電氣火災監控產(chǎn)品在石化行業(yè)的應用

　　摘 要：通過(guò)對石油化工企業(yè)電氣火災成因的分析,針對目前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(wèn)題，提出一種智慧防火解決方案。通過(guò)對各類(lèi)電氣火災隱患進(jìn)行全面、集中監測，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(guān)鍵詞：電氣火災成因;電氣火災監控系統;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(chǎn)加工過(guò)程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，在生產(chǎn)、使用、儲存、運輸、經(jīng)營(yíng)及廢棄處置等過(guò)程中一旦發(fā)生火災、爆炸等，不但導致生產(chǎn)停頓，設備損壞，也可能會(huì )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，特別是針對現有電氣火災監測與防護盲區，設計電氣火災全面監測、火災隱患準確判斷與及時(shí)告警的智慧防火解決方案，以期對石油化工企業(yè)電氣火災監控系統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(chǎn)加工過(guò)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，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(guò)對近幾年石化行業(yè)電氣火災事故進(jìn)行統計分析，總結電氣火災的原因。

　　1.1 違規施工操作

　　如前所述，石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過(guò)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(xiàn)路選用防爆型或經(jīng)防爆處理。但是，個(gè)別企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中不按設計要求執行，一旦產(chǎn)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(xiàn)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(lèi)繁多，且電氣裝置長(cháng)年處于不間斷生產(chǎn)中。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅會(huì )有易燃、易爆物質(zhì)和酸堿腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生，而且線(xiàn)路、設備側鋪設線(xiàn)路的絕緣老化、施工造成的絕緣破損，以及生產(chǎn)加工引起的線(xiàn)路電機設備內部的線(xiàn)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(shí)不到位對用火、用電、用氣管理措施落實(shí)不到位，為化工企業(yè)安全生產(chǎn)埋下了事故隱患。同時(shí)，對于容易發(fā)生電氣火災的線(xiàn)路、設備未安裝有效的監控，造成對電氣火災隱患發(fā)現處理不及時(shí)等問(wèn)題。

　　1.4 季節性因素

　　化工企業(yè)電氣火災的發(fā)生伴隨一定的季節性。電氣火災夏季多發(fā)，主要由于風(fēng)吹雨淋，線(xiàn)路容易出現電弧擊穿事故。露天安裝的電氣設備，也容易淋雨進(jìn)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(wèn)題

　　2.1 防護要求

　　GB50160-2008 《石油化工企業(yè)設計防火規范》明確提出：“石油化工企業(yè)的生產(chǎn)區、公用及輔助生產(chǎn)設施、全廠(chǎng)性重要設施和區域性重要設施的火災危險場(chǎng)所應設置火災自動(dòng)報警系統和火災報警”，并提出“火災報警系統的設計，應按現行國家標準《火災自動(dòng)報警系統設計規范》(GB50116)的有關(guān)規定執行”。

　　GB50116-2013 《火災自動(dòng)報警系統設計規范》9.1.1條條文說(shuō)明指出：安裝電氣火災監控系統，可有效監測電氣火災隱患，避免電氣火災的發(fā)生;同時(shí)，規范明確了防護方法及防護要求。

　　根據 GB14287.1-2014《電氣火災監控系統第1部分：電氣火災監控設備》，電氣火災監控系統指的是當被保護電氣線(xiàn)路中的被探測參數超過(guò)報警設定值時(shí)，能發(fā)出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統，由電氣火災監控設備和電氣火災監控探測器組成。其中，電氣火災監控探測器能夠探測被保護線(xiàn)路中的剩余電流、溫度、故障電弧等電氣火災危險參數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不間斷電氣火災監控系統，監測電氣火災隱患，當發(fā)生火災隱患時(shí)及時(shí)報警，并通知監控室值班人員現場(chǎng)排查故障，從而達到避免電氣火災發(fā)生的目的。

　　2. 2 現有監控手段存在的問(wèn)題

　　2.2.1 剩余電流監測的問(wèn)題

　　石化行業(yè)在配電上的特點(diǎn)是存在大量三相電機類(lèi)大功率負載，對于三相回路的剩余電流故障，傳統的剩余電流檢測方法是通過(guò)零序電流互感器進(jìn)行采樣，然后用門(mén)限值的方式進(jìn)行故障判斷。

　　而三相回路在計算過(guò)程中存在一個(gè)相線(xiàn)剩余電流故障相互抵消的問(wèn)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(xiàn)存在的剩余電流會(huì )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 故障電弧監測的問(wèn)題

　　故障電弧發(fā)生在線(xiàn)路的虛短、虛斷過(guò)程中，在電流很小的線(xiàn)路(如視頻線(xiàn)路)中都可能發(fā)生，發(fā)生時(shí)伴隨著(zhù)高溫濺射，局部溫度瞬時(shí)能達到6000℃。

　　現有的故障電弧探測器一般采用電限流速度快的固態(tài)開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現快速限流保護，計算公式如下：

　　通過(guò)計算確定電流過(guò)零點(diǎn)，然后對比過(guò)零點(diǎn)位置的電流平肩信息(即在一定時(shí)間段內電流值不變或變化范圍很小，表現為平線(xiàn)的區域特征)，通過(guò)數據變換，求得基波頻域特征及時(shí)域特征。然后通過(guò)判斷基波頻域特征在50次之前的數據變化，對比變化率，確定電弧故障。在時(shí)域方面計算電流在過(guò)零點(diǎn)處的平肩寬度值及波形變化斜率比，通過(guò)dl/dt，求得穩定斜率，當超過(guò)一個(gè)特定門(mén)限值τ時(shí)，即可判斷出故障電弧發(fā)生，τ值通過(guò)對不同負載電弧波形統計得出。圖1

