油化工企業(yè)應用中存在的問題，提出種智慧防火解決方案。通過對各類電氣火災隱患進行、集中監(jiān)測，提高了電氣火災隱患檢測的精度，從而達到避免電氣火災的目的。

關(guān)鍵詞：電氣火災成因；電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)；石油化工；剩余電流；故障電??；智慧防火；單相剩余電流分析；特殊波形分析

引言

近些年，電氣火災事故多發(fā)，在總體火災中的占比居高不下。石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，在生產(chǎn)、使用、儲存、運輸、經(jīng)營及廢棄處置等過程中旦發(fā)生火災、爆炸等，不但導致生產(chǎn)停頓，設(shè)備損壞，也可能會造成重大人員傷亡和難以挽回的影響。

在此背景下，本文深入剖析石油化工企業(yè)電氣火災成因，特別是針對現(xiàn)有電氣火災監(jiān)測與防護盲區(qū)，設(shè)計電氣火災監(jiān)測、火災隱患準確判斷與及時告警的智慧防火解決方案，以期對石油化工企業(yè)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計應用提供有益的借鑒。

 石油化工企業(yè)電氣火災原因分析

石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，不僅成為電氣火災的高發(fā)區(qū)，而且旦發(fā)生火災或爆炸， 將造成重大的人員傷亡和難以挽回的影響。

通過對近幾年石化行業(yè)電氣火災事故進行統(tǒng)計分析，總結(jié)電氣火災的原因。

1.1 違規(guī)施工操作

如前所述，石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，多以液態(tài)或氣態(tài)形式存在，極易發(fā)生泄漏。因此，要求爆炸危險環(huán)境中的工藝設(shè)備及電器線路選用防爆型或經(jīng)防爆處理。但是，個別企業(yè)在生產(chǎn)過程中不按設(shè)計要求執(zhí)行，旦產(chǎn)生可燃液體或氣體泄漏，極易發(fā)生電氣火災爆炸事故。

1.2 線路、設(shè)備老化、腐蝕等隱患

石化企業(yè)內(nèi)，電力設(shè)施、電氣設(shè)備種類繁多，且電氣裝置長年處于不間斷生產(chǎn)中。在生產(chǎn)過程中，不僅會有易燃、易爆物質(zhì)和酸堿腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生，而且線路、設(shè)備側(cè)鋪設(shè)線路的絕緣老化、施工造成的絕緣破損，以及生產(chǎn)加工引起的線路電機設(shè)備內(nèi)部的線路虛接，均可引起故障電弧，形成極大的火災隱患。

1.3 管理與監(jiān)測不到位

有些化工企業(yè)對職工培訓重視不夠，防火責任制落實不到位對用火、用電、用氣管理措施落實不到位，為化工企業(yè)生產(chǎn)埋下了事故隱患。同時，對于容易發(fā)生電氣火災的線路、設(shè)備未安裝有效的監(jiān)控，造成對電氣火災隱患發(fā)現(xiàn)處理不及時等問題。

1.4 季節(jié)性因素

化工企業(yè)電氣火災的發(fā)生伴隨定的季節(jié)性。電氣火災夏季多發(fā)，主要由于風吹雨淋，線路容易出現(xiàn)電弧擊穿事故。露天安裝的電氣設(shè)備，也容易淋雨進水，使絕緣破損，而且夏季的高溫也影響了電氣設(shè)備工作的可靠性和壽命。

二 化工企業(yè)電氣火災防護要求及其問題

2.1 防護要求

GB50160-2008 《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》明確提出：“石油化工企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)、公用及輔助生產(chǎn)設(shè)施、全廠性重要設(shè)施和區(qū)域性重要設(shè)施的火災危險場所應設(shè)置火災自動報警系統(tǒng)和火災電話報警”，并提出“火災報警系統(tǒng)的設(shè)計，應按現(xiàn)行家標準《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50116）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行”。

GB50116-2013 《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》9.1.1條條文說明指出：安裝電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，可有效監(jiān)測電氣火災隱患，避免電氣火災的發(fā)生；同時，規(guī)范明確了防護方法及防護要求。

根據(jù) GB14287.1-2014《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)第1部分：電氣火災監(jiān)控設(shè)備》，電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)指的是當被保護電氣線路中的被探測參數(shù)超過報警設(shè)定值時，能發(fā)出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統(tǒng)，由電氣火災監(jiān)控設(shè)備和電氣火災監(jiān)控探測器組成。其中，電氣火災監(jiān)控探測器能夠探測被保護線路中的剩余電流、溫度、故障電弧等電氣火災危險參數(shù)變化和由于電氣故障引起的煙霧變化及可能引起電氣火災的靜電、絕緣參數(shù)變化的探測器。

