淺析物聯網技術在電氣火災系統中的應用

摘要：分析電氣火災的成因和特性，針對電氣火災防控的難點，提出物聯網技術與傳統電氣火災監控技術相結合的解決方案，即電氣火災智能運維管控系統，介紹系統軟件和硬件建設。結合在長沙某商業項目中的應用，分析安裝電氣火災智能運維管控系統的效用。
關鍵詞：電氣火災；物聯網技術；電氣火災監控
1引言
       近年來，我電氣火災事故多發，造成了重大人員傷亡和財產損失。據統計，2011-2017年，我共發生電氣火災事故64.1萬起，造成3832人死亡、2398人受傷，直接經濟損失達101.1億余元，均占全火災總量及傷亡損失的33%以上。其中，特別重大電氣火災17起，占特別重大火災總數的70%。筆者探討物聯網技術在電氣防火中的應用，提出物聯網技術與傳統電氣火災監控技術相結合的解決方案。
2電氣火災的特點
2.1電氣火災的起火原因
       電氣火災般是指因電氣線路、用電設備和器具以及供配電設備出現故障性釋放的熱能，在具備燃燒條件下引燃本體或者其他而造成的火災。根據中電氣防火委員會的統計數據，漏電、過載、短路、接觸導致的線纜溫度過熱等原因引起的火災，占電氣火災起火原因的90%以上。
2.2電氣火災的特性
       （1）隱蔽性強。漏電與短路等電氣故障多發生在電器設備內部或電線的交叉部位，電氣起火的初部位隱蔽性強，通常在火災已形成并發展成明火后才被發現。
       （2）燃燒速度快。電纜著火時，因短路或過流時的電線溫度很高，導致火焰沿電線燃燒的速度，借助或其他助燃物質，會使燃燒速度進步。
       （3）撲救困難。電線或電氣設備著火時般在其內部，看不到起火點，且不能用水來撲救，故帶電的電線著火時不易撲救。此外，配電線路復雜，造成火災線路擴展，給火災撲救帶來更大難度。
       （4）危害性大。電氣火災不僅會導致電氣設備的損壞，還會殃及電力設備分布路徑周邊設施，對周邊設施造成危害，使火災范圍擴大，威脅人身安全。另外，電氣火災也會引發其他重要用電設備（如電梯、應急照明燈等）的斷電，帶來不可預計的損失。
2.3.當預防電氣火災的難點
       （1）故障不及時，無自動巡查，發現隱患慢。
       （2）隱情位置難以把握，不知何處存在電氣隱患，事故災情損失嚴重。
       （3）無云端數據支撐，火災原因難以定位。
       （4）電氣防火技術匱乏，維護管理不到位，無隊伍，電氣隱患難以排查。
2.4電氣火災檢測設備的發展
       電氣火災檢測設備大致經歷了保險絲熔斷器→空氣開關/漏電開關→傳統電氣火災監控系統的發展歷程。保險絲熔斷器、空氣開關提供短路和過載保護，漏電開關可以提供漏電保護，組合式的空漏開關提供了上述三種保護功能。傳統漏電開關、空氣開關的主要在于：
       （1）傳統開關均采用機械式被動保護，很難主動從根源上杜絕火災的形成，沒有智能監控電氣線路配置，當電氣線路出現故障之后才做出滯后的功能反應。
       （2）傳統開關普遍只具備短路、漏電以及過電流保護，當線路出現過載、過壓、欠壓、誤合閘等其他問題時，很難快速切斷供電，容易引發火災等事故。
       （3）保護動作速度慢、準確性差，傳統開關因采用機械式偏心移位分斷電源，分斷速度慢，且工作中的劇烈震動易導致元器件失靈，會造成靈敏度降低。
       （4）不具備消防聯動和遠程監控功能，撲救奔赴現場，跟不上現代智能管理的要求。
3物聯網與傳統電氣火災監控技術相結合的解決方案
       鑒于當用電安全監測的難點，需要種成熟的、的用電安全監管工具實時“在線”提醒或者通知安全管理人員，且能夠根據段時間的歷史數據對建筑物的用電情況進行的分析，評估用電風險，從而大幅度降低火災發生的幾率，進而避免火災尤其是電氣火災的發生。筆者提出物聯網技術與傳統電氣火災監控技術相結合的解決方案，由系統平臺和相關硬件設備組成。
3.1系統平臺
       系統平臺是電氣火災智能運維管控系統的軟件，具備以下特點：
       （1）方便使用。系統采用B/S結構網站方式設計和建設，配合移動客戶端，使系統所有用戶和管理部門的相關人員在任何地點、任何時間都可以通過Internet訪問系統，查看和操作相應權限內的內容信息，用戶也可通過在智能手機上實現系統登錄訪問。
       （2）實時應用。系統可實時監控采集剩余電流、電流、溫度等數據，對超過閾值的數據進行即時，并通過短信、郵件、電話等方式通知相關用戶，用戶也可以查看相應的歷史數據。
