蔣超萍
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘 要:通過(guò)對(duì)石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)成因的分析,針對(duì)目前剩余電流檢測(cè)與故障電弧檢測(cè)手段在石油化工企業(yè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提出一種智慧防火解決方案。通過(guò)對(duì)各類電氣火災(zāi)隱患進(jìn)行集中監(jiān)測(cè),提高了電氣火災(zāi)隱患檢測(cè)的精度,從而達(dá)到避免電氣火災(zāi)的目的。
關(guān)鍵詞:電氣火災(zāi)成因;電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng);石油化工;剩余電流;故障電??;智慧防火;單相剩余電流分析;特殊波形分析
引言
近些年,電氣火災(zāi)事故多發(fā),在總體火災(zāi)中的占比居高不下。石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過(guò)程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料,在生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、經(jīng)營(yíng)及廢棄處置等過(guò)程中一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等,不但導(dǎo)致生產(chǎn)停頓,設(shè)備損壞,也可能會(huì)造成重大人員傷亡和難以挽回的影響。
在此背景下,本文深入剖析石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)成因,特別是針對(duì)現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)與防護(hù)盲區(qū),設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)隱患準(zhǔn)確判斷與及時(shí)告警的智慧防火解決方案,以期對(duì)石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供有益的借鑒。
一 石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)原因分析
石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過(guò)程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料,不僅成為電氣火災(zāi)的高發(fā)區(qū),而且一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸, 將造成重大的人員傷亡和難以挽回的影響。
通過(guò)對(duì)近幾年石化行業(yè)電氣火災(zāi)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)電氣火災(zāi)的原因。
1.1 違規(guī)施工操作
如前所述,石油化工企業(yè)由于在生產(chǎn)加工過(guò)程中使用大量易燃、易爆、有毒原材料,多以液態(tài)或氣態(tài)形式存在,易發(fā)生泄漏。因此,要求爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的工藝設(shè)備及電器線路選用防爆型或經(jīng)防爆處理。但是,個(gè)別企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中不按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行,一旦產(chǎn)生可燃液體或氣體泄漏,易發(fā)生電氣火災(zāi)爆炸事故。
1.2 線路、設(shè)備老化、腐蝕等安全隱患
石化企業(yè)內(nèi),電力設(shè)施、電氣設(shè)備種類繁多,且電氣裝置長(zhǎng)年處于不間斷生產(chǎn)中。在生產(chǎn)過(guò)程中,不僅會(huì)有易燃、易爆物質(zhì)和酸堿腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生,而且線路、設(shè)備側(cè)鋪設(shè)線路的絕緣老化、施工造成的絕緣破損,以及生產(chǎn)加工引起的線路電機(jī)設(shè)備內(nèi)部的線路虛接,均可引起故障電弧,形成大的火災(zāi)隱患。
1.3 安全管理與監(jiān)測(cè)不到位
有些化工企業(yè)對(duì)職工安全培訓(xùn)重視不夠,防火安全責(zé)任制落實(shí)不到位對(duì)用火、用電、用氣管理措施落實(shí)不到位,為化工企業(yè)安全生產(chǎn)埋下了事故隱患。同時(shí),對(duì)于容易發(fā)生電氣火災(zāi)的線路、設(shè)備未安裝有效的監(jiān)控,造成對(duì)電氣火災(zāi)隱患發(fā)現(xiàn)處理不及時(shí)等問(wèn)題。
1.4 季節(jié)性因素
化工企業(yè)電氣火災(zāi)的發(fā)生伴隨一定的季節(jié)性。電氣火災(zāi)夏季多發(fā),主要由于風(fēng)吹雨淋,線路容易出現(xiàn)電弧擊穿事故。露天安裝的電氣設(shè)備,也容易淋雨進(jìn)水,使絕緣破損,而且夏季的高溫也影響了電氣設(shè)備工作的可靠性和壽命。
二 化工企業(yè)電氣火災(zāi)防護(hù)要求及其問(wèn)題
2.1 防護(hù)要求