基于此，對于化工企業(yè)電氣火災的防護應安裝24h不間斷電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測電氣火災隱患，當發(fā)生火災隱患時及時報警，并通知監(jiān)控室值班人員現(xiàn)場排查故障，從而達到避免電氣火災發(fā)生的目的。

2. 2 現(xiàn)有監(jiān)控手段存在的問題

2.2.1 剩余電流監(jiān)測的問題

石化行業(yè)在配電上的特點是存在大量三相電機類大功率負載，對于三相回路的剩余電流故障，傳統(tǒng)的剩余電流檢測方法是通過序電流互感器進行采樣，然后用門限值的方式進行故障判斷。

而三相回路在計算過程中存在個相線剩余電流故障相互抵消的問題。因為序互感器計算的是三相剩余電流的相量和，L1、L2、L3相線存在的剩余電流會抵消部分，zui后總的剩余電流僅僅算出部分值，這樣大大降低了剩余電流的檢測精度。

2.2.2 故障電弧監(jiān)測的問題

故障電弧發(fā)生在線路的虛短、虛斷過程中，在電流很小的線路（如視頻線路）中都可能發(fā)生，發(fā)生時伴隨著高溫濺射，局部溫度瞬時能達到6000℃。

現(xiàn)有的故障電弧探測器般采用電限流速度快的固態(tài)開關(guān)器件，實現(xiàn)快速限流保護，計算公式如下：

通過計算確定電流過點，然后對比過點位置的電流平肩信息（即在定時間段內(nèi)電流值不變或變化范圍很小，表現(xiàn)為平線的區(qū)域特征），通過數(shù)據(jù)變換，求得基波頻域特征及時域特征。然后通過判斷基波頻域特征在50次之前的數(shù)據(jù)變化，對比變化率，確定電弧故障。在時域方面計算電流在過點處的平肩寬度值及波形變化斜率比，通過dl/dt，求得穩(wěn)定斜率，當超過個特定門限值τ時，即可判斷出故障電弧發(fā)生，τ值通過對不同負載電弧波形統(tǒng)計得出。圖1

圖1 所示為故障電弧典型電流波形

                           圖2 大功率照明設(shè)備與電機設(shè)備的波形圖

如圖2所示是些負載運行的特征波形圖，在非正弦波的特征中，存在平肩特征。

3 石化行業(yè)智慧防火系統(tǒng)設(shè)計與應用

3.1 總體方案

如前所述, 除了人為與季節(jié)性因素外，引起電氣火災的成因大致可以概括為線路中發(fā)生過載、短路、接觸電阻過大、剩余電流過大、故障電弧等原因。

針對電氣火災的成因，提出種智慧防火解決方案，通過檢測線路中異常電流和物理量這兩類方法來及時發(fā)現(xiàn)電氣火災隱患，通知工作人員檢查并排除隱患，防止電氣火災的發(fā)生。同時防火系統(tǒng)搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將檢測數(shù)據(jù)上傳集中監(jiān)控管理，及時預判異常、發(fā)現(xiàn)并快速排除隱患，真正做到電氣火災的預防, 同時保證用電的連續(xù)性。圖3是智慧防火解決方案示意圖。

圖3 智慧防火解決方案示意圖

在本方案中，采取每相剩余電流分別計算顯示的方法，通過采樣相位偏差及矢量值大小，計算得到每相的剩余電流值大小，并在系統(tǒng)中分別顯示，當任相產(chǎn)生剩余電流增大故障時，都可以分別報警，提高了檢測精度。 避免了由于相線剩余電流抵消造成的漏報警現(xiàn)象。

在本方案中，在前文所述計算電弧波形的方法下，加入特殊波形的判斷，通過對波形的畸變率及變化特征比率進行對比，并計算負載電流變化的時域斜率特征變化特點，同時分析諧波變化特征值提升來區(qū)分電弧的發(fā)生。

