张豪
(安科瑞电气股份有限公司，上海，201801)
摘 要：通过对石油化工企业电气火灾成因的分析,针对目前剩余电流检测与故障电弧检测手段在石油化工企业应用中存在的问题，提出一种智慧防火解决方案。通过对各类电气火灾隐患进行全面、集中监测，提高了电气火灾隐患检测的精度，从而达到避免电气火灾的目的。
关键词：电气火灾成因；电气火灾监控系统；石油化工；剩余电流；故障电弧；智慧防火；单相剩余电流分析；特殊波形分析
引言
近些年，电气火灾事故多发，在总体火灾中的占比居高不下。石油化工企业由于在生产加工过程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，在生产、使用、储存、运输、经营及废弃处置等过程中一旦发生火灾、爆炸等，不但导致生产停顿，设备损坏，也可能会造成重大人员伤亡和难以挽回的影响。
在此背景下，本文深入剖析石油化工企业电气火灾成因，特别是针对现有电气火灾监测与防护盲区，设计电气火灾全面监测、火灾隐患准确判断与及时告警的智慧防火解决方案，以期对石油化工企业电气火灾监控系统的设计应用提供有益的借鉴。
一 石油化工企业电气火灾原因分析
石油化工企业由于在生产加工过程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，不仅成为电气火灾的高发区，而且一旦发生火灾或爆炸， 将造成重大的人员伤亡和难以挽回的影响。
通过对近几年石化行业电气火灾事故进行统计分析，总结电气火灾的原因。
1.1 违规施工操作
如前所述，石油化工企业由于在生产加工过程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，多以液态或气态形式存在，易发生泄漏。因此，要求爆炸危险环境中的工艺设备及电器线路选用防爆型或经防爆处理。但是，个别企业在生产过程中不按设计要求执行，一旦产生可燃液体或气体泄漏，易发生电气火灾爆炸事故。
1.2 线路、设备老化、腐蚀等安全隐患
石化企业内，电力设施、电气设备种类繁多，且电气装置长年处于不间断生产中。在生产过程中，不仅会有易燃、易爆物质和酸碱腐蚀性物质产生，而且线路、设备侧铺设线路的绝缘老化、施工造成的绝缘破损，以及生产加工引起的线路电机设备内部的线路虚接，均可引起故障电弧，形成火灾隐患。
1.3 安全管理与监测不到位
有些化工企业对职工安全培训重视不够，防火安全责任制落实不到位对用火、用电、用气管理措施落实不到位，为化工企业安全生产埋下了事故隐患。同时，对于容易发生电气火灾的线路、设备未安装有效的监控，造成对电气火灾隐患发现处理不及时等问题。
1.4 季节性因素
化工企业电气火灾的发生伴随一定的季节性。电气火灾夏季多发，主要由于风吹雨淋，线路容易出现电弧击穿事故。露天安装的电气设备，也容易淋雨进水，使绝缘破损，而且夏季的高温也影响了电气设备工作的可靠性和寿命。
二 化工企业电气火灾防护要求及其问题
2.1 防护要求
GB50160-2008 《石油化工企业设计防火规范》明确提出：“石油化工企业的生产区、公用及辅助生产设施、全厂性重要设施和区域性重要设施的火灾危险场所应设置火灾自动报警系统和火灾电话报警”，并提出“火灾报警系统的设计，应按现行国家标准《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116）的有关规定执行”。
GB50116-2013 《火灾自动报警系统设计规范》9.1.1条条文说明指出：安装电气火灾监控系统，可有效监测电气火灾隐患，避免电气火灾的发生；同时，规范明确了防护方法及防护要求。
根据 GB14287.1-2014《电气火灾监控系统第1部分：电气火灾监控设备》，电气火灾监控系统指的是当被保护电气线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统，由电气火灾监控设备和电气火灾监控探测器组成。其中，电气火灾监控探测器能够探测被保护线路中的剩余电流、温度、故障电弧等电气火灾危险参数变化和由于电气故障引起的烟雾变化及可能引起电气火灾的静电、绝缘参数变化的探测器。
