探討家用電氣火災(zāi)監(jiān)控解決方案

摘要：分析電氣火災(zāi)高發(fā)的原因、國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中對于電氣火災(zāi)監(jiān)控的要求，介紹國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的頒布實施情況。提出組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器、故障電弧探測器、電氣防火限流式保護器、智能防火開關(guān)／插座4種電氣火災(zāi)監(jiān)控解決方案，并介紹各方案的工作原理、適用性、應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞:電氣火災(zāi)；火災(zāi)監(jiān)控；剩余電流；故障電弧；防火限流

0引言

近年來，火災(zāi)發(fā)生起數(shù)不斷攀升，尤其是電氣火災(zāi)，占總火災(zāi)數(shù)量的3成以上。重大和特別重大火災(zāi)中電氣火災(zāi)占比高達7成。家庭用電防火己成為我國當(dāng)前火災(zāi)預(yù)防工作中的一項十分重要和緊迫的工作。

我國目前有關(guān)住宅領(lǐng)域的家用電氣火災(zāi)監(jiān)控方面的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范比較少。GB50096-201l《住宅設(shè)計規(guī)范》中也僅僅要求在每幢住宅的總電源進線應(yīng)設(shè)置剩余電流動作保護或者剩余電流動作報警，并沒有針對每個家庭分別監(jiān)控報警，監(jiān)控每幢住宅的總電源進線剩余電流遠遠不夠。目前，家庭入戶電源進線只安裝了漏電保護開關(guān)。根據(jù)消防局《中國消防年鑒》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，由于剩余電流導(dǎo)致的電氣火災(zāi)發(fā)生數(shù)量占比并不高，還有占比更高的短路、過熱、接觸不良、電氣故障、過負荷等，而且家庭中目前并沒有的、針對性的監(jiān)測手段。JGJl6—2008{民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定電源進線處宜設(shè)置剩余電流火災(zāi)報警器的建筑包括住宅、公寓等居住建筑剩余電流動作保護裝置的動作電流，家用電器回路或插座回路為3OmA，并不適用于洗澡間熱水器及其用電回路。此標(biāo)準(zhǔn)不屬于強制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。很多家庭實際上住電源進線處安裝了一個總的漏電開關(guān)，并沒有細分到家用電器回路或插座回路。再加上人們對家用電氣火災(zāi)監(jiān)控重視不夠，防范意識淡薄，相關(guān)規(guī)范的要求在家用電氣火災(zāi)監(jiān)控方面得不到執(zhí)行和落實，家庭電氣火災(zāi)悲劇年年發(fā)生。

 

1相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范情況

JEAC8001—1978內(nèi)線規(guī)程(日本)90條要求，建筑面積在150m以上的旅館、飯店、公寓、集體宿舍、家庭公寓、公共住宅、公共浴室等地安裝能自動報警的漏電火災(zāi)報警器。此規(guī)程為日本電氣火災(zāi)的控制起了重要作用，其電氣火災(zāi)只占總火災(zāi)的2％-3％(其人均用電量為我國的8倍)。

1993年，由部沈陽消防研究所組織編制的GB14287-93{防火漏電電流動作報警器》發(fā)布實施。該國標(biāo)實施后相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)沒有同步出臺，隨后的十多年沒有太多的產(chǎn)品進入市場，推廣應(yīng)用工作幾乎停滯。但這十多年正是我國人均用電量飛速上漲的時期，電氣火災(zāi)從1978年的7．8％上升到2008年的30％，目前一直保持在這個高位水平。

2005年，GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》、GB13955-2005《剩余電流動作保護裝置的安裝運行》推出。同時，GB50045-2005{高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》局部修訂條文，加入第9．5條“漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)”。2005年是電氣火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展重要一年，此時電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)趨于規(guī)范化。

2008年，新《中華人民共和國消防法》頒布實施，消防工作貫徹以“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的方針，尤其加大對電氣火災(zāi)早期預(yù)警、預(yù)報的強制性規(guī)定。JGJ16-2008{民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》、DG／TJ2O48—2()()8《民用建筑電氣防火設(shè)計規(guī)程》、JGJ242-2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》、GB50096-20l1《住宅設(shè)計規(guī)范》、GB50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范相繼推出，在民用建筑電氣設(shè)計領(lǐng)域具有指導(dǎo)性意義。