　　圖1 所示為故障電弧典型電流波形

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)智慧防火系統設計與應用

　　3.1 總體方案

　　如前所述, 除了人為與季節性因素外，引起電氣火災的成因大致可以概括為線(xiàn)路中發(fā)生過(guò)載、短路、接觸電阻過(guò)大、剩余電流過(guò)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(guò)檢測線(xiàn)路中異常電流和物理量這兩類(lèi)方法來(lái)及時(shí)發(fā)現電氣火災隱患，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(shí)防火系統搭建網(wǎng)絡(luò )系統，將檢測數據上傳集中監控管理，及時(shí)預判異常、發(fā)現并快速排除隱患，真正做到電氣火災的預防, 同時(shí)保證用電的連續性。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(guò)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，并在系統中分別顯示，當任一相產(chǎn)生剩余電流增大故障時(shí)，都可以分別報警，提高了檢測精度。 避免了由于相線(xiàn)剩余電流抵消造成的漏報警現象。

　　在本方案中，在前文所述計算電弧波形的方法下，加入特殊波形的判斷，通過(guò)對波形的畸變率及變化特征比率進(jìn)行對比，并計算負載電流變化的時(shí)域斜率特征變化特點(diǎn)，同時(shí)分析諧波變化特征值提升來(lái)區分電弧的發(fā)生。

　　下面結合實(shí)際案例進(jìn)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(chǎng)為例，在重要的動(dòng)力、照明、插座、檢修、空調等饋線(xiàn)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 剩余電流探測器現場(chǎng)安裝示例

　　此項目建設在南方沿海地區，氣候條件變化比較大，環(huán)境潮濕，廠(chǎng)區溫度普遍較高，環(huán)境因素對線(xiàn)路負載剩余電流的影響比較大。圖5為一個(gè)線(xiàn)路剩余電流的值受到環(huán)境因素影響的曲線(xiàn)圖，從圖中可以看到在環(huán)境濕度變化的情況下，線(xiàn)路剩余電流值有顯著(zhù)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(xiàn)路設備剩余電流值的影響

　　此項目安裝試用半年后，對客戶(hù)使用情況進(jìn)行了調查，調查數據如表1所示。

　　經(jīng)過(guò)試用半年后的客戶(hù)反饋，能夠及時(shí)準確地發(fā)現線(xiàn)路、設備中的電氣火災隱患，并及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現隱患加以排除，起到了一定的效果

表 1 剩余電流探測器現場(chǎng)故障分析表

　　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(xiàn)較長(cháng)、不易監控的特點(diǎn)，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(hù)使用情況進(jìn)行了調查，調查數據如表1所示。經(jīng)過(guò)試用半年后的客戶(hù)反饋，能夠及時(shí)準確地發(fā)現線(xiàn)路、設備中的電氣火災患，能夠及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現隱患并加以排除， 起到了一定的效果。

表 2 故障電弧統計分析表

圖 6 現場(chǎng)故障電弧探測器安裝方案圖實(shí)例

　　4 安科瑞電氣火災監控系統

　　4.1 電氣火災監控系統的基本組成：

　　電氣火災監控設備、剩余電流式電氣火災監控探測器以及測溫式電氣火災監控探測器等三種產(chǎn)品組成。電氣火災監控系統集監視、報警、控制、集中管理于一體，監控探測器一般掛接在總線(xiàn)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(lái)的數據，監測被探測電氣線(xiàn)路的漏電電流、溫度等參數的變化。當參數異常時(shí)剩余電流互感器、溫度傳感器等終端探測頭對信息進(jìn)行采集，并送到監控探測器中，超出設定值時(shí)即發(fā)出報警信號，同時(shí)輸送到監控設備中，經(jīng)進(jìn)一步判定，當確認可能發(fā)生電氣火災時(shí)，監控主機發(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(jìn)行檢查處理。

　　4.2電氣火災監控系統的設計

　　Acrel-6000電氣火災監控系統采用分層分布、開(kāi)放式結構設計，主要由監控設備、監控探測器等組成。監控設備能接收來(lái)自電氣火災監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，是系統的管理中心。監控探測器探測被保護線(xiàn)路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數，并可直接將本地采集的信號處理為數字信號，通過(guò)標準通訊協(xié)議進(jìn)行傳輸。提高了信號傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，提升了系統的可靠性指標。

　　4.3 電氣火災監控探測器選型表

　　5 安科瑞故障電弧探測器

　　故障電弧探測器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)探測器)對接入線(xiàn)路中的故障電弧(包括故障并聯(lián)電弧、故障串聯(lián)電弧)進(jìn)行有效的檢測，當檢測到線(xiàn)路中存在引起火災的故障電弧時(shí)，可以進(jìn)行現場(chǎng)的聲光報警，并將報警信息傳輸給上端監控設備，以實(shí)現預警火災發(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控系統， 對剩余電流、溫度、故障電弧等進(jìn)行全面、集中監測。

　　本文針對目前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(lèi)電氣火災隱患進(jìn)行全面與集中監測，而且通過(guò)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(guò)及時(shí)告警達到避免電氣火災的目的，在實(shí)際應用過(guò)程中效果良好。

　　參考文獻：

　　[1]王忠康.化工生產(chǎn)的防火安全[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989.

　　[2]馬穎 劉沛雨.電氣火災監控系統在石油化工行業(yè)的應用[J]建筑電氣.2019.11

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版