基于此，对于化工企业电气火灾的防护应安装24h不间断电气火灾监控系统，监测电气火灾隐患，当发生火灾隐患时及时报警，并通知监控室值班人员现场排查故障，从而达到避免电气火灾发生的目的。
2. 2 现有监控手段存在的问题
2.2.1 剩余电流监测的问题
石化行业在配电上的特点是存在大量三相电机类大功率负载，对于三相回路的剩余电流故障，传统的剩余电流检测方法是通过零序电流互感器进行采样，然后用门限值的方式进行故障判断。
而三相回路在计算过程中存在一个相线剩余电流故障相互抵消的问题。因为零序互感器计算的是三相剩余电流的相量和，L1、L2、L3相线存在的剩余电流会抵消一部分，最后总的剩余电流仅仅算出一部分值，这样大大降低了剩余电流的检测精度。
2.2.2 故障电弧监测的问题
故障电弧发生在线路的虚短、虚断过程中，在电流很小的线路（如视频线路）中都可能发生，发生时伴随着高温溅射，局部温度瞬时能达到6000℃。
现有的故障电弧探测器一般采用电限流速度快的固态开关器件，实现快速限流保护，计算公式如下：
通过计算确定电流过零点，然后对比过零点位置的电流平肩信息（即在一定时间段内电流值不变或变化范围很小，表现为平线的区域特征），通过数据变换，求得基波频域特征及时域特征。然后通过判断基波频域特征在50次之前的数据变化，对比变化率，确定电弧故障。在时域方面计算电流在过零点处的平肩宽度值及波形变化斜率比，通过dl/dt，求得稳定斜率，当超过一个特定门限值τ时，即可判断出故障电弧发生，τ值通过对不同负载电弧波形统计得出。图1
图1 所示为故障电弧典型电流波
图2 大功率照明设备与电机设备的波形图
如图2所示是一些负载运行的特征波形图，在非正弦波的特征中，存在平肩特征。
3 石化行业智慧防火系统设计与应用
3.1 总体方案
如前所述, 除了人为与季节性因素外，引起电气火灾的成因大致可以概括为线路中发生过载、短路、接触电阻过大、剩余电流过大、故障电弧等原因。
针对电气火灾的成因，提出一种智慧防火解决方案，通过检测线路中异常电流和物理量这两类方法来及时发现电气火灾隐患，通知工作人员检查并排除隐患，防止电气火灾的发生。同时防火系统搭建网络系统，将检测数据上传集中监控管理，及时预判异常、发现并快速排除隐患，真正做到电气火灾的预防, 同时保证用电的连续性。图3是智慧防火解决方案示意图。
图3 智慧防火解决方案示意图
在本方案中，采取每相剩余电流分别计算显示的方法，通过采样相位偏差及矢量值大小，计算得到每一相的剩余电流值大小，并在系统中分别显示，当任一相产生剩余电流增大故障时，都可以分别报警，提高了检测精度。 避免了由于相线剩余电流抵消造成的漏报警现象。
在本方案中，在前文所述计算电弧波形的方法下，加入特殊波形的判断，通过对波形的畸变率及变化特征比率进行对比，并计算负载电流变化的时域斜率特征变化特点，同时分析谐波变化特征值提升来区分电弧的发生。
下面结合实际案例进一步阐述剩余电流探测器与故障电弧探测器的应用。
3.2 剩余电流探测器的应用
以某炼油厂为例，在重要的动力、照明、插座、检修、空调等馈线回路均安装了剩余电流式电气火灾探测器 （如图4所示），此项目共安装剩余电流探测器500台。
图4 剩余电流探测器现场安装示例
此项目建设在南方沿海地区，气候条件变化比较大，环境潮湿，厂区温度普遍较高，环境因素对线路负载剩余电流的影响比较大。图5为一个线路剩余电流的值受到环境因素影响的曲线图，从图中可以看到在环境湿度变化的情况下，线路剩余电流值有显著增加。环境温度、湿度变化对剩余电流值的变化有很大影响，此差异直接影响了电气火灾探测器的防护精度。因此在此设置的剩余电流互感器，充分考虑了环境因素对剩余电流的影响。