GB50160-2008 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》明確提出:“石油化工企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)、公用及輔助生產(chǎn)設(shè)施、全廠性重要設(shè)施和區(qū)域性重要設(shè)施的火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和火災(zāi)電hua報(bào)警”,并提出“火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì),應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50116)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行”。
GB50116-2013 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.1.1條條文說(shuō)明指出:安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),可有效監(jiān)測(cè)電氣火災(zāi)隱患,避免電氣火災(zāi)的發(fā)生;同時(shí),規(guī)范明確了防護(hù)方法及防護(hù)要求。
根據(jù) GB14287.1-2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)第1部分:電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備》,電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)指的是當(dāng)被保護(hù)電氣線路中的被探測(cè)參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí),能發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)并能指示報(bào)警部位的系統(tǒng),由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器組成。其中,電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器能夠探測(cè)被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度、故障電弧等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)變化和由于電氣故障引起的煙霧變化及可能引起電氣火災(zāi)的靜電、絕緣參數(shù)變化的探測(cè)器。
基于此,對(duì)于化工企業(yè)電氣火災(zāi)的防護(hù)應(yīng)安裝24h不間斷電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)測(cè)電氣火災(zāi)隱患,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)隱患時(shí)及時(shí)報(bào)警,并通知監(jiān)控室值班人員現(xiàn)場(chǎng)排查故障,從而達(dá)到避免電氣火災(zāi)發(fā)生的目的。
2. 2 現(xiàn)有監(jiān)控手段存在的問(wèn)題
2.2.1 剩余電流監(jiān)測(cè)的問(wèn)題
石化行業(yè)在配電上的特點(diǎn)是存在大量三相電機(jī)類大功率負(fù)載,對(duì)于三相回路的剩余電流故障,傳統(tǒng)的剩余電流檢測(cè)方法是通過(guò)零序電流互感器進(jìn)行采樣,然后用門限值的方式進(jìn)行故障判斷。
而三相回路在計(jì)算過(guò)程中存在一個(gè)相線剩余電流故障相互抵消的問(wèn)題。因?yàn)榱阈蚧ジ衅饔?jì)算的是三相剩余電流的相量和,L1、L2、L3相線存在的剩余電流會(huì)抵消一部分,后總的剩余電流僅僅算出一部分值,這樣大大降低了剩余電流的檢測(cè)精度。
2.2.2 故障電弧監(jiān)測(cè)的問(wèn)題
故障電弧發(fā)生在線路的虛短、虛斷過(guò)程中,在電流很小的線路(如視頻線路)中都可能發(fā)生,發(fā)生時(shí)伴隨著高溫濺射,局部溫度瞬時(shí)能達(dá)到6000℃。
現(xiàn)有的故障電弧探測(cè)器一般采用電限流速度快的固態(tài)開關(guān)器件,實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù),計(jì)算公式如下:
通過(guò)計(jì)算確定電流過(guò)零點(diǎn),然后對(duì)比過(guò)零點(diǎn)位置的電流平肩信息(即在一定時(shí)間段內(nèi)電流值不變或變化范圍很小,表現(xiàn)為平線的區(qū)域特征),通過(guò)數(shù)據(jù)變換,求得基波頻域特征及時(shí)域特征。然后通過(guò)判斷基波頻域特征在50次之前的數(shù)據(jù)變化,對(duì)比變化率,確定電弧故障。在時(shí)域方面計(jì)算電流在過(guò)零點(diǎn)處的平肩寬度值及波形變化斜率比,通過(guò)dl/dt,求得穩(wěn)定斜率,當(dāng)超過(guò)一個(gè)特定門限值τ時(shí),即可判斷出故障電弧發(fā)生,τ值通過(guò)對(duì)不同負(fù)載電弧波形統(tǒng)計(jì)得出。圖1
圖1 所示為故障電弧典型電流波形
圖2 大功率照明設(shè)備與電機(jī)設(shè)備的波形圖
如圖2所示是一些負(fù)載運(yùn)行的特征波形圖,在非正弦波的特征中,存在平肩特征。
3 石化行業(yè)智慧防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
3.1 總體方案
如前所述, 除了人為與季節(jié)性因素外,引起電氣火災(zāi)的成因大致可以概括為線路中發(fā)生過(guò)載、短路、接觸電阻過(guò)大、剩余電流過(guò)大、故障電弧等原因。
