摘 要：通過對(duì)石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)成因的分析,針對(duì)目前剩余電流檢測(cè)與故障電弧檢測(cè)手段在石油化工企業(yè)應(yīng)用中存在的問題，提出一種智慧防火解決方案。通過對(duì)各類電氣火災(zāi)隱患進(jìn)行全面、集中監(jiān)測(cè)，提高了電氣火災(zāi)隱患檢測(cè)的精度，從而達(dá)到避免電氣火災(zāi)的目的。
關(guān)鍵詞：電氣火災(zāi)成因;電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng);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(zāi)事故多發(fā)，在總體火災(zāi)中的占比居高不下。石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，在生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、經(jīng)營(yíng)及廢棄處置等過程中一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等，不但導(dǎo)致生產(chǎn)停頓，設(shè)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(zāi)成因，特別是針對(duì)現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)與防護(hù)盲區(qū)，設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)全面監(jiān)測(cè)、火災(zāi)隱患準(zhǔn)確判斷與及時(shí)告警的智慧防火解決方案，以期對(duì)石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供有益的借鑒。
一 石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)原因分析
石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料，不僅成為電氣火災(zāi)的高發(fā)區(qū)，而且一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸， 將造成重大的人員傷亡和難以挽回的影響。
通過對(duì)近幾年石化行業(yè)電氣火災(zāi)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)電氣火災(zāi)的原因。
1.1 違規(guī)施工操作
如前所述，石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中使用大量易燃、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(xiǎn)環(huán)境中的工藝設(shè)備及電器線路選用防爆型或經(jīng)防爆處理。但是，個(gè)別企業(yè)在生產(chǎn)過程中不按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，一旦產(chǎn)生可燃液體或氣體泄漏，極易發(fā)生電氣火災(zāi)爆炸事故。
1.2 線路、設(shè)備老化、腐蝕等安全隱患
石化企業(yè)內(nèi)，電力設(shè)施、電氣設(shè)備種類繁多，且電氣裝置長(zhǎng)年處于不間斷生產(chǎn)中。在生產(chǎn)過程中，不僅會(huì)有易燃、易爆物質(zhì)和酸堿腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生，而且線路、設(shè)備側(cè)鋪設(shè)線路的絕緣老化、施工造成的絕緣破損，以及生產(chǎn)加工引起的線路電機(jī)設(shè)備內(nèi)部的線路虛接，均可引起故障電弧，形成極大的火災(zāi)隱患。
1.3 安全管理與監(jiān)測(cè)不到位
有些化工企業(yè)對(duì)職工安全培訓(xùn)重視不夠，防火安全責(zé)任制落實(shí)不到位對(duì)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(duì)于容易發(fā)生電氣火災(zāi)的線路、設(shè)備未安裝有效的監(jiān)控，造成對(duì)電氣火災(zāi)隱患發(fā)現(xiàn)處理不及時(shí)等問題。
1.4 季節(jié)性因素
化工企業(yè)電氣火災(zāi)的發(fā)生伴隨一定的季節(jié)性。電氣火災(zāi)夏季多發(fā)，主要由于風(fēng)吹雨淋，線路容易出現(xiàn)電弧擊穿事故。露天安裝的電氣設(shè)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(shè)備工作的可靠性和壽命。
二 化工企業(yè)電氣火災(zāi)防護(hù)要求及其問題
2.1 防護(hù)要求
GB50160-2008 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》明確提出：“石油化工企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)、公用及輔助生產(chǎn)設(shè)施、全廠性重要設(shè)施和區(qū)域性重要設(shè)施的火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警”，并提出“火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50116)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行”。
GB50116-2013 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.1.1條條文說(shuō)明指出：安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，可有效監(jiān)測(cè)電氣火災(zāi)隱患，避免電氣火災(zāi)的發(fā)生;同時(shí)，規(guī)范明確了防護(hù)方法及防護(hù)要求。
