陳立民

(上海市誠佳電子科技有限公司，上海 200023)

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微秒級快速限流技術(shù)在電氣防火領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳立民

(上海市誠佳電子科技有限公司，上海 200023)

1　快速限流的必要性

在電氣防火領(lǐng)域，雖然目前已普遍采用智能化電子設(shè)備對用戶現(xiàn)場的電氣線路進(jìn)行監(jiān)測、報警和控制，然而，對于造成電氣火災(zāi)危害最嚴(yán)重的電路短路故障，始終缺乏有效的限流保護(hù)手段以解除故障。電氣短路故障發(fā)生時會在極短時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百甚至數(shù)千安培的電流，使電氣線路迅速發(fā)熱、短路點(diǎn)產(chǎn)生危險火花從而引發(fā)火災(zāi)?，F(xiàn)有的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)普遍采用電磁脫扣式斷路器，其分?jǐn)鄷r間一般在毫秒級甚至更長，當(dāng)短路故障發(fā)生時，盡管監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測到短路故障的發(fā)生，但由于執(zhí)行分?jǐn)嘀噶畹臅r間過長，瞬時劇增的短路電流不能立即受到抑制，導(dǎo)致短路電流值上升到峰值，造成發(fā)熱與電弧的出現(xiàn)，甚至引發(fā)火災(zāi)。另外，斷路器的機(jī)械觸點(diǎn)在開關(guān)動作時會產(chǎn)生抖動和飛弧，這會加劇觸點(diǎn)表面氧化，使得觸點(diǎn)電阻增大而發(fā)生接觸不良、飛弧、燒蝕觸點(diǎn)甚至熔融等現(xiàn)象導(dǎo)致斷路器失效。由此可見，現(xiàn)有火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對于電氣短路故障，只能做到實(shí)時監(jiān)測與報警，還無法快速限制短路電流的劇增，因而很有可能造成電氣火災(zāi)的發(fā)生。

有效避免因短路故障而引發(fā)的火災(zāi)，其關(guān)鍵措施是要實(shí)現(xiàn)快速限流，即系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)能力。當(dāng)電氣線路發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)監(jiān)測到短路電流超過額定電流的數(shù)倍，并在極短的時間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)限流分?jǐn)?，使得短路電流不再劇增，因而電線不再發(fā)熱，短路點(diǎn)也不會噴發(fā)危險火花和金屬粒子，減小了火災(zāi)發(fā)生的可能性。

若要實(shí)現(xiàn)快速限流，理論上系統(tǒng)的響應(yīng)時間越短越好，因此不能使用慢速的機(jī)電式斷路器作為限流分?jǐn)嚅_關(guān)，而應(yīng)采用可以快速響應(yīng)的固態(tài)開關(guān)，當(dāng)前的技術(shù)可以做到系統(tǒng)響應(yīng)時間<150μs，即系統(tǒng)能在150μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，使得短路時的瞬時電流被限制在設(shè)備設(shè)定的整定值以內(nèi)，釋放的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的機(jī)電保護(hù)方式，有效抑制可能會在短路點(diǎn)出現(xiàn)的危險電火花。

將微秒級快速限流技術(shù)與傳統(tǒng)斷路器的防火監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行限流分?jǐn)啾容^，比較后可得兩者在短路故障發(fā)生前后的能量與時間關(guān)系示意圖(圖1)。圖中a點(diǎn)為發(fā)生短路故障的時間點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)備由于斷路器執(zhí)行時間過長，短路電流瞬時劇增到c點(diǎn)，直至到d點(diǎn)才分?jǐn)嘟Y(jié)束。期間所積聚的能量(即斜線部分面積)巨大，易產(chǎn)生電氣火花而引發(fā)火災(zāi)；使用微秒級快速限流技術(shù)后，當(dāng)發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)能在150μs內(nèi)快速執(zhí)行限流保護(hù)，使得短路電流被限制在正常工作電流的數(shù)倍(即b點(diǎn)時就被限流分?jǐn)嘀羍點(diǎn)結(jié)束)。顯然，應(yīng)用微秒級快速限流技術(shù)可有效減少短路故障釋放的能量，短路點(diǎn)也不易產(chǎn)生危險火花。

圖1　短路限流控制能量比較

上海誠佳電子科技有限公司在快速限流保護(hù)技術(shù)方面取得了突破性創(chuàng)新,成功研發(fā)了國內(nèi)首創(chuàng)的“電氣防火限流式保護(hù)器”(以下簡稱“保護(hù)器”)，能夠?qū)﹄姎舛搪冯娏鲗?shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利的授權(quán)。公司與浙江省公安消防總隊合作承擔(dān)公安部消防局的科研計劃“電氣防火限流式保護(hù)器”,通過了公安部專家驗(yàn)收，并獲得公安部科技進(jìn)步三等獎。并且，公司以第一參編單位參與編制國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14287.6《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第6部分：電氣防火限流式保護(hù)器》,現(xiàn)已進(jìn)入正式報批程序。

