淺析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電氣火災系統(tǒng)中的應用

淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

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(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的解決方案，即電氣火災智能運維管控系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)軟件和硬件建設。結(jié)合在長沙某商業(yè)項目中的應用，分析安裝電氣火災智能運維管控系統(tǒng)的效用。
關(guān)鍵詞：電氣火災；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；電氣火災監(jiān)控
1引言
       近年來，我國電氣火災事故多發(fā)，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計，2011-2017年，我國共發(fā)生電氣火災事故64.1萬起，造成3832人死亡、2398人受傷，直接經(jīng)濟損失達101.1億余元，均占全國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(shù)的70%。筆者探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電氣防火中的應用，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控技術(shù)相結(jié)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
       電氣火災一般是指因電氣線路、用電設備和器具以及供配電設備出現(xiàn)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(jù)中國電氣防火委員會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(fā)生在電器設備內(nèi)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(fā)展成明火后才被發(fā)現(xiàn)。
       （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(zhì)，會使燃燒速度進一步。
       （3）撲救困難。電線或電氣設備著火時一般在其內(nèi)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(fā)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.當前預防電氣火災的難點
       （1）故障不及時，無自動巡查，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)支撐，火災原因難以定位。
       （4）電氣防火技術(shù)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(fā)展
       電氣火災檢測設備大致經(jīng)歷了保險絲熔斷器→空氣開關(guān)/漏電開關(guān)→傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程。保險絲熔斷器、空氣開關(guān)提供短路和過載保護，漏電開關(guān)可以提供漏電保護，組合式的空漏開關(guān)提供了上述三種保護功能。傳統(tǒng)漏電開關(guān)、空氣開關(guān)的主要在于：
       （1）傳統(tǒng)開關(guān)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(jiān)控電氣線路配置，當電氣線路出現(xiàn)故障之后才做出滯后的功能反應。
       （2）傳統(tǒng)開關(guān)普遍只具備短路、漏電以及過電流保護，當線路出現(xiàn)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(fā)火災等事故。
       （3）保護動作速度慢、準確性差，傳統(tǒng)開關(guān)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(lián)動和遠程監(jiān)控功能，撲救奔赴現(xiàn)場，跟不上現(xiàn)代智能管理的要求。
3物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的解決方案
       鑒于當前用電安全監(jiān)測的難點，需要一種成熟的、的用電安全監(jiān)管工具實時“在線”提醒或者通知安全管理人員，且能夠根據(jù)一段時間的歷史數(shù)據(jù)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(fā)生的幾率，進而避免火災尤其是電氣火災的發(fā)生。筆者提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的解決方案，由系統(tǒng)平臺和相關(guān)硬件設備組成。
3.1系統(tǒng)平臺
       系統(tǒng)平臺是電氣火災智能運維管控系統(tǒng)的軟件，具備以下特點：
       （1）方便使用。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)網(wǎng)站方式設計和建設，配合移動客戶端，使系統(tǒng)所有用戶和管理部門的相關(guān)人員在任何地點、任何時間都可以通過Internet訪問系統(tǒng)，查看和操作相應權(quán)限內(nèi)的內(nèi)容信息，用戶也可通過在智能手機上的公眾號實現(xiàn)系統(tǒng)登錄訪問。
       （2）實時應用。系統(tǒng)可實時監(jiān)控采集剩余電流、電流、溫度等數(shù)據(jù)，對超過閾值的數(shù)據(jù)進行即時，并通過短信、郵件、電話及等方式通知相關(guān)用戶，用戶也可以查看相應的歷史數(shù)據(jù)。
       （3）可靠的數(shù)據(jù)管理與分析。系統(tǒng)對采集的原始數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)進行分類存儲和管理，對數(shù)據(jù)的完整性、正確性進行檢查和分析，提供數(shù)據(jù)異常事件記錄和功能，保證原始數(shù)據(jù)的性和真實性，提供完備的數(shù)據(jù)備份和恢復機制。
       （4）開放與兼容。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，模塊化結(jié)構(gòu)和低耦合設計，在各個應用環(huán)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和兼容性，為第三方既有系統(tǒng)的接入和設備的集成提供相應的軟硬件接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換。
       （5）應用控制安全。系統(tǒng)對用戶數(shù)據(jù)進行高等級加密，系統(tǒng)中的設備、服務都按用戶的權(quán)限來配置重要的控制功能，只有授權(quán)的用戶才可以訪問其權(quán)限對應的內(nèi)容，支持用戶的分級分權(quán)限登錄訪問，保證了系統(tǒng)的訪問安全和數(shù)據(jù)安全。
       （6）動態(tài)擴展。系統(tǒng)可根據(jù)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(tài)加入新的存儲節(jié)點，平滑實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)中心的擴容升級。
3.2.硬件設備
       （1）電氣火災監(jiān)控探測器。多傳感器組合式電氣火災監(jiān)控探測器能同時監(jiān)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(guān)鍵因素之一，故增加了電流（負荷）的監(jiān)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(xiàn)一路漏電、三路電流、四路溫度的監(jiān)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(huán)境，方形用于配電線路是銅排的環(huán)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(jiān)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，一般有開口式、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(jiān)控回路上。安裝時，每一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/柜安裝一個環(huán)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?shù)倪B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(shù)據(jù)；與傳統(tǒng)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(shù)據(jù)相比，節(jié)省了50%的費用。
4實際應用
       根據(jù)上述方案，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣火災智能運維管控系統(tǒng)，并成功應用于湖南省長沙市某商業(yè)項目的電氣火災監(jiān)控。該項目位于湖南省長沙市岳麓區(qū)梅溪湖新城核心，占地面積近200100m2，規(guī)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(qū)、酒店、公寓、寫字樓、住宅等商業(yè)形態(tài)于一體的城市綜合體，是電氣火災監(jiān)控的和難點單位。
4.1針對性考慮
       了使安裝在該商業(yè)項目中的電氣火災智能運維管控系統(tǒng)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(tǒng)對本身動態(tài)環(huán)境的適應性及對使用環(huán)境的耐沖擊能力。
       （2）容錯設計。在數(shù)據(jù)通信、處理及存貯中，采用的容錯技術(shù)，迅速糾正偶然錯誤，保證數(shù)據(jù)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(shù)改進，保證了該商業(yè)項目的電氣火災智能運維管控系統(tǒng)以更高的安全等級行。
4.2應用分析
       系統(tǒng)應用在20萬m2大型美式Shoppingmall的店鋪的配電系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)為TN-C-S系統(tǒng)，為三相五線制、結(jié)構(gòu)，用電末端安裝帶漏電單相雙空氣開關(guān)，系統(tǒng)在每個監(jiān)控點（配電箱/柜）采用ST-D134系列電氣火災監(jiān)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(shù)據(jù)到云平臺上，共需要79臺ST-D監(jiān)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(tǒng)的效用
4.3.1情況1
       系統(tǒng)安裝時，發(fā)現(xiàn)L2層5號強電井存在線路擊穿的現(xiàn)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(tǒng)安裝時，發(fā)現(xiàn)L2層4號強電井漏電斷路器上開關(guān)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(guān)反接

