浅析物联网技术在电气火灾系统中的应用

关键词：电气火灾；物联网技术；电气火灾监控
1引言
       近年来，我国电气火灾事故多发，造成了重大人员伤亡和财产损失。据统计，2011-2017年，我国共发生电气火灾事故64.1万起，造成3832人死亡、2398人受伤，直接经济损失达101.1亿余元，均占全国火灾总量及伤亡损失的33%以上。其中，特别重大电气火灾17起，占特别重大火灾总数的70%。笔者探讨物联网技术在电气防火中的应用，提出物联网技术与传统电气火灾监控技术相结合的解决方案。
2电气火灾的特点
2.1电气火灾的起火原因
       电气火灾一般是指因电气线路、用电设备和器具以及供配电设备出现故障性释放的热能，在具备燃烧条件下引燃本体或者其他而造成的火灾。根据中国电气防火委员会的统计数据，漏电、过载、短路、接触导致的线缆温度过热等原因引起的火灾，占电气火灾起火原因的90%以上。
2.2电气火灾的特性
       （1）隐蔽性强。漏电与短路等电气故障多发生在电器设备内部或电线的交叉部位，电气起火的初部位隐蔽性强，通常在火灾已形成并发展成明火后才被发现。
       （2）燃烧速度快。电缆着火时，因短路或过流时的电线温度很高，导致火焰沿电线燃烧的速度，借助或其他助燃物质，会使燃烧速度进一步。
       （3）扑救困难。电线或电气设备着火时一般在其内部，看不到起火点，且不能用水来扑救，故带电的电线着火时不易扑救。此外，配电线路复杂，造成火灾线路扩展，给火灾扑救带来更大难度。
       （4）危害性大。电气火灾不仅会导致电气设备的损坏，还会殃及电力设备分布路径周边设施，对周边设施造成危害，使火灾范围扩大，威胁人身安全。另外，电气火灾也会引发其他重要用电设备（如电梯、应急照明灯等）的断电，带来不可预计的损失。
2.3.当前预防电气火灾的难点
       （1）故障不及时，无自动巡查，发现隐患慢。
       （2）隐情位置难以把握，不知何处存在电气隐患，事故灾情损失严重。
       （3）无云端数据支撑，火灾原因难以定位。
       （4）电气防火技术匮乏，维护管理不到位，无队伍，电气隐患难以排查。
2.4电气火灾检测设备的发展
       电气火灾检测设备大致经历了保险丝熔断器→空气开关/漏电开关→传统电气火灾监控系统的发展历程。保险丝熔断器、空气开关提供短路和过载保护，漏电开关可以提供漏电保护，组合式的空漏开关提供了上述三种保护功能。传统漏电开关、空气开关的主要在于：
       （1）传统开关均采用机械式被动保护，很难主动从根源上杜绝火灾的形成，没有智能监控电气线路配置，当电气线路出现故障之后才做出滞后的功能反应。
       （2）传统开关普遍只具备短路、漏电以及过电流保护，当线路出现过载、过压、欠压、误合闸等其他问题时，很难快速切断供电，容易引发火灾等事故。
       （3）保护动作速度慢、准确性差，传统开关因采用机械式偏心移位分断电源，分断速度慢，且工作中的剧烈震动易导致元器件失灵，会造成灵敏度降低。
       （4）不具备消防联动和远程监控功能，扑救奔赴现场，跟不上现代智能管理的要求。
3物联网与传统电气火灾监控技术相结合的解决方案
       鉴于当前用电安全监测的难点，需要一种成熟的、的用电安全监管工具实时“在线”提醒或者通知安全管理人员，且能够根据一段时间的历史数据对建筑物的用电情况进行的分析，评估用电风险，从而大幅度降低火灾发生的几率，进而避免火灾尤其是电气火灾的发生。笔者提出物联网技术与传统电气火灾监控技术相结合的解决方案，由系统平台和相关硬件设备组成。
3.1系统平台
       系统平台是电气火灾智能运维管控系统的软件，具备以下特点：
       （1）方便使用。系统采用B/S结构网站方式设计和建设，配合移动客户端，使系统所有用户和管理部门的相关人员在任何地点、任何时间都可以通过Internet访问系统，查看和操作相应权限内的内容信息，用户也可通过在智能手机上的微信公众号实现系统登录访问。
       （2）实时应用。系统可实时监控采集剩余电流、电流、温度等数据，对超过阈值的数据进行即时，并通过短信、邮件、电话及微信等方式通知相关用户，用户也可以查看相应的历史数据。
       （3）可靠的数据管理与分析。系统对采集的原始数据和应用数据进行分类存储和管理，对数据的完整性、正确性进行检查和分析，提供数据异常事件记录和功能，保证原始数据的性和真实性，提供完备的数据备份和恢复机制。
