微秒級快速限流技術(shù)在電氣防火領(lǐng)域中的應(yīng)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(shè)備對用戶現(xiàn)場的電氣線路進行監(jiān)測、報警和控制，然而，對于造成電氣火災(zāi)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)生時會在極短時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百甚至數(shù)千安培的電流，使得電氣線路迅速發(fā)熱、短路點產(chǎn)生危險火花從而引發(fā)火災(zāi)?，F(xiàn)有的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的分斷機構(gòu)普遍采用電磁脫扣式斷路器，其分斷時間一般在毫秒級甚至更長，當短路故障發(fā)生時，盡管監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測到短路故障的發(fā)生，但由于執(zhí)行分斷指令的時間過長，瞬時劇增的短路電流來不及即刻得到抑制，使得短路電流仍會上升到峰值，從而造成發(fā)熱與電弧的出現(xiàn)，引發(fā)火災(zāi)。另外，斷路器的機械觸點在開關(guān)動作時會產(chǎn)生抖動和飛弧，這會加劇觸點表面氧化，、使得觸點電阻增大而發(fā)生接觸不良，出現(xiàn)飛弧、燒蝕觸點甚至熔融等導(dǎo)致斷路器失效。由此可見，現(xiàn)有火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對于電氣短路故障，只能做到實時監(jiān)測與報警，無法快速限制短路電流的劇增，很有可能造成電氣火災(zāi)的發(fā)生。

若要有效避免因短路故障所引發(fā)火災(zāi)，其關(guān)鍵措施就是要實現(xiàn)快速限流，即系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)能力。當電氣線路發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)監(jiān)測到短路電流超過額定電流的數(shù)倍，并在極短的時間內(nèi)快速實現(xiàn)限流分斷，使得短路電流不再劇增，因而電線不再發(fā)熱，短路點也不會噴發(fā)危險火花和金屬粒子，從而減小發(fā)生火災(zāi)的可能性。

圖1  短路限流控制能量比較

想要實現(xiàn)快速限流，理論上希望系統(tǒng)的響應(yīng)時間越短越好，因此不能使用慢速的機電式斷路器作為限流分斷開關(guān)，而應(yīng)采用響應(yīng)迅速的固態(tài)開關(guān)，當前的技術(shù)可以做到系統(tǒng)響應(yīng)時間＜150μs，即系統(tǒng)能在150μs內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，使得短路時的瞬時電流被限制在設(shè)備設(shè)定的整定值以內(nèi)，釋放的能量遠小于傳統(tǒng)的機電保護方式，有效抑制短路點可能出現(xiàn)的危險電火花。

將微秒級快速限流技術(shù)與傳統(tǒng)斷路器的防火監(jiān)控設(shè)備進行限流分斷比較，短路故障發(fā)生前后的能量與時間關(guān)系示意圖如圖1所示。圖中a點為發(fā)生短路故障的時間點，傳統(tǒng)設(shè)備由于斷路器執(zhí)行時間過長，短路電流瞬時劇增到c點，直至到d點才分斷結(jié)束，期間所積聚的能量（即斜線部分面積）巨大，易產(chǎn)生電氣火花而引發(fā)火災(zāi)；使用微秒級快速限流技術(shù)后，當發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)能在150μs內(nèi)快速執(zhí)行限流保護，使得短路電流被限制在正常工作電流的數(shù)倍即b點時就被限流分斷至e點結(jié)束。顯然，應(yīng)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(nèi)首創(chuàng)的“電氣防火限流式保護器”（以下簡稱“保護器”），能夠?qū)﹄姎舛搪冯娏鲗崿F(xiàn)快速限流保護，該項技術(shù)填補了國內(nèi)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)明專利的授權(quán)。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”,通過了公安部專家驗收，并獲得公安部科技進步三等獎。 公司以第一參編單位參與編制國家標準GB14287.6《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第6部分：電氣防火限流式保護器》,現(xiàn)已進入正式報批程序。

用于電氣防火領(lǐng)域的快速限流技術(shù)經(jīng)中科院上?？萍疾樾伦稍冎行臋z索后的分析結(jié)論為：“......未見到國內(nèi)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應(yīng)用價值，屬國內(nèi)領(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(tǒng)的設(shè)計提出了全新的要求，主要集中在如何實現(xiàn)“快速”這個目標上，這就要求保護器系統(tǒng)檢測電流速度要快、系統(tǒng)處理速度要快、限流分斷開關(guān)速度要快。  

圖2所示的電氣防火限流式保護器系統(tǒng)框圖由以下幾個單元構(gòu)成：電流互感器、檢測單元、溫度傳感器、主控開關(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路上的電流I轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之大小相對應(yīng)的信號，其感應(yīng)精度和穩(wěn)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)由電流互感器傳來的用電回路的實時電流信號，經(jīng)檢測單元預(yù)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(nèi)工作溫度信號也由檢測單元2轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,送至微處理器單元進行處理。

