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智慧用电监控系统在电气火灾中的应用

2020-06-03

摘 要:为了对电气火灾事故进行预测和预警,同时为了对电气火灾事故的应急救援提供支持,将智慧用电监控系统应用于电气火灾中。该系统利用物联网、移动互联网、云平台、大数据技术,实现对电气线路电流、漏电、温度、谐波等参数进行实时在线监控并图形化显示,电气参数一旦超出阈值将会在手机端、监控屏、电脑等终端进行报警。智慧用电监控系统发出电气火灾警报后,还可以通过该系统查看企业的基本信息、周边环境信息、应急信息等,提高应急救援的速度与效率。该系统能够实现电气火灾的预警,为电气火灾事故应急救援提供支持。
关键词:电气火灾;监控;早期预警
 
 
0.引言
近年来,我国电气火灾事故发生频繁,造成的损失十分严重。2011-2015年,我国发生火灾约140.81万起,从火灾的起因来看,由于线路漏电、短路、超负荷、电气故障等原因引起的火灾约为41.5万起,在全年火灾数量中的占比约为30%,且逐年增加。究其原因,电气线路设计、安装不规范、使用和维保不及时是导致事故的重要原因。同时,在电气火灾的应急救援中也存在着火灾发生位置较为隐蔽、火灾发展迅速、应急救援难度大的问题。对于电气事故的预防监控,国内有不少学者已经进行了相关的分析和研究,对线路电气参数进行监测,通过移动网络实时将数据上传到服务器,自动对超出范围的异常情况进行预警,起到预防事故的作用。笔者构建的智慧用电监控系统能够利用物联网、移动互联网、云平台、大数据技术对电气线路电流、剩余电流、温度、谐波等参数进行监控,实现电气火灾的预警,为电气火灾的应急救援提供支持。
 
1.智慧用电监控系统研究 
1. 1电气火灾事故原因分析
电气火灾是指用电设备、电气线路、接地电弧、雷击、静电等电的热效应导致电器设备内部、电气线路、周边可燃物起火引发的火灾。引起电气火灾的原因多种多样,通过对电气火灾事故案例进行分析可知,引起电气火灾的原因如图 1所示。
 
图 1 电气火灾发生原因
 
(1)电气线路导体发生短路。线路导体之间发生直接接触,短路产生的电流很大,若线路中的保护装置发生故障,未及时动作切断电源,将会导致火灾的发生。
(2)电气线路电弧连接短路。线路故障电弧或工作电弧由于电气阻抗存在,短路电流不大,不能及时启动线路保护装置切断电源,使得电弧引发的高温一直烘烤线路的外护层或附近可燃物而引起火灾。
(3)线路负荷过载。线路过载火灾是指通过电气线路的电流超过其安全载流量,导致线路产生高温,引起本体或周围可燃物燃烧造成的火灾。过载不仅能够直接引起火灾,而且还会引起线路短路、接触不良、漏电等多种电气线路故障,间接地引起火灾。
(4)线路连接接触不良。当线路连接接触不良时,会造成接触电阻过大,接触处在电流的作用下会产生高温, 而接触电阻会随温度升高逐渐增大,温度循环上升,终达到电气线路或周围可燃物质的燃点,引发火灾。
(5)漏电电流。漏电火灾是在电气系统发生漏电故障的情况下,漏电电流从漏电点到接地点流入大地途中,在电阻较高的部位发生热作用引燃周围可燃物而造成的火灾。随着线路、设备的使用,不同的物理或化学因素都会引起绝缘层的老化导致线路绝缘性能降低,致使电流由内向外泄漏到建筑物、附属设施或工作物等接地物体上,从而产生高温、漏电电弧或电火花引起线路或者周围易可燃物燃烧造成火灾。
(6)谐波电流。谐波是指在稳态情况下,周期性的非正弦电气量中频率为基波整数倍的电气分量。当前变频设备产生的谐波电流对供电系统、负载及其他邻近电气设备、线路产生干扰,可以导致电源电压的波形失真、能量损耗增加,过载发热起火。
 
1. 2电气火灾应急救援中存在的问题
(1)电气火灾发生位置比较隐蔽,不容易被发现,当人们发现火灾时通常已进入燃烧阶段,甚至火势已经开始扩散。此时的应急救援行动不仅难度增大,还会扩大事故的损失与危害。
(2)应急救援中存在有对企业情况不了解的现象,包括企业厂房结构信息、储存物料的信息等。这些现象不利于应急救援行动,甚至危及救援人员的生命与健康。
(3)很多企业的管理人员对应急救援的认识不足,缺乏对于电气设备状态的有效监控,导致不能及时发现事故隐患而造成严重后果。
 
