探討家用電氣火災(zāi)監(jiān)控解決方案

摘要：分析電氣火災(zāi)高發(fā)的原因、國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中對(duì)于電氣火災(zāi)監(jiān)控的要求，介紹國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的頒布實(shí)施情況。提出組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器、故障電弧探測(cè)器、電氣防火限流式保護(hù)器、智能防火開關(guān)／插座4種電氣火災(zāi)監(jiān)控解決方案，并介紹各方案的工作原理、適用性、應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:電氣火災(zāi)；火災(zāi)監(jiān)控；剩余電流；故障電弧；防火限流

0引言

近年來，火災(zāi)發(fā)生起數(shù)不斷攀升，尤其是電氣火災(zāi)，占總火災(zāi)數(shù)量的3成以上。重大和特別重大火災(zāi)中電氣火災(zāi)占比高達(dá)7成。家庭用電防火己成為我國(guó)當(dāng)前火災(zāi)預(yù)防工作中的一項(xiàng)十分重要和緊迫的工作。

我國(guó)目前有關(guān)住宅領(lǐng)域的家用電氣火災(zāi)監(jiān)控方面的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范比較少。GB50096-201l《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》中也僅僅要求在每幢住宅的總電源進(jìn)線應(yīng)設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)或者剩余電流動(dòng)作報(bào)警，并沒有針對(duì)每個(gè)家庭分別監(jiān)控報(bào)警，監(jiān)控每幢住宅的總電源進(jìn)線剩余電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前，家庭入戶電源進(jìn)線只安裝了漏電保護(hù)開關(guān)。根據(jù)消防局《中國(guó)消防年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由于剩余電流導(dǎo)致的電氣火災(zāi)發(fā)生數(shù)量占比并不高，還有占比更高的短路、過熱、接觸不良、電氣故障、過負(fù)荷等，而且家庭中目前并沒有的、針對(duì)性的監(jiān)測(cè)手段。JGJl6—2008{民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定電源進(jìn)線處宜設(shè)置剩余電流火災(zāi)報(bào)警器的建筑包括住宅、公寓等居住建筑剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的動(dòng)作電流，家用電器回路或插座回路為3OmA，并不適用于洗澡間熱水器及其用電回路。此標(biāo)準(zhǔn)不屬于強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。很多家庭實(shí)際上住電源進(jìn)線處安裝了一個(gè)總的漏電開關(guān)，并沒有細(xì)分到家用電器回路或插座回路。再加上人們對(duì)家用電氣火災(zāi)監(jiān)控重視不夠，防范意識(shí)淡薄，相關(guān)規(guī)范的要求在家用電氣火災(zāi)監(jiān)控方面得不到執(zhí)行和落實(shí)，家庭電氣火災(zāi)悲劇年年發(fā)生。

 

1相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范情況

JEAC8001—1978內(nèi)線規(guī)程(日本)90條要求，建筑面積在150m以上的旅館、飯店、公寓、集體宿舍、家庭公寓、公共住宅、公共浴室等地安裝能自動(dòng)報(bào)警的漏電火災(zāi)報(bào)警器。此規(guī)程為日本電氣火災(zāi)的控制起了重要作用，其電氣火災(zāi)只占總火災(zāi)的2％-3％(其人均用電量為我國(guó)的8倍)。

1993年，由部沈陽消防研究所組織編制的GB14287-93{防火漏電電流動(dòng)作報(bào)警器》發(fā)布實(shí)施。該國(guó)標(biāo)實(shí)施后相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)沒有同步出臺(tái)，隨后的十多年沒有太多的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，推廣應(yīng)用工作幾乎停滯。但這十多年正是我國(guó)人均用電量飛速上漲的時(shí)期，電氣火災(zāi)從1978年的7．8％上升到2008年的30％，目前一直保持在這個(gè)高位水平。

2005年，GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》、GB13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的安裝運(yùn)行》推出。同時(shí)，GB50045-2005{高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》局部修訂條文，加入第9．5條“漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)”。2005年是電氣火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展重要一年，此時(shí)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)趨于規(guī)范化。

2008年，新《中華人民共和國(guó)消防法》頒布實(shí)施，消防工作貫徹以“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的方針，尤其加大對(duì)電氣火災(zāi)早期預(yù)警、預(yù)報(bào)的強(qiáng)制性規(guī)定。JGJ16-2008{民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、DG／TJ2O48—2()()8《民用建筑電氣防火設(shè)計(jì)規(guī)程》、JGJ242-2011《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50096-20l1《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范相繼推出，在民用建筑電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有指導(dǎo)性意義。

