低压配电系统电弧故障火灾防范

朱其计

摘要：近年来，我国的低压配电工程建设的发展迅速，针对安装电气火灾报警系统的必要以及电力物联网的发展，设计了基于物联网技术的电气火灾报警远程监控系统，按照物联网的三层结构展开设计，包括感知层的剩余电流、烟雾浓度等信号的采集、通过Internet实现数据的传输、在应用平台对数据进行存储与分析处理。使用该系统不但可以在现场以声光报警提示还可以使用户通过Internet在PC机上进行监控。

关键词：低压配电系统；电弧故障；火灾防范

引言

近年来，随着经济社会的不断发展，生产生活用电量成倍增加，电气安全隐患已成为消防安全的“头号杀手”。如何利用人防、物防、技防等措施，有效防范电气火灾，是当前消防工作面临的一项重大课题。本文着重从技防层面入手，通过分析电气火灾机理与实践应用经验，重点研究加强电气火灾安全防控的关键技术。

1 火灾现状及电气火灾起因

据应急管理部消防救援局统计：2019年全年接报火灾23.3万起，亡1335人，伤837人，直接财产损失36.12亿元；其中已查明原因的住宅火灾有52%系电气原因引起。当发生电气火灾时有几个显著特点：高温、故障电弧、接地型电弧短路、接地故障电流值迅速增大。很多人认为，在配电干线回路装设了剩余电流动作保护器（RCD）或者是电气火灾监控系统（EFP），就已经能够有效监控和防范电气线路发生的火灾；其实不然，在工程实践中，往往有装设了电气火灾监控系统或剩余电流动作保护装置的配电干线回路仍然发生火灾的情况。电气火灾监控系统中的剩余电流检测装置，其工作原理是基于检测相线与地线或中性线与地线接地型短路所产生的故障电流，是以三根相线与中性线电流矢量和为检测目标值，当检测到泄漏电流值超过报警阈值，则发出预警信号或由消防控制室控制切断相关回路供电电源，达到防范电气火灾的目的。而低压配电回路中，带电导体自身断裂或者因为接触不良产生的串联电弧或者带电导体（相导体与相导体、相导体与中性线导体）之间的并联电弧发生故障时，由于没有产生对地故障电流，剩余电流检测装置无法检测这类故障。电弧故障产生时，回路阻抗可能较大，使得故障电流低于配电线路上装设的微型断路器或者熔断器的脱扣设定值，保护电器不动作。因此，剩余电流动作保护装置、熔断器或小型断路器都不能有效降低电弧引起的火灾危险。一部分电弧故障范围是在断路器脱扣保护曲线范围之外。

2 电气火灾防控的常规性技术

2.1 故障电弧检测

当前国内对故障电弧的检测算法还广泛处于研究阶段，基于电弧的电学特性，提出的检测方法包括光、热、电流变化率、小波频段等，但当负载类型较多时其检测难度加大。因受线路负载限制，其故障电流小，以至于现有体系无法实现对串联电弧故障的保护，存在电气安全隐患。故障电弧出现时会产生大量的热，易引燃周围的易燃物，从而引发火灾。与传统电气故障相比，故障电弧的电流幅值变化较小，传统的电气故障防护和保护装置难以识别、无法有效防护故障电弧的出现，使得故障电弧成为引发电气火灾的重要原因。随着对大数据量的波形信号处理技术研究的加深，使得通过对大数据（即电弧波形信号）的处理即可实现准确故障电弧的预判功能。值得注意的是，基于各种神经网络模型实现电弧模型类别分析的方法是当前技术研究的热点。其总体思路可概括为：采集电弧波形信号，将采集信号学习训练后的模型作为神经网络的初始模型，这种学习训练后的模型承载了大量的电弧波形特征量，基于此特征量与故障电弧波形之间的映射关系，得到单个特征量输入后的故障电弧判别，从而有效提高故障电弧检测的准确率。