图 5 湿度变化对线路设备剩余电流值的影响
此项目安装试用半年后，对客户使用情况进行了调查，调查数据如表1所示。
经过试用半年后的客户反馈，能够及时准确地发现线路、设备中的电气火灾隐患，并及时通知值班人员快速发现隐患加以排除，起到了一定的效果
表 1 剩余电流探测器现场故障分析表
3. 3 故障电弧探测器在石化行业的应用
某石化项目在重要的容易发生故障电弧的回路安装了故障电弧探测器，如空调回路、视频回路；考虑到设备电机回路为化工企业的主要电力回路，而且从变电室到设备端引线较长、不易监控的特点，因此在电机回路也安装了故障电弧探测器。
此项目安装限流式保护器用半年后，对客户使用情况进行了调查，调查数据如表1所示。经过试用半年后的客户反馈，能够及时准确地发现线路、设备中的电气火灾患，能够及时通知值班人员快速发现隐患并加以排除， 起到了一定的效果。
表 2 故障电弧统计分析表
图 6 现场故障电弧探测器安装方案图实例
4 安科瑞电气火灾监控系统
4.1 电气火灾监控系统的基本组成：
电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器等三种产品组成。电气火灾监控系统集监视、报警、控制、集中管理于一体，监控探测器一般挂接在总线上的支路上，接受主控制器的命令，并传送全部信息；主控制器处理接收来的数据，监测被探测电气线路的漏电电流、温度等参数的变化。当参数异常时剩余电流互感器、温度传感器等终端探测头对信息进行采集，并送到监控探测器中，超出设定值时即发出报警信号，同时输送到监控设备中，经进一步判定，当确认可能发生电气火灾时，监控主机发出火灾报警信号，报警指示灯亮，发出报警音响，并在液晶显示屏上显示报警信息，值班人员迅速进行检查处理。
4.2电气火灾监控系统的设计
Acrel-6000电气火灾监控系统采用分层分布、开放式结构设计，主要由监控设备、监控探测器等组成。监控设备能接收来自电气火灾监控探测器的报警信号，发出声光报警信号和控制信号，指示报警部位，记录并保存报警信息，是系统的管理中心。监控探测器探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数，并可直接将本地采集的信号处理为数字信号，通过标准通讯协议进行传输。提高了信号传输过程中的抗干扰能力，提升了系统的可靠性指标。
4.3 电气火灾监控探测器选型表
5 安科瑞故障电弧探测器
故障电弧探测器（以下简称探测器）对接入线路中的故障电弧（包括故障并联电弧、故障串联电弧）进行有效的检测，当检测到线路中存在引起火灾的故障电弧时，可以进行现场的声光报警，并将报警信息传输给上端监控设备，以实现预警火灾发生的目的。
故障电弧探测器选型表
6 结论 石油化工企业电气火灾防范是系统工程，除了提高安全意识与防火管理外，还需要安装电气火灾监控系统， 对剩余电流、温度、故障电弧等进行全面、集中监测。
本文针对目前电气火灾隐患检测手段在石化应用中的局限性，提出一种智慧防火解决方案，不仅对各类电气火灾隐患进行全面与集中监测，而且通过每相剩余电流的分析，以及特殊波形的分析，提高了电气火灾隐患检测的精度， 并通过及时告警达到避免电气火灾的目的，在实际应用过程中效果良好。
参考文献：
［1］王忠康．化工生产的防火安全［M］.上海：上海科学技术出版社，1989．
［2］马颖 刘沛雨．电气火灾监控系统在石油化工行业的应用［J］建筑电气.2019.11
［3］安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：张豪，男 本科 安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为电气火灾监控。手机：13671610249(微信同号)，Email:3008035224@qq.com，QQ:3008035224