       （3）可靠的數據管理與分析。系統對采集的原始數據和應用數據進行分類存儲和管理，對數據的完整性、正確性進行檢查和分析，提供數據異常事件記錄和功能，保證原始數據的性和真實性，提供完備的數據備份和恢復機制。
       （4）開放與兼容。系統采用分層架構，模塊化結構和低耦合設計，在各個應用環節實現系統的開放性和兼容性，為三方既有系統的接入和設備的集成提供相應的軟硬件接口和協議轉換。
       （5）應用控制安全。系統對用戶數據進行高等級加密，系統中的設備、服務都按用戶的權限來配置重要的控制功能，只有授權的用戶才可以訪問其權限對應的內容，支持用戶的分級分權限登錄訪問，保證了系統的訪問安全和數據安全。
       （6）動態擴展。系統可根據需要隨時增加用電安全智能傳感終端。服務平臺可在不停止服務的情況下，動態加入新的存儲節點，平滑實現后臺數據中心的擴容升級。
3.2.硬件設備
       （1）電氣火災監控探測器。多傳感器組合式電氣火災監控探測器能同時監測被保護線路中的剩余電流值和溫度變化。由于電氣線路的超負荷、短路也是引起電氣火災的關鍵因素之，故增加了電流（負荷）的監控；為了能夠同時兼容探測220V及380V電路，還采用了拓展功能，大能實現路漏電、三路電流、四路溫度的監控。
       （2）剩余電流傳感器。剩余電流互感器用來測量被保護線路中剩余電流值的變化。剩余電流傳感器有圓形和方形兩種（開口式、閉口式）類型，圓形用于配電線路是電纜的環境，方形用于配電線路是銅排的環境。開口式剩余電流傳感器能夠不斷電安裝，不影響用戶的正常用電。安裝時，監控回路的零線火線同時同向穿過剩余電流傳感器，地線不能穿過剩余電流傳感器。
       （3）電流傳感器。電流互感器測量被保護線路中電流變化，般有開口式、閉口式兩種型式。開口式用于在用的建筑；閉口式用于新建的建筑，在做配電箱時裝到監控回路上。安裝時，每條火線單獨穿過電流傳感器。
       （4）測溫傳感器。熱敏電阻或紅外測溫等原件組成的傳感器用來測量被保護線路中溫度的變化。安裝時，用絕緣耐高溫的扎帶固定在火線與斷路器的輸出端，同時還需在配電箱/柜安裝個環境溫度的測溫傳感器。
       （5）無線傳輸模塊。無線傳輸模塊用于探測器到云平臺直接通信傳輸的連接。其類型有GPRS、NB、LORA等；采用RVS21.0mm2的雙絞線與探測器連接。1個無線傳輸模塊可以同時傳輸4個探測器32個通道的數據；與傳統的1個無線傳輸模塊只能連接1個探測器，傳輸8個通道的數據相比，節省了50%的費用。
4實際應用
       根據上述方案，研發了基于物聯網技術的電氣火災智能運維管控系統，并成功應用于湖南省長沙市某商業項目的電氣火災監控。該項目位于湖南省長沙市岳麓區梅溪湖新城核心，占地面積近200100m2，規劃總建筑面積60萬m2，總投資40億元，是集20萬m2大型美式Shoppingmall、時尚居廣場、情景式時尚街區、酒店、公寓、寫字樓、住宅等商業形態于體的城市綜合體，是電氣火災監控的和難點單位。
4.1針對性考慮
       了使安裝在該商業項目中的電氣火災智能運維管控系統能夠可靠工作，從以下方面做了設計改進。
       （1）降額設計。所有電路元器件均按滿額的70%以下降額使用，以增強系統對本身動態環境的適應性及對使用環境的耐沖擊能力。
       （2）容錯設計。在數據通信、處理及存貯中，采用的容錯技術，迅速糾正偶然錯誤，保證數據的正確無誤。
       （3）標準化設計。完成了軟件接口、電氣安全、模塊電路、工程施工等設計的標準化。通過以上技術改進，保證了該商業項目的電氣火災智能運維管控系統以更高的安全等級行。
4.2應用分析
       系統應用在20萬m2大型美式Shoppingmall的店鋪的配電系統中，配電系統為TN-C-S系統，為三相五線制、結構，用電末端安裝帶漏電單相雙空氣開關，系統在每個監控點（配電箱/柜）采用ST-D134系列電氣火災監控探測器，1個剩余電流傳感器（圓形、方形）、3個電流傳感器、4個溫度傳感器，通過無線傳輸模塊上傳電氣安全數據到云平臺上，共需要79臺ST-D監控探測器、237個ST-DA電流互感器、316個ST-W溫度探測器、48臺無線模塊及32個ST-LY(C)剩余電流互感器，46個ST-LF(C)剩余電流互感器方形開口互感器。
4.3安裝電氣火災智能運維管控系統的效用
4.3.1情況1
       系統安裝時，發現L2層5號強電井存在線路擊穿的現象，線槽帶電并已打火花燒黑，如圖1所示。