根據(jù) GB14287.1-2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)第1部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備》，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)指的是當(dāng)被保護(hù)電氣線路中的被探測(cè)參數(shù)超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)并能指示報(bào)警部位的系統(tǒng)，由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器組成。其中，電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器能夠探測(cè)被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度、故障電弧等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)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(zāi)的靜電、絕緣參數(shù)變化的探測(cè)器。
基于此，對(duì)于化工企業(yè)電氣火災(zāi)的防護(hù)應(yīng)安裝24h不間斷電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)電氣火災(zāi)隱患，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)隱患時(shí)及時(shí)報(bào)警，并通知監(jiān)控室值班人員現(xiàn)場(chǎng)排查故障，從而達(dá)到避免電氣火災(zāi)發(fā)生的目的。
2. 2 現(xiàn)有監(jiān)控手段存在的問題
2.2.1 剩余電流監(jiān)測(cè)的問題
石化行業(yè)在配電上的特點(diǎn)是存在大量三相電機(jī)類大功率負(fù)載，對(duì)于三相回路的剩余電流故障，傳統(tǒng)的剩余電流檢測(cè)方法是通過零序電流互感器進(jìn)行采樣，然后用門限值的方式進(jìn)行故障判斷。
而三相回路在計(jì)算過程中存在一個(gè)相線剩余電流故障相互抵消的問題。因?yàn)榱阈蚧ジ衅饔?jì)算的是三相剩余電流的相量和，L1、L2、L3相線存在的剩余電流會(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(cè)精度。
2.2.2 故障電弧監(jiān)測(cè)的問題
故障電弧發(fā)生在線路的虛短、虛斷過程中，在電流很小的線路(如視頻線路)中都可能發(fā)生，發(fā)生時(shí)伴隨著高溫濺射，局部溫度瞬時(shí)能達(dá)到6000℃。
現(xiàn)有的故障電弧探測(cè)器一般采用電限流速度快的固態(tài)開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，計(jì)算公式如下：
通過計(jì)算確定電流過零點(diǎn)，然后對(duì)比過零點(diǎn)位置的電流平肩信息(即在一定時(shí)間段內(nèi)電流值不變或變化范圍很小，表現(xiàn)為平線的區(qū)域特征)，通過數(shù)據(jù)變換，求得基波頻域特征及時(shí)域特征。然后通過判斷基波頻域特征在50次之前的數(shù)據(jù)變化，對(duì)比變化率，確定電弧故障。在時(shí)域方面計(jì)算電流在過零點(diǎn)處的平肩寬度值及波形變化斜率比，通過dl/dt，求得穩(wěn)定斜率，當(dāng)超過一個(gè)特定門限值τ時(shí)，即可判斷出故障電弧發(fā)生，τ值通過對(duì)不同負(fù)載電弧波形統(tǒng)計(jì)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(shè)備與電機(jī)設(shè)備的波形圖
如圖2所示是一些負(fù)載運(yùn)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(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
3.1 總體方案
如前所述, 除了人為與季節(jié)性因素外，引起電氣火災(zāi)的成因大致可以概括為線路中發(fā)生過載、短路、接觸電阻過大、剩余電流過大、故障電弧等原因。
針對(duì)電氣火災(zāi)的成因，提出一種智慧防火解決方案，通過檢測(cè)線路中異常電流和物理量這兩類方法來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患，通知工作人員檢查并排除隱患，防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。同時(shí)防火系統(tǒng)搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳集中監(jiān)控管理，及時(shí)預(yù)判異常、發(fā)現(xiàn)并快速排除隱患，真正做到電氣火災(zāi)的預(yù)防, 同時(shí)保證用電的連續(xù)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(jì)算顯示的方法，通過采樣相位偏差及矢量值大小，計(jì)算得到每一相的剩余電流值大小，并在系統(tǒng)中分別顯示，當(dāng)任一相產(chǎn)生剩余電流增大故障時(shí)，都可以分別報(bào)警，提高了檢測(cè)精度。 避免了由于相線剩余電流抵消造成的漏報(bào)警現(xiàn)象。
在本方案中，在前文所述計(jì)算電弧波形的方法下，加入特殊波形的判斷，通過對(duì)波形的畸變率及變化特征比率進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算負(fù)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(qū)分電弧的發(fā)生。
下面結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)一步闡述剩余電流探測(cè)器與故障電弧探測(cè)器的應(yīng)用。
3.2 剩余電流探測(cè)器的應(yīng)用
以某煉油廠為例，在重要的動(dòng)力、照明、插座、檢修、空調(diào)等饋線回路均安裝了剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器 (如圖4所示)，此項(xiàng)目共安裝剩余電流探測(cè)器500臺(tái)。
圖4 剩余電流探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)安裝示例
此項(xiàng)目建設(shè)在南方沿海地區(qū)，氣候條件變化比較大，環(huán)境潮濕，廠區(qū)溫度普遍較高，環(huán)境因素對(duì)線路負(fù)載剩余電流的影響比較大。圖5為一個(gè)線路剩余電流的值受到環(huán)境因素影響的曲線圖，從圖中可以看到在環(huán)境濕度變化的情況下，線路剩余電流值有顯著增加。環(huán)境溫度、濕度變化對(duì)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(zāi)探測(cè)器的防護(hù)精度。因此在此設(shè)置的剩余電流互感器，充分考慮了環(huán)境因素對(duì)剩余電流的影響。