近年來，GB50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、GB50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》兩個重要規(guī)范頒布實施。GBl4287—2O14《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、部分：余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器、第三部分：測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器、第四部分：故障電弧探測器推出。電氣火災(zāi)領(lǐng)域進一步得到規(guī)范。GB14287《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)體系中，還有GB14287《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》第五部分：測量熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器和第六部分：電氣防火限流式保護器兩項標(biāo)準(zhǔn)尚未正式頒布實施。此外，針對電氣防火，還有靜電探測器、絕緣監(jiān)測器、無電弧開關(guān)等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品 終能夠普及應(yīng)用于家庭，還需要加強基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)研究和更經(jīng)濟、穩(wěn)定的傳感器探測技術(shù)研究。

2家用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

家用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的個細分領(lǐng)域。在家庭特定的應(yīng)用環(huán)境中，安全控制系統(tǒng)的總體要求為易安裝布線、操作簡單、美觀大方、系統(tǒng)運行安全可靠、經(jīng)濟性強。

2.1組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器(針對家庭應(yīng)用)

傳統(tǒng)的漏電開關(guān)的主要作用是保護人身安全，在用電線路泄漏電流超過人身安全值(30mA)時立刻切斷電源，無法探知電路的正常運行及跳閘時泄漏電流大小，無法了解電路絕緣狀態(tài)的變化，無法對當(dāng)前絕緣狀態(tài)作出及時的評估，也無法對電氣火災(zāi)作出預(yù)報。家庭發(fā)生電氣火災(zāi)主要有4大類，一是過負荷，二是短路，三是接觸電阻過大(接觸不良，導(dǎo)致打火和發(fā)熱)，四是漏電。即除了漏電

外，還有更重要的三個原因，為供電線路有漏電保護卻仍然頻頻發(fā)生電氣火災(zāi)的原因，急需解決。行之的方法是科學(xué)地加裝組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。

組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器主要由一路剩余電流監(jiān)測加上一路溫度監(jiān)測，帶液晶顯示，采用較緊湊的導(dǎo)軌式或者壁掛式安裝結(jié)構(gòu)，獨立式運行。剩余電流互感器采用特制的相當(dāng)于大小的微型剩余電流互感器，可以監(jiān)視家庭進戶電源進線處負荷電流、剩余電流、溫度值，超過設(shè)定值就報警，并預(yù)留對外數(shù)據(jù)接口。

2.2故障電弧探測器

關(guān)于故障電弧探測器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的有GB14287．4—2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》第4部分：故障電弧探測器，JB／Tl1681—20l3《電弧故障檢測裝置(AFDD)的一般要求》等。國外的UI1699-2011《故障電弧斷路器》，IEC62606《家用和類似用途的電弧故障檢測裝置(AFDD)》。由于歷史及種種原因，故障電弧探測器在國內(nèi)沒有得到很好的推廣和應(yīng)用。家庭用故障電弧探測器主要可以解決家庭用電中用電線路及用電設(shè)備接觸不良打火、短路打火，即串弧和并弧。尤其是串弧發(fā)生時，分布范圍廣，溫度點測溫?zé)o法覆蓋到，電流非常小，漏電開關(guān)或者剩余電流監(jiān)測不足以起作用，但是微小的電弧產(chǎn)生的明火能量能引燃周邊可燃物。因此，安裝故障電弧探測器也是一種電氣火災(zāi)監(jiān)控的補充。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)被探測線路在1S內(nèi)發(fā)生14個及以上半周期故障電弧時，探測器應(yīng)在30S內(nèi)發(fā)出報警信號并點亮報警指示燈。當(dāng)被探測線路在1S內(nèi)發(fā)生9個及以下半周期的故障電弧時，探測器不應(yīng)發(fā)出聲、光報警信號和控制信號，但可采取其他方式提示。其中電弧持續(xù)時間不超過O．42ms或電流值不超過額定電流值5的微小電弧不作為電弧統(tǒng)計。故障電弧特征如圖1、圖2所示。