1. 3智慧用电监控系统分析
电气参数中电流、漏电、温度、谐波情况有异常,将可能引发电气火灾。利用电气参数监测设备及互联网、移动网、物联网、云平台等技术,构建智慧用电安全物联系统,实现实时线路电气安全监控对火灾的预防有着积极意义。
1. 3. 1智慧用电终端
智慧用电监控系统终端利用现有电气参数监测技术,实现对电气线路三相电流值、剩余电流值和温度的监测。能够实现对电气线路状态的监测,实时传输电气线路状态参数,电气参数出现异常及时发出警报。
智慧用电监控系统硬件由以下部分组成:
(1)电流互感器,用于采集三相电流的电流值。
(2)剩余电流互感器,用于采集剩余电流值。
(3)温度传感器,用于采集电气线路和环境的温度。
(4)AD转换器,将采集到的模拟电流量转化为数字电流量并输出至CPU。
(5)CPU是智慧用电终端的核心,用于控制检测装置对三相电流、泄漏电流等数据的采样,数据处理,报警输出,与云服务器通信,液晶监控屏显示等,并实现了安装方式的可移动化。
1. 3. 2云服务平台
利用移动网、互联网构建云服务器平台。针对监控系统采集到的电气参数通过监控设备主机进行信号的转换和逻辑换算,可将各参数通过移动网络技术上传到云服务器上,建立电气监控云服务平台。云服务平台能够将反映电气状态的实时数据上传到监控显示屏与手机端。可以通过观看生产现场的监控显示屏,查看企业电气线路的运行状态,还可以通过手机端远程查看企业电气线路的状态,做到对企业电气状态的实时监控,随时掌握企业的电气安全情况。
1. 3. 3大数据分析
结合线路使用情况,通过大数据分析,自动识别电气安全隐患,构建隐患识别系统。系统根据企业电气线路、设备负载明细确定线路大电流、线路允许的温度,以此为依据设置相关的报警值,当电气参数超过阈值时立即报警。系统通过大数据分析智能识别电气线路谐波含有率情况,当出现异常时进行自动报警。系统还能够通过分析企业的报警历史记录以及企业每天的电气运行情况,找到企业电气系统中存在的问题包括负载过大、电气线路老化严重、接地故障等。
 
1. 4电气事故预警
系统将智慧用电终端实时采集的电气参数与预设的报警值比较,一旦发现企业的电气参数超过阈值,立即发出警报。事故报警分3个层次:一是现场监控设备报警;二是监控显示屏报警;三是手机短信报警。
(1)现场报警。现场监控设备报警,当系统发现异常参数时,安装在现场的智慧用电监控系统终端自带的声光报警器立即发出声响且警示灯亮起,提醒在现场的相关人员对现场情况进行排查。
(2)监控显示屏报警。系统会将报警信号发送到监控显示屏上,满足24 h图形监控报警,同时在监控显示屏上能够看到报警区域的位置、报警区域周围的环境情况、现场存放物料、现场负责人等信息。这些信息能使人们及时了解事故现场的情况,及时消除隐患或指导应急救援。
(3)手机短信报警。事故发生时系统还会发送报警短信给相关电气安全责任人,以保证在企业现场无人的情况下也能及时通知人们迅速排查隐患,确保电气系统安全。
 
2.基于用电安全监控技术的事故救援系统 
通过智慧用电监控系统,企业管理人员可以实时在线远程查看生产现场电气设备参数动态和历史信息,一旦发生电气火灾事故,可通过系统查看事先制定的救援预案,并可以显示出事故现场环境信息、周边应急救援设施及救援路径。
 
2. 1智慧用电监控系统
智慧用电监控系统由智慧用电终端、云服务器、监控显示屏与手机端组成。智慧用电终端中有电流传感器、温度传感器与剩余电流传感器,可以实时检测电气线路的三相电流、线路温度、环境温度与剩余电流,并将数据通过云服务器实时传输到监控显示屏与手机端中,以便人们能够随时查看企业电气情况。当发生电气事故时,传感器感知到异常数据,智慧用电终端的声光报警器立刻发出警报,同时云服务器在监控显示屏上发出警报,并通过手机端对人员发出警报。
 