圖 5 濕度變化對(duì)線路設(shè)備剩余電流值的影響
此項(xiàng)目安裝試用半年后，對(duì)客戶使用情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。
經(jīng)過試用半年后的客戶反饋，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災(zāi)隱患，并及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患加以排除，起到了一定的效果
表 1 剩余電流探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)故障分析表
3 故障電弧探測(cè)器在石化行業(yè)的應(yīng)用
某石化項(xiàng)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(cè)器，如空調(diào)回路、視頻回路;考慮到設(shè)備電機(jī)回路為化工企業(yè)的主要電力回路，而且從變電室到設(shè)備端引線較長(zhǎng)、不易監(jiān)控的特點(diǎn)，因此在電機(jī)回路也安裝了故障電弧探測(cè)器。
此項(xiàng)目安裝限流式保護(hù)器用半年后，對(duì)客戶使用情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過試用半年后的客戶反饋，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災(zāi)患，能夠及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患并加以排除， 起到了一定的效果。
表 2 故障電弧統(tǒng)計(jì)分析表
圖 6 現(xiàn)場(chǎng)故障電弧探測(cè)器安裝方案圖實(shí)例
4 安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
4.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成：
電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器以及測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器等三種產(chǎn)品組成。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)視、報(bào)警、控制、集中管理于一體，監(jiān)控探測(cè)器一般掛接在總線上的支路上，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(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)被探測(cè)電氣線路的漏電電流、溫度等參數(shù)的變化。當(dāng)參數(shù)異常時(shí)剩余電流互感器、溫度傳感器等終端探測(cè)頭對(duì)信息進(jìn)行采集，并送到監(jiān)控探測(cè)器中，超出設(shè)定值時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)輸送到監(jiān)控設(shè)備中，經(jīng)進(jìn)一步判定，當(dāng)確認(rèn)可能發(fā)生電氣火災(zāi)時(shí)，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，報(bào)警指示燈亮，發(fā)出報(bào)警音響，并在液晶顯示屏上顯示報(bào)警信息，值班人員迅速進(jìn)行檢查處理。
4.2電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控探測(cè)器等組成。監(jiān)控設(shè)備能接收來(lái)自電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)，指示報(bào)警部位，記錄并保存報(bào)警信息，是系統(tǒng)的管理中心。監(jiān)控探測(cè)器探測(cè)被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)，并可直接將本地采集的信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議進(jìn)行傳輸。提高了信號(hào)傳輸過程中的抗干擾能力，提升了系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。
4.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器選型表
5 安科瑞故障電弧探測(cè)器
故障電弧探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱探測(cè)器)對(duì)接入線路中的故障電弧(包括故障并聯(lián)電弧、故障串聯(lián)電弧)進(jìn)行有效的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到線路中存在引起火災(zāi)的故障電弧時(shí)，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息傳輸給上端監(jiān)控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)預(yù)警火災(zāi)發(fā)生的目的。
故障電弧探測(cè)器選型表
6 結(jié)論
石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)防范是系統(tǒng)工程，除了提高安全意識(shí)與防火管理外，還需要安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)， 對(duì)剩余電流、溫度、故障電弧等進(jìn)行全面、集中監(jiān)測(cè)。
本文針對(duì)目前電氣火災(zāi)隱患檢測(cè)手段在石化應(yīng)用中的局限性，提出一種智慧防火解決方案，不僅對(duì)各類電氣火災(zāi)隱患進(jìn)行全面與集中監(jiān)測(cè)，而且通過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(zāi)隱患檢測(cè)的精度， 并通過及時(shí)告警達(dá)到避免電氣火災(zāi)的目的，在實(shí)際應(yīng)用過程中效果良好。
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