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、溫度值進行快速計算和分析，根據(jù)電流的大小，分別與整定值進行比較，區(qū)分出此時主回路電流I是過載電流還是短路電流，判斷是否出現(xiàn)超溫故障。根據(jù)程序設(shè)計的指令要求，分別執(zhí)行短路故障快速分斷、超負荷過電流限流保護以及超溫保護。與此同時，微處理器單元能夠控制報警單元發(fā)出聲光報警信號，通過通信單元實現(xiàn)遠程聯(lián)機通信。

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

通信單元主要受微處理器單元的控制，通過RS-485數(shù)據(jù)接口電路實現(xiàn)與上位機的遠程通信。可將各個保護器的數(shù)據(jù)存入到監(jiān)控電腦的數(shù)據(jù)庫中，并實時顯示各個保護器的工作狀態(tài)、故障發(fā)生位置、故障類型和故障時間，還能進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的統(tǒng)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，能夠發(fā)出聲光報警信號。

3 微妙級快速限流技術(shù)的應(yīng)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(tǒng)組成如圖3所示。

圖3  電氣防火限流式保護器系統(tǒng)組成示意圖

3.1 產(chǎn)品功能

微秒級短路限流保護功能：能實時檢測用電線路的電流，發(fā)生短路故障時能在150μs內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，有效抑制因短路電流過大所引起的電氣火災(zāi)危害。

過載限流保護功能：當被保護線路的電流超過額定電流處于過載狀態(tài)、且過載持續(xù)時間超過設(shè)定時間（3~60s）時，保護器即可執(zhí)行過載報警或限流保護。

超溫保護功能：當保護器工作環(huán)境溫度或機內(nèi)元件溫度超過設(shè)定溫度值時，保護器即可執(zhí)行超溫保護功能。

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

數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能：保護器內(nèi)置遠程計算機數(shù)據(jù)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)，實現(xiàn)計算機實時監(jiān)控、統(tǒng)計查詢與追溯功能。

3.2 適用范圍

電氣防火限流式保護器使用時應(yīng)串接在電力分路開關(guān)后的用電線路中，可以應(yīng)用于各種易發(fā)生電氣火災(zāi)的場所，如學校、醫(yī)院、古建筑、賓館、娛樂場所、商品市場、倉庫及工廠。亦可作為石油、化工、汽車等領(lǐng)域的電氣防火延伸應(yīng)用。

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

公司參與編制的“上海市工程建設(shè)規(guī)范 - 民用建筑電氣防火設(shè)計規(guī)程”中第5.4.1條規(guī)定：“租售式商場商鋪、批發(fā)市場、集貿(mào)市場、甲乙丙類危險品倉庫和廠房等場所的末端配電箱應(yīng)設(shè)置電氣防火限流式保護器。電動車充電站、學生宿舍及養(yǎng)老院等場所的末端配電箱宜設(shè)置電氣防火限流式保護器?！痹撘?guī)程已經(jīng)通過審定，進入正式報批頒布程序。

3.3 工程案例

上海世博會場館：產(chǎn)品安裝在上海世博會中國館、主題館、足跡館、阿爾及利亞館等十余場館。展會期間，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路短路。

上海商學院：上海商學院先后在中山西路校區(qū)和奉賢校區(qū)的學生宿舍樓安裝了700余臺電氣防火限流式保護器，開通運行4年多來，沒有發(fā)生過因電氣線路故障引發(fā)的事故，有效保護了學生宿舍的用電安全。

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

上海宇培物流公司：倉庫電氣線路因下雨電線管線進水造成電氣短路故障，需快速實施限流保護，及時查明故障原因。

上海黃浦區(qū)田子坊商業(yè)區(qū)：上海田子坊商業(yè)區(qū)屬于老式石庫門舊里改造商區(qū)，住房密度高，弄堂道路狹窄，木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋陳舊，商區(qū)內(nèi)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(qū)：孔府、孔廟、孔林景區(qū)屬于國家級古建筑保護單位。

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

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

電氣防火限流保護器自研發(fā)生產(chǎn)以來，共計安裝使用上萬臺，經(jīng)過五年多的實際應(yīng)用，到目前為止，排除了多起電氣火災(zāi)隱患，在所安裝的電氣回路中，至今未發(fā)生一起電氣火災(zāi)事故，受到使用單位的廣泛贊揚和極高的評價。該產(chǎn)品對于有效地預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生、減少火災(zāi)危害、保障人身財產(chǎn)安全、維護社會和諧穩(wěn)定發(fā)揮了十分重要的作用。