根據(jù)家庭用電特點，故障電弧探測器帶液晶顯示，采用較緊湊的導(dǎo)軌式或者壁掛式安裝結(jié)構(gòu)，獨立式運行。可以監(jiān)視故障電弧，達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值就報警，記錄發(fā)生數(shù)量以及時間，并預(yù)留接口。

2.3電氣防火限流式保護器

這類產(chǎn)品名稱有“固態(tài)斷路器”、“具有短路保護功能的固態(tài)開關(guān)”或“固態(tài)短路保護器”等，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。其工作原理是依靠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能來實現(xiàn)對負載的接通與斷開。半導(dǎo)體經(jīng)處理成為晶體管(半導(dǎo)體管)，導(dǎo)電性能可控，能成為接近導(dǎo)體阻很小，0．02Q)和接近絕緣體(電阻很大，220kO)的導(dǎo)電狀

 

家庭常用的傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機械運動過程，帶負載斷開伴隨有電弧的產(chǎn)生，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～501TIS)。固態(tài)斷路器的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)的，速度快，無電弧產(chǎn)生，分斷時間微秒級，比傳統(tǒng)的快幾萬倍至幾十萬倍，在由短路導(dǎo)致的故障電流遠未達到短路電流峰值時就切斷電路了，而且截流值(短路保護電流整定值)可以根據(jù)需要整定的，大大降低了短路時所釋放的能量，同時大大降低了短路點產(chǎn)生的有害的電火花。由于固態(tài)斷路器的分斷時間非常快和截流值是可以整定的，固態(tài)斷路器的短路分斷能力理論上是無限大的。固態(tài)斷路器處理短路故障的能力不會由于主電源的容量增大和輸電線長度減小而受到影響。

以圖3短路故障前后電流與時間的關(guān)系圖說明傳統(tǒng)斷路器與固態(tài)斷路器的差別。

流過電阻的電生的熱量Q—R￡。由圖4電流的平方與時間的關(guān)系圖可以看出，曲線圍成的面積對應(yīng)于短路時所釋放的能量大小，能明顯看出傳統(tǒng)斷路器與固態(tài)斷路器在短路時所釋放的能量差別，釋放的能量之比至少為4000倍

由于短路故障發(fā)生后，主電源(單相220V，三相380V)的電壓會明顯下降甚至下落至接近零，所以固態(tài)斷路器內(nèi)部控制電路的供電不能依賴主電源，否則電氣防火限流式保護器不能正常工作，有失控的風(fēng)險。只能使用與主電源不相關(guān)的輔助電源(采取總線供電或者電池供電)作為內(nèi)部控制電路的供電，這就解決了當(dāng)主電源短路故障導(dǎo)致電壓降低而電氣防火限流式保護器取自主電源后導(dǎo)致工作不正常的問題，加強了一般場合的實用性。

電氣防火限流式保護器特點有：微秒級完成對短路電流的限制，大大提高開關(guān)速度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性；能在短路電流遠未達到短路電流峰值前限制短路故障電流，大大降低電氣線路／設(shè)備短路過程中引起的連續(xù)拉弧打火概率，避免引燃周邊可燃物造成火災(zāi)事故；能防止雷擊浪涌涌入家庭用電電路中燒毀用電設(shè)備；準(zhǔn)確控制開關(guān)動作時間；聲光報警，及時提醒運行維護人員；集中監(jiān)控，實現(xiàn)故障定位，迅速顯示故障單元；工作壽命長，不受開關(guān)次數(shù)限制，耐久性好；整機采用環(huán)氧樹脂灌封工藝，防震、防潮，適應(yīng)于惡劣環(huán)境；無觸頭、無機械活動機構(gòu)和無電弧，，減少了故障率，提高了供電可靠性。