近年來，GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》兩個(gè)重要規(guī)范頒布實(shí)施。GBl4287—2O14《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、部分：余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器、第三部分：測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器、第四部分：故障電弧探測(cè)器推出。電氣火災(zāi)領(lǐng)域進(jìn)一步得到規(guī)范。GB14287《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)體系中，還有GB14287《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》第五部分：測(cè)量熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器和第六部分：電氣防火限流式保護(hù)器兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)尚未正式頒布實(shí)施。此外，針對(duì)電氣防火，還有靜電探測(cè)器、絕緣監(jiān)測(cè)器、無電弧開關(guān)等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品 終能夠普及應(yīng)用于家庭，還需要加強(qiáng)基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)研究和更經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的傳感器探測(cè)技術(shù)研究。

2家用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

家用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。在家庭特定的應(yīng)用環(huán)境中，安全控制系統(tǒng)的總體要求為易安裝布線、操作簡(jiǎn)單、美觀大方、系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

2.1組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器(針對(duì)家庭應(yīng)用)

傳統(tǒng)的漏電開關(guān)的主要作用是保護(hù)人身安全，在用電線路泄漏電流超過人身安全值(30mA)時(shí)立刻切斷電源，無法探知電路的正常運(yùn)行及跳閘時(shí)泄漏電流大小，無法了解電路絕緣狀態(tài)的變化，無法對(duì)當(dāng)前絕緣狀態(tài)作出及時(shí)的評(píng)估，也無法對(duì)電氣火災(zāi)作出預(yù)報(bào)。家庭發(fā)生電氣火災(zāi)主要有4大類，一是過負(fù)荷，二是短路，三是接觸電阻過大(接觸不良，導(dǎo)致打火和發(fā)熱)，四是漏電。即除了漏電

外，還有更重要的三個(gè)原因，為供電線路有漏電保護(hù)卻仍然頻頻發(fā)生電氣火災(zāi)的原因，急需解決。行之的方法是科學(xué)地加裝組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。

組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器主要由一路剩余電流監(jiān)測(cè)加上一路溫度監(jiān)測(cè)，帶液晶顯示，采用較緊湊的導(dǎo)軌式或者壁掛式安裝結(jié)構(gòu)，獨(dú)立式運(yùn)行。剩余電流互感器采用特制的相當(dāng)于大小的微型剩余電流互感器，可以監(jiān)視家庭進(jìn)戶電源進(jìn)線處負(fù)荷電流、剩余電流、溫度值，超過設(shè)定值就報(bào)警，并預(yù)留對(duì)外數(shù)據(jù)接口。

2.2故障電弧探測(cè)器

關(guān)于故障電弧探測(cè)器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的有GB14287．4—2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》第4部分：故障電弧探測(cè)器，JB／Tl1681—20l3《電弧故障檢測(cè)裝置(AFDD)的一般要求》等。國(guó)外的UI1699-2011《故障電弧斷路器》，IEC62606《家用和類似用途的電弧故障檢測(cè)裝置(AFDD)》。由于歷史及種種原因，故障電弧探測(cè)器在國(guó)內(nèi)沒有得到很好的推廣和應(yīng)用。家庭用故障電弧探測(cè)器主要可以解決家庭用電中用電線路及用電設(shè)備接觸不良打火、短路打火，即串弧和并弧。尤其是串弧發(fā)生時(shí)，分布范圍廣，溫度點(diǎn)測(cè)溫?zé)o法覆蓋到，電流非常小，漏電開關(guān)或者剩余電流監(jiān)測(cè)不足以起作用，但是微小的電弧產(chǎn)生的明火能量能引燃周邊可燃物。因此，安裝故障電弧探測(cè)器也是一種電氣火災(zāi)監(jiān)控的補(bǔ)充。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)被探測(cè)線路在1S內(nèi)發(fā)生14個(gè)及以上半周期故障電弧時(shí)，探測(cè)器應(yīng)在30S內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并點(diǎn)亮報(bào)警指示燈。當(dāng)被探測(cè)線路在1S內(nèi)發(fā)生9個(gè)及以下半周期的故障電弧時(shí)，探測(cè)器不應(yīng)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)，但可采取其他方式提示。其中電弧持續(xù)時(shí)間不超過O．42ms或電流值不超過額定電流值5的微小電弧不作為電弧統(tǒng)計(jì)。故障電弧特征如圖1、圖2所示。

根據(jù)家庭用電特點(diǎn)，故障電弧探測(cè)器帶液晶顯示，采用較緊湊的導(dǎo)軌式或者壁掛式安裝結(jié)構(gòu)，獨(dú)立式運(yùn)行。可以監(jiān)視故障電弧，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值就報(bào)警，記錄發(fā)生數(shù)量以及時(shí)間，并預(yù)留接口。