2.2 温度、烟雾浓度检测

高聚物的分解和液化时，烟雾和温度是重要的表征形式，虽然可以通过检测更早期的热解粒子、阻性漏电进行防控，但基于现实情况下设备成本以及各场所的安全需求，温度和烟雾浓度检测也可满足常规电气火灾安全监控要求。温度探测器主要是借助热敏感性电子元件的特性来实现温度检测的，常见的电子元件主要有热电阻和热电偶两类，热电阻比热电偶更适用于各类建筑中，当前温度探测器主要由热敏电阻元器件构成。热敏电阻的阻值随温度变化呈现规律性变化。常用PT100或PT1000铂电阻作为温感探头，其具有体积小、温度变化响应快、抗振动、耐高压、不会造成热负载的特点，因此，在温度传感器设计中得到广泛推荐。铂电阻为正温度系数热敏电阻，在其工作时，信号采集到其对应的阻值信息，便可根据分度表得到对应的温度值。感烟探测器适用于住宅、商店、歌舞厅、仓库等一般性场所，在火灾初期发挥作用。此时温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以会产生大量烟雾。感烟式探测器有离子感烟式、光电感烟式、红外光束感烟式等几种类型。离子感烟探测器是点型探测器，它的电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体。当烟粒子进入电离室时，电离电流发生变化，电离室的阻抗发生变化，探测器会根据阻抗变化的大小做出判断，从而发出警报。光电感烟探测器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用，光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。根据接入方式和电池供电方式等的不同，又可分为联网型烟感、独立型烟感、无线型烟感。红外光束感烟探测器是线型探测器，又分为对射型和反射型两种。它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于它将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。

2.3 热解粒子检测技术

目前电气火灾安全监控装置种类多样，但检测参数单一，如测温式电气火灾安全监控装置仅检测温度；剩余电流式电气火灾安全监控系统仅检测剩余电流；感烟式电气火灾安全监控装置仅检测烟雾浓度。选择这些监控装置实现对低压配电柜的安全监测，不仅成本高而且误报情况时有发生。考虑到电气火灾起火过程的表征特点，综合应用这些特征以有效检测到电气火灾是热解粒子检测技术的核心。物质在受热时分解出粒子和气体，此种粒子是能够以自由状态存在的最小物质组成部分。无论何种原因引起的电气火灾，早期都表现为物体发热、释放粒子、气体、产生异味等。其中高、低压配电柜内发生电气故障时的主要发热体是线缆、负荷开关和保护电器，在配电柜内发热分解出的粒子主要是烟粒子和气体分子。热解粒子检测设备通过监控聚氯乙烯绝缘电缆、铅酸电池、断路器、负荷开关等用电设备过热分解产生粒子和气体的浓度，实现对电气火灾的早期监控，防患于未然。综合性热解粒子检测技术主要通过获取低压配电柜内的至少7个参数（温度、温度变化率、受热分解气体浓度、受热分解气体浓度变化率、PM1.0粒子浓度、PM2.5粒子浓度和PM10粒子浓度）的实时数值，综合作为低压配电柜内安全早期预警评判的重要参数，并根据阈值设置、动态权重分析对这7个参数进行整体融合分析，从而实现低压配电柜内电气火灾安全隐患的准确早期探测，避免漏报、误报。

3 结语

完善的电气火灾监控系统，是有效防范低压配电系统中所产生的各种类型电气火灾的重要手段，作为专业技术人员，应该充分了解和掌握这些电气系统故障特点，采取有效针对性措施，防范电气火灾的发生。

参考文献:

[1]钟铭新.低压配电线路常见故障及防护方法.电力系统及自动化,2017-12.

[2]宁庆华.低压配电系统中接地故障的防护探讨.电力系统及自动化,2017-12.

[3]陈怀刚.浅谈电气低压配电系统故障与电流危害.电力系统及自动化,2017-02.