微秒級快速限流技術(shù)在電氣防火領(lǐng)域中的應用

1 快速限流的必要性

在電氣防火領(lǐng)域，雖然目前已普遍采用智能化電子設備對用戶(hù)現場(chǎng)的電氣線(xiàn)路進(jìn)行監測、報警和控制，然而，對于造成電氣火災危害最嚴重的電路短路故障卻始終缺乏有效的限流保護手段。電氣短路故障發(fā)生時(shí)會(huì )在極短時(shí)間內產(chǎn)生數百甚至數千安培的電流，使得電氣線(xiàn)路迅速發(fā)熱、短路點(diǎn)產(chǎn)生危險火花從而引發(fā)火災?，F有的電氣火災監控設備的分斷機構普遍采用電磁脫扣式斷路器，其分斷時(shí)間一般在毫秒級甚至更長(cháng)，當短路故障發(fā)生時(shí)，盡管監控系統能夠實(shí)時(shí)檢測到短路故障的發(fā)生，但由于執行分斷指令的時(shí)間過(guò)長(cháng)，瞬時(shí)劇增的短路電流來(lái)不及即刻得到抑制，使得短路電流仍會(huì )上升到峰值，從而造成發(fā)熱與電弧的出現，引發(fā)火災。另外，斷路器的機械觸點(diǎn)在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)和飛弧，這會(huì )加劇觸點(diǎn)表面氧化，、使得觸點(diǎn)電阻增大而發(fā)生接觸不良，出現飛弧、燒蝕觸點(diǎn)甚至熔融等導致斷路器失效。由此可見(jiàn)，現有火災監控系統對于電氣短路故障，只能做到實(shí)時(shí)監測與報警，無(wú)法快速限制短路電流的劇增，很有可能造成電氣火災的發(fā)生。

若要有效避免因短路故障所引發(fā)火災，其關(guān)鍵措施就是要實(shí)現快速限流，即系統應具有快速響應能力。當電氣線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，系統監測到短路電流超過(guò)額定電流的數倍，并在極短的時(shí)間內快速實(shí)現限流分斷，使得短路電流不再劇增，因而電線(xiàn)不再發(fā)熱，短路點(diǎn)也不會(huì )噴發(fā)危險火花和金屬粒子，從而減小發(fā)生火災的可能性。

圖1  短路限流控制能量比較

想要實(shí)現快速限流，理論上希望系統的響應時(shí)間越短越好，因此不能使用慢速的機電式斷路器作為限流分斷開(kāi)關(guān)，而應采用響應迅速的固態(tài)開(kāi)關(guān)，當前的技術(shù)可以做到系統響應時(shí)間＜150μs，即系統能在150μs內實(shí)現快速限流保護，使得短路時(shí)的瞬時(shí)電流被限制在設備設定的整定值以?xún)?，釋放的能量遠小于傳統的機電保護方式，有效抑制短路點(diǎn)可能出現的危險電火花。

將微秒級快速限流技術(shù)與傳統斷路器的防火監控設備進(jìn)行限流分斷比較，短路故障發(fā)生前后的能量與時(shí)間關(guān)系示意圖如圖1所示。圖中a點(diǎn)為發(fā)生短路故障的時(shí)間點(diǎn)，傳統設備由于斷路器執行時(shí)間過(guò)長(cháng)，短路電流瞬時(shí)劇增到c點(diǎn)，直至到d點(diǎn)才分斷結束，期間所積聚的能量（即斜線(xiàn)部分面積）巨大，易產(chǎn)生電氣火花而引發(fā)火災；使用微秒級快速限流技術(shù)后，當發(fā)生短路故障時(shí)，系統能在150μs內快速執行限流保護，使得短路電流被限制在正常工作電流的數倍即b點(diǎn)時(shí)就被限流分斷至e點(diǎn)結束。顯然，應用微秒級快速限流技術(shù)可有效減少短路故障釋放的能量，短路點(diǎn)也不易產(chǎn)生危險火花。

**公司在快速限流保護技術(shù)方面獲得突破性創(chuàng )新, 成功研發(fā)國內首創(chuàng )的“電氣防火限流式保護器”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“保護器”），能夠對電氣短路電流實(shí)現快速限流保護，該項技術(shù)填補了國內電氣防火領(lǐng)域快速限流技術(shù)的空白，已經(jīng)獲得國家發(fā)明專(zhuān)利的授權。公司與浙江省公安消防總隊合作承擔公安部消防局的科研計劃“電氣防火限流式保護器”,通過(guò)了公安部專(zhuān)家驗收，并獲得公安部科技進(jìn)步三等獎。 公司以第一參編單位參與編制國家標準GB14287.6《電氣火災監控系統 第6部分：電氣防火限流式保護器》,現已進(jìn)入正式報批程序。