4.3.3情況3
       通過平臺分析，G層8號井總開關(guān)存在漏電，且漏電值從早上開業(yè)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(guān)存在漏電，而且漏電值從早上開業(yè)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(shù)創(chuàng)新
       （1）實用性。系統(tǒng)將電氣火災監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，實現(xiàn)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(tǒng)通過電氣火災監(jiān)控探測器采集、上傳數(shù)據(jù)，能實時傳輸電氣火災監(jiān)控信息及火災自動信息，自動分析數(shù)據(jù)，平臺即時展現(xiàn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時。
       （3）易實施。系統(tǒng)項目施工中無需布線、穿墻，能夠快速、低成本地完成監(jiān)控網(wǎng)絡的建設，避免建筑物的受損；可隨意增減數(shù)據(jù)采集節(jié)點，便捷地改變網(wǎng)絡規(guī)模，快速實現(xiàn)系統(tǒng)擴容；系統(tǒng)運行策略可以遠程更換，實現(xiàn)遠程維護；任何物聯(lián)節(jié)點都能接入既有無線網(wǎng)絡，使用者可根據(jù)需求更換傳感器，實現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)，執(zhí)行相應操作?？蔀榻ㄖ锝⒔y(tǒng)一的安全保護數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)支持和保障。
6安科瑞物聯(lián)網(wǎng)電氣防火系統(tǒng)架構(gòu)和硬件選型
       安科瑞電氣推出的物聯(lián)網(wǎng)電氣防火系統(tǒng)采用的剩余電流互感器、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(fā)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(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)時間的排查和治理，達到潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“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(xiàn)對平臺的訪問，查詢包括系統(tǒng)信息、實時數(shù)據(jù)、報記錄等在內(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，能有提升企業(yè)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(chǎn)損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任事故的發(fā)生。

       本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(xiàn)場硬件配置

       方案一：100A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(jù)現(xiàn)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(tǒng)或IOS系統(tǒng)手機（android或IOS4.0及以上版本）。
2）瀏覽器端運行環(huán)境：
       Windows系統(tǒng)下使用谷歌、火狐、360（速模式）等瀏覽器訪問。
6.3主要技術(shù)指標 
數(shù)據(jù)上傳頻率：2分鐘
通信方式：RS485、2G/3G/4G
并發(fā)訪問量：>=10000
歷史數(shù)據(jù)存儲：>=3年
7結(jié)論
       基于物聯(lián)網(wǎng)電氣火災監(jiān)測技術(shù)的使用，采用可視的數(shù)字化監(jiān)控模式，做到準確、監(jiān)測用電戶線路中的漏電、電流、溫度等變化。一旦用電戶發(fā)生線路異常情況，系統(tǒng)能夠迅速發(fā)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(tài)，起到預警作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入還將地建立起集中、完整、的城域消防網(wǎng)絡，實現(xiàn)意義上的遠程監(jiān)控，充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電氣安全運行監(jiān)控中的積作用。

參考文獻：
[1]幸雪初.淺析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電氣防火中的應用[J]
[2]嚴曉龍.基于大數(shù)據(jù)的電氣火災隱患治理體系探討[J].消防科學與技術(shù)，2017，36（12）：1742-1744.
[3]朱鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].科技風，2018，31(10):54-55.
[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版