       （4）开放与兼容。系统采用分层架构，模块化结构和低耦合设计，在各个应用环节实现系统的开放性和兼容性，为第三方既有系统的接入和设备的集成提供相应的软硬件接口和协议转换。
       （5）应用控制安全。系统对用户数据进行高等级加密，系统中的设备、服务都按用户的权限来配置重要的控制功能，只有授权的用户才可以访问其权限对应的内容，支持用户的分级分权限登录访问，保证了系统的访问安全和数据安全。
       （6）动态扩展。系统可根据需要随时增加用电安全智能传感终端。服务平台可在不停止服务的情况下，动态加入新的存储节点，平滑实现后台数据中心的扩容升级。
3.2.硬件设备
       （1）电气火灾监控探测器。多传感器组合式电气火灾监控探测器能同时监测被保护线路中的剩余电流值和温度变化。由于电气线路的超负荷、短路也是引起电气火灾的关键因素之一，故增加了电流（负荷）的监控；为了能够同时兼容探测220V及380V电路，还采用了拓展功能，大能实现一路漏电、三路电流、四路温度的监控。
       （2）剩余电流传感器。剩余电流互感器用来测量被保护线路中剩余电流值的变化。剩余电流传感器有圆形和方形两种（开口式、闭口式）类型，圆形用于配电线路是电缆的环境，方形用于配电线路是铜排的环境。开口式剩余电流传感器能够不断电安装，不影响用户的正常用电。安装时，监控回路的零线火线同时同向穿过剩余电流传感器，地线不能穿过剩余电流传感器。
       （3）电流传感器。电流互感器测量被保护线路中电流变化，一般有开口式、闭口式两种型式。开口式用于在用的建筑；闭口式用于新建的建筑，在做配电箱时装到监控回路上。安装时，每一条火线单独穿过电流传感器。
       （4）测温传感器。热敏电阻或红外测温等原件组成的传感器用来测量被保护线路中温度的变化。安装时，用绝缘耐高温的扎带固定在火线与断路器的输出端，同时还需在配电箱/柜安装一个环境温度的测温传感器。
       （5）无线传输模块。无线传输模块用于探测器到云平台直接通信传输的连接。其类型有GPRS、NB、LORA等；采用RVS21.0mm2的双绞线与探测器连接。1个无线传输模块可以同时传输4个探测器32个通道的数据；与传统的1个无线传输模块只能连接1个探测器，传输8个通道的数据相比，节省了50%的费用。
4实际应用
       根据上述方案，研发了基于物联网技术的电气火灾智能运维管控系统，并成功应用于湖南省长沙市某商业项目的电气火灾监控。该项目位于湖南省长沙市岳麓区梅溪湖国际新城核心，占地面积近200100m2，规划总建筑面积60万m2，总投资40亿元，是集20万m2大型美式Shoppingmall、国际时尚居广场、情景式时尚街区、酒店、公寓、写字楼、住宅等商业形态于一体的国际城市综合体，是电气火灾监控的和难点单位。
4.1针对性考虑
       了使安装在该商业项目中的电气火灾智能运维管控系统能够可靠工作，从以下方面做了设计改进。
       （1）降额设计。所有电路元器件均按满额的70%以下降额使用，以增强系统对本身动态环境的适应性及对使用环境的耐冲击能力。
       （2）容错设计。在数据通信、处理及存贮中，采用的容错技术，迅速纠正偶然错误，保证数据的正确无误。
       （3）标准化设计。完成了软件接口、电气安全、模块电路、工程施工等设计的标准化。通过以上技术改进，保证了该商业项目的电气火灾智能运维管控系统以更高的安全等级行。
4.2应用分析
       系统应用在20万m2大型美式Shoppingmall的店铺的配电系统中，配电系统为TN-C-S系统，为三相五线制、结构，用电末端安装带漏电单相双空气开关，系统在每个监控点（配电箱/柜）采用ST-D134系列电气火灾监控探测器，1个剩余电流传感器（圆形、方形）、3个电流传感器、4个温度传感器，通过无线传输模块上传电气安全数据到云平台上，共需要79台ST-D监控探测器、237个ST-DA电流互感器、316个ST-W温度探测器、48台无线模块及32个ST-LY(C)剩余电流互感器，46个ST-LF(C)剩余电流互感器方形开口互感器。
4.3安装电气火灾智能运维管控系统的效用
4.3.1情况1
       系统安装时，发现L2层5号强电井存在线路击穿的现象，线槽带电并已打火花烧黑，如图1所示。