2. 2企业基本信息库
企业安全生产信息库中收集企业的静态安全生产信息与动态安全生产信息。企业静态安全生产信息包括企业基本信息、人员信息、安全评估、管理体系等信息;企业动态安全生产信息包括企业电气安全情况信息、企业重大危险源信息、企业周边环境信息等。企业安全生产信息库的建立不仅有利于企业的安全管理,提高企业安全管理水平,还有助于在事故的应急救援时帮助救援人员了解企业信息,根据企业信息制定合理高效的救援方案,避免救援人员受到不必要的伤害,保障应急救援的顺利进行。
 
2. 3事故应急救援系统
应急救援系统由智慧用电监控系统对电气火灾事故发出的警报开始,通过查看企业基本信息、重大危险源信息、企业周边环境信息、企业应急救援力量信息以及应急预案,确定救援方式、救援路径、救援方案等。
2. 3. 1事故响应
智慧用电监控系统能够在事故发生的初期发出警报,即使企业生产现场没有人员值班,也会发短信通知电气管理人员。在事故发生初期即发出警报,尽快开展应急救援行动,可阻止事故的扩大。
2. 3. 2应急支撑
在应急救援之前可以通过智慧用电监控系统查看企业基本信息、重大危险源周边环境、企业存储物料信息、企业电气情况信息、应急救护力量等信息,确定救援方案,并对事故后果进行模拟分析,预测事故危害范围,确定疏散范围和疏散路线。在应急救援的过程中,智慧用电监控系统为事故的应急救援提供辅助决策支持,帮助事故应急救援安全有效地进行,能够极大地降低事故的损失。
 
3.安科瑞安全用电云平台介绍
 
Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录,并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制,能上传数据、透传指令,并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析,为用户提供火灾隐患的相关数据,能够及早的发现问题并实施排查,避免火灾的发生。另一方面,云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务,提升了服务质量,对用户的长远发展具有战略意义。此外,该系统通过集中监控,使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控,主控端布置于城市消防大队,从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。
具体功能如下:
3.1安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
    3.2安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等,能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据,监管数据能保存十年以上。
    3.3手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本,能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫,便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
    3.4能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估,并随时展示电气安全运行分析报告。
    3.5监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准(GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》)的要求,并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
    3.6漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值,并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
 
4.安科瑞设备产品选型
4.1漏电火灾监控探测器
 
 
4.2故障电弧探测器
安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD,共有两种电流等级,可监测回路故障电弧的发生,并及时预警,提醒用户处理,防止电弧导致的火灾的发生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台,该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图:
 
4.3限流式保护器
安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1,有三种电流等级,可监测回路短路过载等故障信息,发生故障时预警和产生灭弧效果,防止电弧导致的火灾的发生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台,也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
以下是ASCP200-1的主要功能:
4.3.1短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流,当线路发生短路故障时,能在150微秒内实现快速限流保护,并发出声光报警信号。
4.3.2过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间(3…60秒可设)时,保护器启动限流保护,并发出声光报警信号。
4.3.3表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时,保护器启动超温限流保护,并发出声光报警信号。
4.3.4过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
4.3.5配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
4.3.6漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
4.3.7保护器具有1路RS485接口,1路2G无线通讯,可以将数据发送到后台监控系统,实现远程监控。
4.4剩余电流互感器
 
4.5AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块,该无线模块为安全用电云平台专用模块。
AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月,单个模块多可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟,如发生报警,会实时上传数据。
4.6温度传感器
 
温度传感器为一热敏电阻NTC,它提供0-120°的温度监控基准,可以用来监测线缆或配电箱体的温度,提供温度保护。
 
5.结 论 
(1)电气火灾的发生具有一定的隐蔽性,不容易被发现,一旦发生就容易造成极大的危害。
(2)智慧用电监控系统通过终端实时监控企业电气线路的参数,通过监控显示屏、手机、电脑图形化显示,电气参数异常超过所设定的阈值时,现场终端、监控显示屏、手机发出警报,实现了对电气火灾事故的预警与报警。
(3)智慧用电监控系统能够在电气火灾发生的早期进行预警,为事故的应急救援争取宝贵的时间,通过查看企业基本信息、周围环境信息与电气报警历史记录可以判断火灾类型,制定救援方案,选择合适的救援路线,尽可能地降低事故造成的损失。
 
【参考文献】
[1]司戈. 近五年我国电气火灾形势及特点分析[J]. 消防科学与技术,2014,33(5):569-572.
[2]赵 栋,刘 宏.智慧用电监控系统在电气火灾中的应用[J]. 消防科学与技术2018.12
[3]安科瑞安全用电管理云平台手册.2020.02版

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