下面結(jié)合實際案例進步闡述剩余電流探測器與故障電弧探測器的應用。

3.2 剩余電流探測器的應用

以某煉油廠為例，在重要的動力、照明、插座、檢修、空調(diào)等饋線回路均安裝了剩余電流式電氣 （如圖4所示），此項目共安裝剩余電流探測器500臺。

圖4   剩余電流探測器現(xiàn)場安裝示例

此項目建設(shè)在南方沿海地區(qū)，氣候條件變化比較大，環(huán)境潮濕，廠區(qū)溫度普遍較高，環(huán)境因素對線路負載剩余電流的影響比較大。圖5為個線路剩余電流的值受到環(huán)境因素影響的曲線圖，從圖中可以看到在環(huán)境濕度變化的情況下，線路剩余電流值有顯著增加。環(huán)境溫度、濕度變化對剩余電流值的變化有很大影響，此差異直接影響了電氣的防護精度。因此在此設(shè)置的剩余電流互感器，充分考慮了環(huán)境因素對剩余電流的影響。

圖 5 濕度變化對線路設(shè)備剩余電流值的影響

此項目安裝試用半年后，對客戶使用情況進行了調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過試用半年后的客戶反饋，能夠及時準確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災隱患，并及時通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患加以排除，起到了定的效果

表 1 剩余電流探測器現(xiàn)場故障分析表

3. 3 故障電弧探測器在石化行業(yè)的應用

某石化項目在重要的容易發(fā)生故障電弧的回路安裝了故障電弧探測器，如空調(diào)回路、視頻回路；考慮到設(shè)備電機回路為化工企業(yè)的主要電力回路，而且從變電室到設(shè)備端引線較長、不易監(jiān)控的特點，因此在電機回路也安裝了故障電弧探測器。

此項目安裝限流式保護器用半年后，對客戶使用情況進行了調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過試用半年后的客戶反饋，能夠及時準確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災患，能夠及時通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患并加以排除， 起到了定的效果。

表 2 故障電弧統(tǒng)計分析表

圖 6 現(xiàn)場故障電弧探測器安裝方案圖實例

4  安科瑞電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成：

電氣火災監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器以及測溫式電氣火災監(jiān)控探測器等三種產(chǎn)品組成。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)視、報警、控制、集中管理于體，監(jiān)控探測器般掛接在總線上的支路上，接受主控制器的命令，并傳送全部信息；主控制器處理接收來的數(shù)據(jù)，監(jiān)測被探測電氣線路的漏電電流、溫度等參數(shù)的變化。當參數(shù)異常時剩余電流互感器、溫度傳感器等終端探測頭對信息進行采集，并送到監(jiān)控探測器中，超出設(shè)定值時即發(fā)出報警信號，同時輸送到監(jiān)控設(shè)備中，經(jīng)進步判定，當確認可能發(fā)生電氣火災時，監(jiān)控主機發(fā)出火災報警信號，報警指示燈亮，發(fā)出報警音響，并在液晶顯示屏上顯示報警信息，值班人員迅速進行檢查處理。

4.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

Acrel-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控探測器等組成。監(jiān)控設(shè)備能接收來自電氣火災監(jiān)控探測器的報警信號，發(fā)出聲光報警信號和控制信號，指示報警部位，記錄并保存報警信息，是系統(tǒng)的管理。監(jiān)控探測器探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數(shù)，并可直接將本地采集的信號處理為數(shù)字信號，通過標準通訊協(xié)議進行傳輸。提高了信號傳輸過程中的抗干擾能力，提升了系統(tǒng)的可靠性指標。

4.3 電氣火災監(jiān)控探測器選型表

5  安科瑞故障電弧探測器

故障電弧探測器（以下簡稱探測器）對接入線路中的故障電弧（包括故障并聯(lián)電弧、故障串聯(lián)電?。┻M行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災的故障電弧時，可以進行現(xiàn)場的聲光報警，并將報警信息傳輸給上端監(jiān)控設(shè)備，以實現(xiàn)預警火災發(fā)生的目的。

故障電弧探測器選型表

6  結(jié)論

石油化工企業(yè)電氣火災防范是系統(tǒng)工程，除了提高意識與防火管理外，還需要安裝電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)， 對剩余電流、溫度、故障電弧等進行、集中監(jiān)測。

本文針對目前電氣火災隱患檢測手段在石化應用中的局限性，提出種智慧防火解決方案，不僅對各類電氣火災隱患進行與集中監(jiān)測，而且通過每相剩余電流的分析，以及特殊波形的分析，提高了電氣火災隱患檢測的精度，并通過及時告警達到避免電氣火災的目的，在實際應用過程中效果良好。

參考文獻：

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［2］馬穎 劉沛雨．電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)在石油化工行業(yè)的應用［J］建筑電氣.2019.11

［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：劉細鳳，男 本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電氣火災監(jiān)控。