摘 要：通過對石油化工企業(yè)電氣火災成因的分析,針對目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，提出一種智慧防火解決方案。通過對各類電氣火災隱患進行全面、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；故障電弧；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)由于在生產加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，在生產、使用、儲存、運輸、經營及廢棄處置等過程中一旦發(fā)生火災、爆炸等，不但導致生產停頓，設備損壞，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)，設計電氣火災全面監(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)的設計應用提供有益的借鑒。
一 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)，而且一旦發(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，總結電氣火災的原因。

1.1 違規(guī)施工操作
如所述，石油化工企業(yè)由于在生產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)境中的工藝設備及電器線路選用防爆型或經防爆處理。但是，個別企業(yè)在生產過程中不按設計要求執(zhí)行，一旦產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、設備老化、腐蝕等安全隱患
石化企業(yè)內，電力設施、電氣設備種類繁多，且電氣裝置長年處于不間斷生產中。在生產過程中，不僅會有易燃、易爆物質和酸堿腐蝕性物質產生，而且線路、設備側鋪設線路的絕緣老化、施工造成的絕緣破損，以及生產加工引起的線路電機設備內部的線路虛接，均可引起故障電弧，形成極大的火災隱患。

1.3 安全管理與監(jiān)測不到位
有些化工企業(yè)對職工安全培訓重視不夠，防火安全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)安全生產埋下了事故隱患。同時，對于容易發(fā)生電氣火災的線路、設備未安裝有效的監(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)生伴隨一定的季節(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)設計防火規(guī)范》明確提出：“石油化工企業(yè)的生產區(qū)、公用及輔助生產設施、全廠性重要設施和區(qū)域性重要設施的火災危險場所應設置火災自動報警系統(tǒng)和火災報警”，并提出“火災報警系統(tǒng)的設計，應按現(xiàn)行國家標準《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50116）的有關規(guī)定執(zhí)行”。
GB50116-2013 《火災自動報警系統(tǒng)設計規(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零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一個相線剩余電流故障相互抵消的問題。因為零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一部分，后總的剩余電流僅僅算出一部分值，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一般采用電限流速度快的固態(tài)開關器件，實現(xiàn)快速限流保護，計算公式如下：
 
通過計算確定電流過零點，然后對比過零點位置的電流平肩信息（即在一定時間段內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零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，當超過一個特定門限值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2 大功率照明設備與電機設備的波形圖
 

如圖2所示是一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)設計與應用
3.1 總體方案
如所述, 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，提出一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)搭建網絡系統(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，計算得到每一相的剩余電流值大小，并在系統(tǒng)中分別顯示，當任一相產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。
下面結合實際案例進一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、空調等饋線回路均安裝了剩余電流式電氣火災探測器 （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為一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火災探測器的防護精度。因此在此設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查，調查數(shù)據(jù)如表1所示。

經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，起到了一定的效果
 
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，如空調回路、視頻回路；考慮到設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查，調查數(shù)據(jù)如表1所示。經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， 起到了一定的效果。
 
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、集中管理于一體，監(jiān)控探測器一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，超出設定值時即發(fā)出報警信號，同時輸送到監(jiān)控設備中，經進一步判定，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)的設計
Acrel-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式結構設計，主要由監(jiān)控設備、監(jiān)控探測器等組成。監(jiān)控設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)的管理中心。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)電弧）進行有效的檢測，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  結論
石油化工企業(yè)電氣火災防范是系統(tǒng)工程，除了提高安全意識與防火管理外，還需要安裝電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)， 對剩余電流、溫度、故障電弧等進行全面、集中監(jiān)測。
本文針對目電氣火災隱患檢測手段在石化應用中的局限性，提出一種智慧防火解決方案，不僅對各類電氣火災隱患進行全面與集中監(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)微電網設計與應用手冊.2019.11版