微秒級快速限流技術在電氣防火領域中的應用

1 快速限流的必要性

在電氣防火領域，雖然目前已普遍采用智能化電子設備對用戶現場的電氣線路進行監測、報警和控制，然而，對于造成電氣火災危害最嚴重的電路短路故障卻始終缺乏有效的限流保護手段。電氣短路故障發生時會在極短時間內產生數百甚至數千安培的電流，使得電氣線路迅速發熱、短路點產生危險火花從而引發火災。現有的電氣火災監控設備的分斷機構普遍采用電磁脫扣式斷路器，其分斷時間一般在毫秒級甚至更長，當短路故障發生時，盡管監控系統能夠實時檢測到短路故障的發生，但由于執行分斷指令的時間過長，瞬時劇增的短路電流來不及即刻得到抑制，使得短路電流仍會上升到峰值，從而造成發熱與電弧的出現，引發火災。另外，斷路器的機械觸點在開關動作時會產生抖動和飛弧，這會加劇觸點表面氧化，、使得觸點電阻增大而發生接觸不良，出現飛弧、燒蝕觸點甚至熔融等導致斷路器失效。由此可見，現有火災監控系統對于電氣短路故障，只能做到實時監測與報警，無法快速限制短路電流的劇增，很有可能造成電氣火災的發生。

若要有效避免因短路故障所引發火災，其關鍵措施就是要實現快速限流，即系統應具有快速響應能力。當電氣線路發生短路故障時，系統監測到短路電流超過額定電流的數倍，并在極短的時間內快速實現限流分斷，使得短路電流不再劇增，因而電線不再發熱，短路點也不會噴發危險火花和金屬粒子，從而減小發生火災的可能性。

圖1  短路限流控制能量比較

想要實現快速限流，理論上希望系統的響應時間越短越好，因此不能使用慢速的機電式斷路器作為限流分斷開關，而應采用響應迅速的固態開關，當前的技術可以做到系統響應時間＜150μs，即系統能在150μs內實現快速限流保護，使得短路時的瞬時電流被限制在設備設定的整定值以內，釋放的能量遠小于傳統的機電保護方式，有效抑制短路點可能出現的危險電火花。

將微秒級快速限流技術與傳統斷路器的防火監控設備進行限流分斷比較，短路故障發生前后的能量與時間關系示意圖如圖1所示。圖中a點為發生短路故障的時間點，傳統設備由于斷路器執行時間過長，短路電流瞬時劇增到c點，直至到d點才分斷結束，期間所積聚的能量（即斜線部分面積）巨大，易產生電氣火花而引發火災；使用微秒級快速限流技術后，當發生短路故障時，系統能在150μs內快速執行限流保護，使得短路電流被限制在正常工作電流的數倍即b點時就被限流分斷至e點結束。顯然，應用微秒級快速限流技術可有效減少短路故障釋放的能量，短路點也不易產生危險火花。

**公司在快速限流保護技術方面獲得突破性創新, 成功研發國內首創的“電氣防火限流式保護器”（以下簡稱“保護器”），能夠對電氣短路電流實現快速限流保護，該項技術填補了國內電氣防火領域快速限流技術的空白，已經獲得國家發明專利的授權。公司與浙江省公安消防總隊合作承擔公安部消防局的科研計劃“電氣防火限流式保護器”,通過了公安部專家驗收，并獲得公安部科技進步三等獎。 公司以第一參編單位參與編制國家標準GB14287.6《電氣火災監控系統 第6部分：電氣防火限流式保護器》,現已進入正式報批程序。

用于電氣防火領域的快速限流技術經中科院上海科技查新咨詢中心檢索后的分析結論為：“......未見到國內外有此‘電氣防火限流式保護器’相關報道。因此，該項目具有新穎性和良好的市場應用價值，屬國內領先水平”。

2 微妙級快速限流技術原理

微秒級快速限流技術對電氣防火限流式保護器系統的設計提出了全新的要求，主要集中在如何實現“快速”這個目標上，這就要求保護器系統檢測電流速度要快、系統處理速度要快、限流分斷開關速度要快。  

圖2所示的電氣防火限流式保護器系統框圖由以下幾個單元構成：電流互感器、檢測單元、溫度傳感器、主控開關、微處理器單元、通信單元、報警單元以及輔助電源單元。

圖2 電路工作原理方框圖

電流互感器將電氣線路上的電流I轉變為與之大小相對應的信號，其感應精度和穩定度保證了交流電流有效值的測量精度。

檢測單元具有高靈敏度與高速檢測功能，負責采集經由電流互感器傳來的用電回路的實時電流信號，經檢測單元預處理后送至微處理器。另外,由溫度傳感器采集到的環境與機內工作溫度信號也由檢測單元2轉化為數字信號,送至微處理器單元進行處理。