2.4智能防火開關(guān)／插座

開關(guān)插座耐用性越來越高，但用電異常時有發(fā)生，如：一個開關(guān)插座同時供多個用電設(shè)備用電，特別是大功率的電磁爐、空調(diào)等，負荷電流過大，使電源線加速老化，產(chǎn)生用電隱患，特別是超過了開關(guān)插座的負載能力時，溫度迅速提高，有電氣火災(zāi)風(fēng)險。有時出現(xiàn)雷雨天氣，可能出現(xiàn)雷擊等現(xiàn)象，開關(guān)插座無法自我保護，對用電器會有很大的損傷。日益增多的電氣火災(zāi)及事故已經(jīng)證明傳統(tǒng)方式無法保障用電。據(jù)消防部門統(tǒng)計：在80％以上的電氣火災(zāi)中，空氣開關(guān)沒有發(fā)揮作用。帶過電流保護功能的智能防火開關(guān)／插座，克服了空氣開關(guān)選擇過大、用電過負荷不能及時跳閘而引起電氣火災(zāi)的問題。家裝時要注意接地保護線PE和N線嚴格區(qū)分開，規(guī)范施工，并且保證和建筑物的保護地線PE可靠連接。

以上電氣火災(zāi)的探測和防范裝置均可留有對外輸出接口，可同時接入家用火災(zāi)報警系統(tǒng)，家用報警系統(tǒng)再通過無線技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至遠程云平臺，探測器報警時在設(shè)備上可以報警，家用報警控制器上可以顯示，也可以將報警信息推送至用戶的移動終端上

3安科瑞電氣火災(zāi)管理云平臺構(gòu)架和硬件選型

安科瑞電氣推出的電氣火災(zāi)管理云平臺采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器和電氣火災(zāi)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(zāi)的主要因素（導(dǎo)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學(xué)校管理人員，指導(dǎo)學(xué)校實現(xiàn)時間的排查和治理，達到潛在電氣火災(zāi)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(wù)，能有提升企業(yè)的消防管理和電氣設(shè)備水平，防范重大惡性火災(zāi)財產(chǎn)損失、尤其是重大惡性人員傷亡責(zé)任事故的發(fā)生。

 

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示：

 

3.1硬件配置：

平臺服務(wù)器：建議按照我方提供配置標(biāo)準(zhǔn)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）

序號	名稱	型號、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
	平臺部分
1	數(shù)據(jù)服務(wù)器	DellR730CPU:E5-2620內(nèi)存:32G硬盤容量:4*1.2T(SAS1萬轉(zhuǎn)2.5英寸小盤)RAID5	臺	1	甲供，供參考
2	WEB服務(wù)器	DellR730CPU:E5-2603內(nèi)存:16G硬盤容量:3*300G(SAS1萬轉(zhuǎn)2.5英寸小盤)RAID5	臺	1	甲供，供參考
3	打印機		臺	1	甲供
4	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機	華為（HUAWEI）S1728GWR-4P-AC，企業(yè)級網(wǎng)管24口千兆交換機	臺	1	甲供，供參考

現(xiàn)場硬件配置

方案一：100A以下回路，開口式互感器

序號	名稱	型號、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM300T-Z-2G/4G/NB，一路剩余電流，4路溫度，三相電流、電壓、諧波、功率、電能，四象限電能計量，4路開關(guān)量輸入，1路繼電器輸出，事件記錄，內(nèi)置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊2G無線通訊可選4G或NB無線通訊	只	1	安科瑞
2	開口測量型電流互感器	AKH-0.66/K-φ24(150A)	只	3	安科瑞
3	開口漏電流互感器	AKH-0.66/L45K（16-100A）	只	1	安科瑞
4	線纜溫度傳感器	ARCM-NTC	只	4	安科瑞
方案二：100A以下回路，普通互感器，會增加施工量
序號	名稱	型號、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM300T-Z-2G/4G/NB，一路剩余電流，4路溫度，三相電流、電壓、諧波、功率、電能，四象限電能計量，4路開關(guān)量輸入，1路繼電器輸出，事件記錄，內(nèi)置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊2G無線通訊可選4G或NB無線通訊	只	1	安科瑞
2	測量型電流互感器	AKH-0.66/30I100/5	只	3	安科瑞
3	漏電流互感器	AKH-0.66/L45	只	1	安科瑞
4	線纜溫度傳感器	ARCM-NTC	只	4	安科瑞

 

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

 

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

序號	名稱	型號、規(guī)格	單位	數(shù)量	備注
1	用電管理云模塊(2G/4G/NB)	ARCM200L-UI、ARCM200L-J4T12/J8T8等，可以測多回路漏電流和溫度