用于電氣防火領(lǐng)域的快速限流技術(shù)經(jīng)中科院上?？萍疾樾伦稍冎行臋z索后的分析結(jié)論為：“……未見到國內(nèi)外有此‘電氣防火限流式保護(hù)器’相關(guān)報道。因此，該項(xiàng)目具有新穎性和良好的市場應(yīng)用價值，屬國內(nèi)領(lǐng)先水平”。

2　微秒級快速限流技術(shù)原理

微秒級快速限流技術(shù)對電氣防火限流式保護(hù)器系統(tǒng)的設(shè)計提出了全新的要求，主要集中在如何實(shí)現(xiàn)“快速分?jǐn)唷边@個目標(biāo)上，這就要求保護(hù)器系統(tǒng)檢測電流速度、系統(tǒng)處理速度及限流分?jǐn)嚅_關(guān)速度都要快。

圖2所示的電氣防火限流式保護(hù)器電路工作原理框圖由以下幾個單元構(gòu)成：電流互感器、檢測單元、溫度傳感器、主控開關(guān)、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(zhuǎn)變?yōu)榕c之大小相對應(yīng)的信號，其感應(yīng)精度和穩(wěn)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(fù)責(zé)采集經(jīng)由電流互感器傳來的用電回路的實(shí)時電流信號，經(jīng)檢測單元預(yù)處理后送至微處理器。另外,由溫度傳感器采集到的環(huán)境與機(jī)內(nèi)工作溫度信號也由檢測單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,送至微處理器單元進(jìn)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(jìn)行快速計算和分析，根據(jù)電流的大小，分別與整定值進(jìn)行比較，分析此時主回路電流I是過載電流還是短路電流，以及是否出現(xiàn)超溫故障。根據(jù)程序設(shè)計的指令要求，分別執(zhí)行短路故障快速分?jǐn)?、超?fù)荷過電流限流保護(hù)以及超溫保護(hù)等操作。與此同時，微處理器單元能夠控制報警單元發(fā)出聲光報警信號，通過通信單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)通信。

主控開關(guān)采用高性能的絕緣柵功率場效應(yīng)管組成交流電子式固態(tài)開關(guān)電路，由微處理器控制其開關(guān)狀態(tài)，完成主控開關(guān)的導(dǎo)通和截止。該主控開關(guān)單元具有通斷速度快、無觸點(diǎn)、無火花、導(dǎo)通狀態(tài)管壓低、開關(guān)壽命長、易于電流擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

通信單元主要受微處理器單元的控制，通過RS-485數(shù)據(jù)接口電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信?？蓪⒏鱾€保護(hù)器的數(shù)據(jù)存入到監(jiān)控電腦的數(shù)據(jù)庫中，并實(shí)時顯示各個保護(hù)器的工作狀態(tài)、故障發(fā)生位置、故障類型和故障時間，還能進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、存儲和追溯。

報警單元受微處理器單元的控制，當(dāng)檢測到故障發(fā)生時，能夠發(fā)出聲光報警信號。

3　微秒級快速限流技術(shù)的應(yīng)用

上海誠佳電子科技有限公司應(yīng)用微秒級快速限流技術(shù)開發(fā)出新一代智能化的產(chǎn)品“電氣防火限流式保護(hù)器”，目前已經(jīng)形成單相10、20、32、63A 和三相45A等系列產(chǎn)品。產(chǎn)品的系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3　電氣防火限流式保護(hù)器系統(tǒng)組成示意圖

3.1產(chǎn)品功能

微秒級短路限流保護(hù)功能：能實(shí)時檢測用電線路的電流，發(fā)生短路故障時能在150μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，有效抑制因短路電流過大而引起的電氣火災(zāi)危害。

過載限流保護(hù)功能：當(dāng)被保護(hù)線路的電流超過額定電流處于過載狀態(tài)且過載持續(xù)時間超過設(shè)定時間(3～60s)時，保護(hù)器即可執(zhí)行過載報警或限流保護(hù)。

超溫保護(hù)功能：當(dāng)保護(hù)器工作環(huán)境溫度或機(jī)內(nèi)元件溫度超過設(shè)定溫度值時，保護(hù)器即可執(zhí)行超溫保護(hù)功能。

聲光報警指示功能：保護(hù)器執(zhí)行限流保護(hù)時，能發(fā)出聲光報警指示。

數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能：保護(hù)器內(nèi)置遠(yuǎn)程計算機(jī)數(shù)據(jù)接口，符合RS-485接口協(xié)議，可以將多臺保護(hù)器與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)實(shí)時監(jiān)控、統(tǒng)計查詢與追溯功能。

3.2適用范圍

電氣防火限流式保護(hù)器使用時應(yīng)串接在電力分路開關(guān)后的用電線路中，可以應(yīng)用于各種易發(fā)生電氣火災(zāi)的場所，如學(xué)校、醫(yī)院、古建筑、賓館、娛樂場所、商品市場、倉庫及工廠等。亦可作為石油、化工、汽車等領(lǐng)域的電氣防火延伸應(yīng)用。