2.3電氣防火限流式保護(hù)器

這類產(chǎn)品名稱有“固態(tài)斷路器”、“具有短路保護(hù)功能的固態(tài)開關(guān)”或“固態(tài)短路保護(hù)器”等，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。其工作原理是依靠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的接通與斷開。半導(dǎo)體經(jīng)處理成為晶體管(半導(dǎo)體管)，導(dǎo)電性能可控，能成為接近導(dǎo)體阻很小，0．02Q)和接近絕緣體(電阻很大，220kO)的導(dǎo)電狀

 

家庭常用的傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程，帶負(fù)載斷開伴隨有電弧的產(chǎn)生，分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30～501TIS)。固態(tài)斷路器的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，速度快，無電弧產(chǎn)生，分?jǐn)鄷r(shí)間微秒級(jí)，比傳統(tǒng)的快幾萬倍至幾十萬倍，在由短路導(dǎo)致的故障電流遠(yuǎn)未達(dá)到短路電流峰值時(shí)就切斷電路了，而且截流值(短路保護(hù)電流整定值)可以根據(jù)需要整定的，大大降低了短路時(shí)所釋放的能量，同時(shí)大大降低了短路點(diǎn)產(chǎn)生的有害的電火花。由于固態(tài)斷路器的分?jǐn)鄷r(shí)間非?？旌徒亓髦凳强梢哉ǖ模虘B(tài)斷路器的短路分?jǐn)嗄芰碚撋鲜菬o限大的。固態(tài)斷路器處理短路故障的能力不會(huì)由于主電源的容量增大和輸電線長(zhǎng)度減小而受到影響。

以圖3短路故障前后電流與時(shí)間的關(guān)系圖說明傳統(tǒng)斷路器與固態(tài)斷路器的差別。

流過電阻的電生的熱量Q—R￡。由圖4電流的平方與時(shí)間的關(guān)系圖可以看出，曲線圍成的面積對(duì)應(yīng)于短路時(shí)所釋放的能量大小，能明顯看出傳統(tǒng)斷路器與固態(tài)斷路器在短路時(shí)所釋放的能量差別，釋放的能量之比至少為4000倍

由于短路故障發(fā)生后，主電源(單相220V，三相380V)的電壓會(huì)明顯下降甚至下落至接近零，所以固態(tài)斷路器內(nèi)部控制電路的供電不能依賴主電源，否則電氣防火限流式保護(hù)器不能正常工作，有失控的風(fēng)險(xiǎn)。只能使用與主電源不相關(guān)的輔助電源(采取總線供電或者電池供電)作為內(nèi)部控制電路的供電，這就解決了當(dāng)主電源短路故障導(dǎo)致電壓降低而電氣防火限流式保護(hù)器取自主電源后導(dǎo)致工作不正常的問題，加強(qiáng)了一般場(chǎng)合的實(shí)用性。

電氣防火限流式保護(hù)器特點(diǎn)有：微秒級(jí)完成對(duì)短路電流的限制，大大提高開關(guān)速度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性；能在短路電流遠(yuǎn)未達(dá)到短路電流峰值前限制短路故障電流，大大降低電氣線路／設(shè)備短路過程中引起的連續(xù)拉弧打火概率，避免引燃周邊可燃物造成火災(zāi)事故；能防止雷擊浪涌涌入家庭用電電路中燒毀用電設(shè)備；準(zhǔn)確控制開關(guān)動(dòng)作時(shí)間；聲光報(bào)警，及時(shí)提醒運(yùn)行維護(hù)人員；集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障定位，迅速顯示故障單元；工作壽命長(zhǎng)，不受開關(guān)次數(shù)限制，耐久性好；整機(jī)采用環(huán)氧樹脂灌封工藝，防震、防潮，適應(yīng)于惡劣環(huán)境；無觸頭、無機(jī)械活動(dòng)機(jī)構(gòu)和無電弧，，減少了故障率，提高了供電可靠性。

2.4智能防火開關(guān)／插座

開關(guān)插座耐用性越來越高，但用電異常時(shí)有發(fā)生，如：一個(gè)開關(guān)插座同時(shí)供多個(gè)用電設(shè)備用電，特別是大功率的電磁爐、空調(diào)等，負(fù)荷電流過大，使電源線加速老化，產(chǎn)生用電隱患，特別是超過了開關(guān)插座的負(fù)載能力時(shí)，溫度迅速提高，有電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。有時(shí)出現(xiàn)雷雨天氣，可能出現(xiàn)雷擊等現(xiàn)象，開關(guān)插座無法自我保護(hù)，對(duì)用電器會(huì)有很大的損傷。日益增多的電氣火災(zāi)及事故已經(jīng)證明傳統(tǒng)方式無法保障用電。據(jù)消防部門統(tǒng)計(jì)：在80％以上的電氣火災(zāi)中，空氣開關(guān)沒有發(fā)揮作用。帶過電流保護(hù)功能的智能防火開關(guān)／插座，克服了空氣開關(guān)選擇過大、用電過負(fù)荷不能及時(shí)跳閘而引起電氣火災(zāi)的問題。家裝時(shí)要注意接地保護(hù)線PE和N線嚴(yán)格區(qū)分開，規(guī)范施工，并且保證和建筑物的保護(hù)地線PE可靠連接。