用于電氣防火領(lǐng)域的快速限流技術(shù)經(jīng)中科院上?？萍疾樾伦稍?xún)中心檢索后的分析結論為：“......未見(jiàn)到國內外有此‘電氣防火限流式保護器’相關(guān)報道。因此，該項目具有新穎性和良好的市場(chǎng)應用價(jià)值，屬?lài)鴥阮I(lǐng)先水平”。

2 微妙級快速限流技術(shù)原理

微秒級快速限流技術(shù)對電氣防火限流式保護器系統的設計提出了全新的要求，主要集中在如何實(shí)現“快速”這個(gè)目標上，這就要求保護器系統檢測電流速度要快、系統處理速度要快、限流分斷開(kāi)關(guān)速度要快。  

圖2所示的電氣防火限流式保護器系統框圖由以下幾個(gè)單元構成：電流互感器、檢測單元、溫度傳感器、主控開(kāi)關(guān)、微處理器單元、通信單元、報警單元以及輔助電源單元。

圖2 電路工作原理方框圖

電流互感器將電氣線(xiàn)路上的電流I轉變?yōu)榕c之大小相對應的信號，其感應精度和穩定度保證了交流電流有效值的測量精度。

檢測單元具有高靈敏度與高速檢測功能，負責采集經(jīng)由電流互感器傳來(lái)的用電回路的實(shí)時(shí)電流信號，經(jīng)檢測單元預處理后送至微處理器。另外,由溫度傳感器采集到的環(huán)境與機內工作溫度信號也由檢測單元2轉化為數字信號,送至微處理器單元進(jìn)行處理。

微處理器單元選用具有高速處理能力的高性能微處理器，將采集到的電流值、溫度值進(jìn)行快速計算和分析，根據電流的大小，分別與整定值進(jìn)行比較，區分出此時(shí)主回路電流I是過(guò)載電流還是短路電流，判斷是否出現超溫故障。根據程序設計的指令要求，分別執行短路故障快速分斷、超負荷過(guò)電流限流保護以及超溫保護。與此同時(shí)，微處理器單元能夠控制報警單元發(fā)出聲光報警信號，通過(guò)通信單元實(shí)現遠程聯(lián)機通信。

主控開(kāi)關(guān)采用高性能的絕緣柵功率場(chǎng)效應管組成交流電子式固態(tài)開(kāi)關(guān)電路，由微處理器控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成主控開(kāi)關(guān)的導通和截止。該主控開(kāi)關(guān)單元具有通斷速度快、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、導通狀態(tài)管壓低、開(kāi)關(guān)壽命長(cháng)、易于電流擴展等優(yōu)點(diǎn)。

通信單元主要受微處理器單元的控制，通過(guò)RS-485數據接口電路實(shí)現與上位機的遠程通信?？蓪⒏鱾€(gè)保護器的數據存入到監控電腦的數據庫中，并實(shí)時(shí)顯示各個(gè)保護器的工作狀態(tài)、故障發(fā)生位置、故障類(lèi)型和故障時(shí)間，還能進(jìn)行監控數據的統計、分析、存儲和追溯。

報警單元受微處理器單元的控制，當檢測到故障發(fā)生時(shí)，能夠發(fā)出聲光報警信號。

3 微妙級快速限流技術(shù)的應用

新一代智能化的產(chǎn)品“電氣防火限流式保護器”，目前已經(jīng)形成單相10、20、32、63A 和三相45A等系列產(chǎn)品。產(chǎn)品的系統組成如圖3所示。

圖3  電氣防火限流式保護器系統組成示意圖

3.1 產(chǎn)品功能

微秒級短路限流保護功能：能實(shí)時(shí)檢測用電線(xiàn)路的電流，發(fā)生短路故障時(shí)能在150μs內實(shí)現快速限流保護，有效抑制因短路電流過(guò)大所引起的電氣火災危害。

過(guò)載限流保護功能：當被保護線(xiàn)路的電流超過(guò)額定電流處于過(guò)載狀態(tài)、且過(guò)載持續時(shí)間超過(guò)設定時(shí)間（3~60s）時(shí)，保護器即可執行過(guò)載報警或限流保護。