北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/791-2011《文物建筑消防設(shè)施設(shè)置規(guī)范》中明確規(guī)定，文物建筑中重要用電設(shè)備的電源接入處宜設(shè)置限流式斷電保護(hù)器。

上海誠佳電子科技有限公司參與編制的“上海市工程建設(shè)規(guī)范-民用建筑電氣防火設(shè)計規(guī)程”中第5.4.1條規(guī)定：“租售式商場商鋪、批發(fā)市場、集貿(mào)市場、甲乙丙類危險品倉庫和廠房等場所的末端配電箱應(yīng)設(shè)置電氣防火限流式保護(hù)器。電動車充電站、學(xué)生宿舍及養(yǎng)老院等場所的末端配電箱宜設(shè)置電氣防火限流式保護(hù)器?！痹撘?guī)程已經(jīng)通過審定，進(jìn)入正式報批頒布程序。

3.3工程案例

上海世博會場館：電氣防火限流式保護(hù)器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，有效抑制展會期間超負(fù)荷故障及因國外電源插頭不匹配等造成的線路短路。

上海商學(xué)院：上海商學(xué)院先后在中山西路校區(qū)和奉賢校區(qū)的學(xué)生宿舍樓安裝了700余臺電氣防火限流式保護(hù)器，開通運(yùn)行4年多來，沒有發(fā)生過因電氣線路故障引發(fā)的事故，有效保護(hù)了學(xué)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(jìn)水造成電氣短路故障，需快速實(shí)施限流保護(hù)，及時查明故障原因。

上海黃浦區(qū)田子坊商業(yè)區(qū)：上海田子坊商業(yè)區(qū)屬于老式石庫門舊里改造商區(qū)，住房密度高，弄堂道路狹窄，木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋陳舊，商區(qū)內(nèi)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(qū)：孔府、孔廟、孔林景區(qū)屬于國家級古建筑保護(hù)單位。

浙江普陀山景區(qū)：浙江普陀山景區(qū)寺廟周邊民居、商店、旅館亂拉亂接電線嚴(yán)重，線路老舊，存在多處電氣火災(zāi)隱患。

以上工程案例各自具有顯著的電氣特點(diǎn)，在應(yīng)用“電器防火限流保護(hù)器”后，火災(zāi)發(fā)生的可能性均有明顯降低，得到了用戶的一致好評。

電氣防火限流保護(hù)器自研發(fā)生產(chǎn)以來，共計安裝使用上萬臺，經(jīng)過五年多的實(shí)際應(yīng)用，排除了多起電氣火災(zāi)隱患。到目前為止，在所安裝的電氣回路中，至今未發(fā)生一起電氣火災(zāi)事故，受到使用單位的高度評價。該產(chǎn)品對于有效地預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生、減少火災(zāi)危害、保障人身財產(chǎn)安全、維護(hù)社會和諧穩(wěn)定發(fā)揮了十分重要的作用。

Application of the Technology of the Microsecond Fast Current Limit in the Electric Fire Prevention

Chen Limin

目前常用的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及其探測監(jiān)控器，對于電氣短路故障缺乏有效的限流保護(hù)手段。傳統(tǒng)設(shè)備的控制速度較慢，一旦發(fā)生短路故障，瞬時劇增的短路電流無法得到抑制，以至于短路點(diǎn)處產(chǎn)生高熱及危險火花引發(fā)火災(zāi)。上海誠佳電子科技有限公司研究開發(fā)的基于微秒級快速限流技術(shù)的電氣防火限流式保護(hù)器，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的缺陷。其分?jǐn)嗨俣雀?，使用壽命更長，能在短路故障發(fā)生時，以<150μs的速度有效抑制短路電流的劇增，從而避免短路點(diǎn)產(chǎn)生危險火花，減少電氣火災(zāi)危害，維護(hù)社會用電安全。

電氣防火微秒級快速限流技術(shù)電氣防火限流式保護(hù)器場效應(yīng)管固態(tài)開關(guān)

At present,the common electrical fire monitoring system and its detection monitor are short of effective current limiting protection means for electric short circuit fault.The control speed of traditional equipment is slow,once a short circuit fault occurs,the instantaneous surge of short circuit current can not be suppressed,so that the short circuit point to generate heat and sparks trigger a fire.The Shanghai Cheng Jia Electronics Technology Co.,Ltd.researchs and developments of the technology of the microsecond fast current limit ,launched the development of “electrical fire limiting type protector”,effectively solves the defects of the traditional circuit breakers or air switch and traditional monitoring equipment.It has faster breaking speed and longer service life,when the short circuit fault occurs,it could effectively restrain the surge of short circuit current with the speed of less than 150 microseconds,thus avoid the short circuit point generate dangerous sparks,significantly reduce the electrical fire hazard,and maintain social security.

electrical fire protection，the technology of the microsecond fast current limit，electrical fire limiting type protector，MOSFET solid state switch