图1线路击穿

4.3.2情况2
       系统安装时，发现L2层4号强电井漏电断路器上开关进线出线接反（见图2），造成漏电断路器动作后，电压依然加在脱扣线圈上，会烧毁线圈，使整个漏电断路器丧失漏电保护功能。

图2开关反接

4.3.3情况3
       通过平台分析，G层8号井总开关存在漏电，且漏电值从早上开业之后变大，到晚上打烊后变小，可以判定此回路的漏电主要由设备引起的。而L2层7号强电井金釜山总开关存在漏电，而且漏电值从早上开业之后变大，到晚上打烊后变小，说明此回路的漏电主要由设备引起。
5技术创新
       （1）实用性。系统将电气火灾监控与物联网技术融合，实现了24h电气防火的远程管理，消灭了安全死角，大提升了管理部门对建筑物的管辖保护能力。
       （2）智能化。系统通过电气火灾监控探测器采集、上传数据，能实时传输电气火灾监控信息及火灾自动信息，自动分析数据，平台即时展现数据，实现实时。
       （3）易实施。系统项目施工中无需布线、穿墙，能够快速、低成本地完成监控网络的建设，避免建筑物的受损；可随意增减数据采集节点，便捷地改变网络规模，快速实现系统扩容；系统运行策略可以远程更换，实现远程维护；任何物联节点都能接入既有无线网络，使用者可根据需求更换传感器，实现系统功能的扩展。
       （4）体系化。管理部门可以在计算机终端（PC端）和手机客户端查看到新数据，执行相应操作。可为建筑物建立统一的安全保护数据管理体系，为火灾分析、防灾方案、用电安全等日常管理提供数据支持和保障。
6安科瑞物联网电气防火系统架构和硬件选型
       安科瑞电气推出的物联网电气防火系统采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器和电气火灾探测器、故障电弧探测器和电气防火限流式保护器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流、剩余电流、故障电弧等）进行不间断的数据与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现时间的排查和治理，达到潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。
       用户可以利用PC、手机、平板电脑等多种终端实现对平台的访问，查询包括系统信息、实时数据、报记录等在内的各种信息，使用方便。利用该系统为用户提供的低成本服务，能有提升企业的消防安全管理和电气设备安全水平，防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任事故的发生。

       本系统的整体结构如图所示：

6.1硬件配置：
       平台服务器：建议按照我方提供配置标准购买，或者客户自己租用阿里云资源。
       推荐硬件配置：（如申请阿里云可忽略）

       现场硬件配置

       方案一：100A以下回路，开口式互感器

       方案二：100A以下回路，普通互感器，会增加施工量

       方案三：100A以下回路，普通电流互感器，探测器和无线模块分开，可适用多回路

       配置针对1个回路，剩余电流互感器根据现场回路电流大小选择。

6.2运行条件
1）浏览器运行设备：
       台式电脑（WindowsXP以上），安卓系统或IOS系统手机（android或IOS4.0及以上版本）。
2）浏览器端运行环境：
       Windows系统下使用谷歌、火狐、360（速模式）等浏览器访问。
6.3主要技术指标 
数据上传频率：2分钟
通信方式：RS485、2G/3G/4G
并发访问量：>=10000
历史数据存储：>=3年
7结论
       基于物联网电气火灾监测技术的使用，采用可视的数字化监控模式，做到准确、监测用电户线路中的漏电、电流、温度等变化。一旦用电户发生线路异常情况，系统能够迅速发出信号并准确报出故障点，便于电气人员及时排除线路故障，将电气火灾消灭在萌芽状态，起到预警作用。物联网技术的引入还将地建立起集中、完整、的城域消防网络，实现意义上的远程监控，充分体现物联网技术在电气安全运行监控中的积作用。

参考文献：
[1]幸雪初.浅析物联网技术在电气防火中的应用[J]
[2]严晓龙.基于大数据的电气火灾隐患治理体系探讨[J].消防科学与技术，2017，36（12）：1742-1744.
[3]朱鹏.基于物联网的智能电气火灾监控系统研究[J].科技风，2018，31(10):54-55.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

作者简介：

王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为公共场所安全用电的分析与防治。