超溫保護功能：當保護器工作環(huán)境溫度或機內元件溫度超過(guò)設定溫度值時(shí)，保護器即可執行超溫保護功能。

聲光報警指示功能：保護器執行限流保護時(shí)，能發(fā)出聲光報警指示。

數據聯(lián)網(wǎng)功能：保護器內置遠程計算機數據接口，符合RS-485接口協(xié)議，可以將多臺保護器與計算機聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現計算機實(shí)時(shí)監控、統計查詢(xún)與追溯功能。

3.2 適用范圍

電氣防火限流式保護器使用時(shí)應串接在電力分路開(kāi)關(guān)后的用電線(xiàn)路中，可以應用于各種易發(fā)生電氣火災的場(chǎng)所，如學(xué)校、醫院、古建筑、賓館、娛樂(lè )場(chǎng)所、商品市場(chǎng)、倉庫及工廠(chǎng)。亦可作為石油、化工、汽車(chē)等領(lǐng)域的電氣防火延伸應用。

北京市地方標準已經(jīng)在DB11/791-2011《文物建筑消防設施設置規范》中明確規定，文物建筑中重要用電設備的電源接入處宜設置限流式斷電保護器。

公司參與編制的“上海市工程建設規范 - 民用建筑電氣防火設計規程”中第5.4.1條規定：“租售式商場(chǎng)商鋪、批發(fā)市場(chǎng)、集貿市場(chǎng)、甲乙丙類(lèi)危險品倉庫和廠(chǎng)房等場(chǎng)所的末端配電箱應設置電氣防火限流式保護器。電動(dòng)車(chē)充電站、學(xué)生宿舍及養老院等場(chǎng)所的末端配電箱宜設置電氣防火限流式保護器?！痹撘幊桃呀?jīng)通過(guò)審定，進(jìn)入正式報批頒布程序。

3.3 工程案例

上海世博會(huì )場(chǎng)館：產(chǎn)品安裝在上海世博會(huì )中國館、主題館、足跡館、阿爾及利亞館等十余場(chǎng)館。展會(huì )期間，多次發(fā)生超負荷故障以及因國外電源插頭不匹配造成的線(xiàn)路短路。

上海商學(xué)院：上海商學(xué)院先后在中山西路校區和奉賢校區的學(xué)生宿舍樓安裝了700余臺電氣防火限流式保護器，開(kāi)通運行4年多來(lái)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)因電氣線(xiàn)路故障引發(fā)的事故，有效保護了學(xué)生宿舍的用電安全。

上海豫園商城：商城曾多次因室外景觀(guān)燈線(xiàn)路受潮、老化等原因引起線(xiàn)路短路、打火，造成電氣線(xiàn)路故障。

上海宇培物流公司：倉庫電氣線(xiàn)路因下雨電線(xiàn)管線(xiàn)進(jìn)水造成電氣短路故障，需快速實(shí)施限流保護，及時(shí)查明故障原因。

上海黃浦區田子坊商業(yè)區：上海田子坊商業(yè)區屬于老式石庫門(mén)舊里改造商區，住房密度高，弄堂道路狹窄，木質(zhì)結構房屋陳舊，商區內又有多家餐飲店，消防防控難度較大。

山東曲阜孔府、孔廟、孔林景區：孔府、孔廟、孔林景區屬于國家級古建筑保護單位。

浙江普陀山景區：浙江普陀山景區寺廟周邊民居、商店、旅館亂拉亂接電線(xiàn)嚴重，線(xiàn)路老舊，存在多處電氣火災隱患。

以上工程案例各自具有顯著(zhù)的電氣特點(diǎn)，“電器防火限流保護器”的應用降低了火災發(fā)生的可能性，得到用戶(hù)的一致好評。

電氣防火限流保護器自研發(fā)生產(chǎn)以來(lái)，共計安裝使用上萬(wàn)臺，經(jīng)過(guò)五年多的實(shí)際應用，到目前為止，排除了多起電氣火災隱患，在所安裝的電氣回路中，至今未發(fā)生一起電氣火災事故，受到使用單位的廣泛贊揚和極高的評價(jià)。該產(chǎn)品對于有效地預防電氣火災的發(fā)生、減少火災危害、保障人身財產(chǎn)安全、維護社會(huì )和諧穩定發(fā)揮了十分重要的作用。