圖1線路擊穿

4.3.2情況2
       系統安裝時，發現L2層4號強電井漏電斷路器上開關進線出線接反（見圖2），造成漏電斷路器動作后，電壓依然加在脫扣線圈上，會燒毀線圈，使整個漏電斷路器喪失漏電保護功能。

圖2開關反接

4.3.3情況3
       通過平臺分析，G層8號井總開關存在漏電，且漏電值從早上開業之后變大，到晚上打烊后變小，可以判定此回路的漏電主要由設備引起的。而L2層7號強電井金釜山總開關存在漏電，而且漏電值從早上開業之后變大，到晚上打烊后變小，說明此回路的漏電主要由設備引起。
5技術創新
       （1）實用性。系統將電氣火災監控與物聯網技術融合，實現了24h電氣防火的遠程管理，消滅了安全死角，大提升了管理部門對建筑物的管轄保護能力。
       （2）智能化。系統通過電氣火災監控探測器采集、上傳數據，能實時傳輸電氣火災監控信息及火災自動信息，自動分析數據，平臺即時展現數據，實現實時。
       （3）易實施。系統項目施工中無需布線、穿墻，能夠快速、低成本地完成監控網絡的建設，避免建筑物的受損；可隨意增減數據采集節點，便捷地改變網絡規模，快速實現系統擴容；系統運行策略可以遠程更換，實現遠程維護；任何物聯節點都能接入既有無線網絡，使用者可根據需求更換傳感器，實現系統功能的擴展。
       （4）體系化。管理部門可以在計算機終端（PC端）和手機客戶端查看到新數據，執行相應操作?？蔀榻ㄖ锝⒔y的安全保護數據管理體系，為火災分析、防災方案、用電安全等日常管理提供數據支持和保障。
6安科瑞物聯網電氣防火系統架構和硬件選型
       安科瑞電氣推出的物聯網電氣防火系統采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器和電氣火災探測器、故障電弧探測器和電氣防火限流式保護器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流、剩余電流、故障電弧等）進行不間斷的數據與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現時間的排查和治理，達到潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然”的目的。
       用戶可以利用PC、手機、平板電腦等多種終端實現對平臺的訪問，查詢包括系統信息、實時數據、報記錄等在內的各種信息，使用方便。利用該系統為用戶提供的低成本服務，能有提升企業的消防安全管理和電氣設備安全水平，防范重大惡性火災財產損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任事故的發生。

       本系統的整體結構如圖所示：

6.1硬件配置：
       平臺服務器：建議按照我方提供配置標準購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
       硬件配置：（如申請阿里云可忽略）

       現場硬件配置

       方案：100A以下回路，開口式互感器

       方案二：100A以下回路，普通互感器，會增加施工量

       方案三：100A以下回路，普通電流互感器，探測器和無線模塊分開，可適用多回路

       配置針對1個回路，剩余電流互感器根據現場回路電流大小選擇。

6.2運行條件
1）瀏覽器運行設備：
       臺式電腦（WindowsXP以上），安卓系統或IOS系統手機（android或IOS4.0及以上版本）。
2）瀏覽器端運行環境：
       Windows系統下使用 火狐、360（速模式）等瀏覽器訪問。
6.3主要技術指標 
數據上傳頻率：2分鐘
通信方式：RS485、2G/3G/4G
并發訪問量：>=10000
歷史數據存儲：>=3年
7結論
       基于物聯網電氣火災監測技術的使用，采用可視的數字化監控模式，做到準確、監測用電戶線路中的漏電、電流、溫度等變化。旦用電戶發生線路異常情況，系統能夠迅速發出信號并準確報出故障點，便于電氣人員及時排除線路故障，將電氣火災消滅在萌芽狀態，起到預警作用。物聯網技術的引入還將地建立起集中、完整、的城域消防網絡，實現意義上的遠程監控，充分體現物聯網技術在電氣安全運行監控中的積作用。

參考文獻：
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[2]嚴曉龍.基于大數據的電氣火災隱患治理體系探討[J].消防科學與技術，2017，36（12）：1742-1744.
[3]朱鵬.基于物聯網的智能電氣火災監控系統研究[J].科技風，2018，31(10):54-55.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用