微處理器單元選用具有高速處理能力的高性能微處理器，將采集到的電流值、溫度值進行快速計算和分析，根據電流的大小，分別與整定值進行比較，區分出此時主回路電流I是過載電流還是短路電流，判斷是否出現超溫故障。根據程序設計的指令要求，分別執行短路故障快速分斷、超負荷過電流限流保護以及超溫保護。與此同時，微處理器單元能夠控制報警單元發出聲光報警信號，通過通信單元實現遠程聯機通信。

主控開關采用高性能的絕緣柵功率場效應管組成交流電子式固態開關電路，由微處理器控制其開關狀態，完成主控開關的導通和截止。該主控開關單元具有通斷速度快、無觸點、無火花、導通狀態管壓低、開關壽命長、易于電流擴展等優點。

通信單元主要受微處理器單元的控制，通過RS-485數據接口電路實現與上位機的遠程通信。可將各個保護器的數據存入到監控電腦的數據庫中，并實時顯示各個保護器的工作狀態、故障發生位置、故障類型和故障時間，還能進行監控數據的統計、分析、存儲和追溯。

報警單元受微處理器單元的控制，當檢測到故障發生時，能夠發出聲光報警信號。

3 微妙級快速限流技術的應用

新一代智能化的產品“電氣防火限流式保護器”，目前已經形成單相10、20、32、63A 和三相45A等系列產品。產品的系統組成如圖3所示。

圖3  電氣防火限流式保護器系統組成示意圖

3.1 產品功能

微秒級短路限流保護功能：能實時檢測用電線路的電流，發生短路故障時能在150μs內實現快速限流保護，有效抑制因短路電流過大所引起的電氣火災危害。

過載限流保護功能：當被保護線路的電流超過額定電流處于過載狀態、且過載持續時間超過設定時間（3~60s）時，保護器即可執行過載報警或限流保護。

超溫保護功能：當保護器工作環境溫度或機內元件溫度超過設定溫度值時，保護器即可執行超溫保護功能。

聲光報警指示功能：保護器執行限流保護時，能發出聲光報警指示。

數據聯網功能：保護器內置遠程計算機數據接口，符合RS-485接口協議，可以將多臺保護器與計算機聯網，實現計算機實時監控、統計查詢與追溯功能。

3.2 適用范圍

電氣防火限流式保護器使用時應串接在電力分路開關后的用電線路中，可以應用于各種易發生電氣火災的場所，如學校、醫院、古建筑、賓館、娛樂場所、商品市場、倉庫及工廠。亦可作為石油、化工、汽車等領域的電氣防火延伸應用。

北京市地方標準已經在DB11/791-2011《文物建筑消防設施設置規范》中明確規定，文物建筑中重要用電設備的電源接入處宜設置限流式斷電保護器。

公司參與編制的“上海市工程建設規范 - 民用建筑電氣防火設計規程”中第5.4.1條規定：“租售式商場商鋪、批發市場、集貿市場、甲乙丙類危險品倉庫和廠房等場所的末端配電箱應設置電氣防火限流式保護器。電動車充電站、學生宿舍及養老院等場所的末端配電箱宜設置電氣防火限流式保護器。”該規程已經通過審定，進入正式報批頒布程序。

3.3 工程案例

上海世博會場館：產品安裝在上海世博會中國館、主題館、足跡館、阿爾及利亞館等十余場館。展會期間，多次發生超負荷故障以及因國外電源插頭不匹配造成的線路短路。

上海商學院：上海商學院先后在中山西路校區和奉賢校區的學生宿舍樓安裝了700余臺電氣防火限流式保護器，開通運行4年多來，沒有發生過因電氣線路故障引發的事故，有效保護了學生宿舍的用電安全。

上海豫園商城：商城曾多次因室外景觀燈線路受潮、老化等原因引起線路短路、打火，造成電氣線路故障。

上海宇培物流公司：倉庫電氣線路因下雨電線管線進水造成電氣短路故障，需快速實施限流保護，及時查明故障原因。

上海黃浦區田子坊商業區：上海田子坊商業區屬于老式石庫門舊里改造商區，住房密度高，弄堂道路狹窄，木質結構房屋陳舊，商區內又有多家餐飲店，消防防控難度較大。

山東曲阜孔府、孔廟、孔林景區：孔府、孔廟、孔林景區屬于國家級古建筑保護單位。

浙江普陀山景區：浙江普陀山景區寺廟周邊民居、商店、旅館亂拉亂接電線嚴重，線路老舊，存在多處電氣火災隱患。

以上工程案例各自具有顯著的電氣特點，“電器防火限流保護器”的應用降低了火災發生的可能性，得到用戶的一致好評。

電氣防火限流保護器自研發生產以來，共計安裝使用上萬臺，經過五年多的實際應用，到目前為止，排除了多起電氣火災隱患，在所安裝的電氣回路中，至今未發生一起電氣火災事故，受到使用單位的廣泛贊揚和極高的評價。該產品對于有效地預防電氣火災的發生、減少火災危害、保障人身財產安全、維護社會和諧穩定發揮了十分重要的作用。