以上電氣火災(zāi)的探測(cè)和防范裝置均可留有對(duì)外輸出接口，可同時(shí)接入家用火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，家用報(bào)警系統(tǒng)再通過無線技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程云平臺(tái)，探測(cè)器報(bào)警時(shí)在設(shè)備上可以報(bào)警，家用報(bào)警控制器上可以顯示，也可以將報(bào)警信息推送至用戶的移動(dòng)終端上

3安科瑞電氣火災(zāi)管理云平臺(tái)構(gòu)架和硬件選型

安科瑞電氣推出的電氣火災(zāi)管理云平臺(tái)采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器和電氣火災(zāi)探測(cè)器、故障電弧探測(cè)器和電氣防火限流式保護(hù)器，對(duì)引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流、剩余電流、故障電弧等）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時(shí)推送給學(xué)校管理人員，指導(dǎo)學(xué)校實(shí)現(xiàn)時(shí)間的排查和治理，達(dá)到潛在電氣火災(zāi)隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

用戶可以利用PC、手機(jī)、平板電腦等多種終端實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的訪問，查詢包括系統(tǒng)信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)記錄等在內(nèi)的各種信息，使用方便。利用該系統(tǒng)為用戶提供的低成本服務(wù)，能有提升企業(yè)的消防管理和電氣設(shè)備水平，防范重大惡性火災(zāi)財(cái)產(chǎn)損失、尤其是重大惡性人員傷亡責(zé)任事故的發(fā)生。

 

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示：

 

3.1硬件配置：

平臺(tái)服務(wù)器：建議按照我方提供配置標(biāo)準(zhǔn)購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置：（如申請(qǐng)阿里云可忽略）

序號(hào)	名稱	型號(hào)、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
	平臺(tái)部分
1	數(shù)據(jù)服務(wù)器	DellR730CPU:E5-2620內(nèi)存:32G硬盤容量:4*1.2T(SAS1萬轉(zhuǎn)2.5英寸小盤)RAID5	臺(tái)	1	甲供，供參考
2	WEB服務(wù)器	DellR730CPU:E5-2603內(nèi)存:16G硬盤容量:3*300G(SAS1萬轉(zhuǎn)2.5英寸小盤)RAID5	臺(tái)	1	甲供，供參考
3	打印機(jī)		臺(tái)	1	甲供
4	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)	華為（HUAWEI）S1728GWR-4P-AC，企業(yè)級(jí)網(wǎng)管24口千兆交換機(jī)	臺(tái)	1	甲供，供參考

現(xiàn)場(chǎng)硬件配置

方案一：100A以下回路，開口式互感器

序號(hào)	名稱	型號(hào)、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM300T-Z-2G/4G/NB，一路剩余電流，4路溫度，三相電流、電壓、諧波、功率、電能，四象限電能計(jì)量，4路開關(guān)量輸入，1路繼電器輸出，事件記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊2G無線通訊可選4G或NB無線通訊	只	1	安科瑞
2	開口測(cè)量型電流互感器	AKH-0.66/K-φ24(150A)	只	3	安科瑞
3	開口漏電流互感器	AKH-0.66/L45K（16-100A）	只	1	安科瑞
4	線纜溫度傳感器	ARCM-NTC	只	4	安科瑞
方案二：100A以下回路，普通互感器，會(huì)增加施工量
序號(hào)	名稱	型號(hào)、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM300T-Z-2G/4G/NB，一路剩余電流，4路溫度，三相電流、電壓、諧波、功率、電能，四象限電能計(jì)量，4路開關(guān)量輸入，1路繼電器輸出，事件記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊2G無線通訊可選4G或NB無線通訊	只	1	安科瑞
2	測(cè)量型電流互感器	AKH-0.66/30I100/5	只	3	安科瑞
3	漏電流互感器	AKH-0.66/L45	只	1	安科瑞
4	線纜溫度傳感器	ARCM-NTC	只	4	安科瑞

 

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

 

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

序號(hào)	名稱	型號(hào)、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM200L-UI、ARCM200L-J4T12/J8T8等，可以測(cè)多回路漏電流和溫度