針對(duì)電氣火災(zāi)的成因,提出一種智慧防火解決方案,通過(guò)檢測(cè)線路中異常電流和物理量這兩類方法來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患,通知工作人員檢查并排除隱患,防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。同時(shí)防火系統(tǒng)搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳集中監(jiān)控管理,及時(shí)預(yù)判異常、發(fā)現(xiàn)并快速排除隱患,做到電氣火災(zāi)的預(yù)防, 同時(shí)保證用電的連續(xù)性。圖3是智慧防火解決方案示意圖。
圖3 智慧防火解決方案示意圖
在本方案中,采取每相剩余電流分別計(jì)算顯示的方法,通過(guò)采樣相位偏差及矢量值大小,計(jì)算得到每一相的剩余電流值大小,并在系統(tǒng)中分別顯示,當(dāng)任一相產(chǎn)生剩余電流增大故障時(shí),都可以分別報(bào)警,提高了檢測(cè)精度。 避免了由于相線剩余電流抵消造成的漏報(bào)警現(xiàn)象。
在本方案中,在前文所述計(jì)算電弧波形的方法下,加入特殊波形的判斷,通過(guò)對(duì)波形的畸變率及變化特征比率進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算負(fù)載電流變化的時(shí)域斜率特征變化特點(diǎn),同時(shí)分析諧波變化特征值提升來(lái)區(qū)分電弧的發(fā)生。
下面結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)一步闡述剩余電流探測(cè)器與故障電弧探測(cè)器的應(yīng)用。
3.2 剩余電流探測(cè)器的應(yīng)用
以某煉油廠為例,在重要的動(dòng)力、照明、插座、檢修、空調(diào)等饋線回路均安裝了剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器 (如圖4所示),此項(xiàng)目共安裝剩余電流探測(cè)器500臺(tái)。
圖4 剩余電流探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)安裝示例
此項(xiàng)目建設(shè)在南方沿海地區(qū),氣候條件變化比較大,環(huán)境潮濕,廠區(qū)溫度普遍較高,環(huán)境因素對(duì)線路負(fù)載剩余電流的影響比較大。圖5為一個(gè)線路剩余電流的值受到環(huán)境因素影響的曲線圖,從圖中可以看到在環(huán)境濕度變化的情況下,線路剩余電流值有顯著增加。環(huán)境溫度、濕度變化對(duì)剩余電流值的變化有很大影響,此差異直接影響了電氣火災(zāi)探測(cè)器的防護(hù)精度。因此在此設(shè)置的剩余電流互感器,充分考慮了環(huán)境因素對(duì)剩余電流的影響。
圖 5 濕度變化對(duì)線路設(shè)備剩余電流值的影響
此項(xiàng)目安裝試用半年后,對(duì)客戶使用情況進(jìn)行了調(diào)查,調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。
經(jīng)過(guò)試用半年后的客戶反饋,能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災(zāi)隱患,并及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患加以排除,起到了一定的效果
表 1 剩余電流探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)故障分析表
某石化項(xiàng)目在重要的容易發(fā)生故障電弧的回路安裝了故障電弧探測(cè)器,如空調(diào)回路、視頻回路;考慮到設(shè)備電機(jī)回路為化工企業(yè)的主要電力回路,而且從變電室到設(shè)備端引線較長(zhǎng)、不易監(jiān)控的特點(diǎn),因此在電機(jī)回路也安裝了故障電弧探測(cè)器。
此項(xiàng)目安裝限流式保護(hù)器用半年后,對(duì)客戶使用情況進(jìn)行了調(diào)查,調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過(guò)試用半年后的客戶反饋,能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)備中的電氣火災(zāi)患,能夠及時(shí)通知值班人員快速發(fā)現(xiàn)隱患并加以排除, 起到了一定的效果。
表 2 故障電弧統(tǒng)計(jì)分析表
圖 6 現(xiàn)場(chǎng)故障電弧探測(cè)器安裝方案圖實(shí)例
4 安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
4.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成:
電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器以及測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器等三種產(chǎn)品組成。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)集jian視、報(bào)警、控制、集中管理于一體,監(jiān)控探測(cè)器一般掛接在總線上的支路上,接受主控制器的命令,并傳送全部信息;主控制器處理接收來(lái)的數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)被探測(cè)電氣線路的漏電電流、溫度等參數(shù)的變化。當(dāng)參數(shù)異常時(shí)剩余電流互感器、溫度傳感器等終端探測(cè)頭對(duì)信息進(jìn)行采集,并送到監(jiān)控探測(cè)器中,超出設(shè)定值時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí)輸送到監(jiān)控設(shè)備中,經(jīng)進(jìn)一步判定,當(dāng)確認(rèn)可能發(fā)生電氣火災(zāi)時(shí),監(jiān)控主機(jī)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào),報(bào)警指示燈亮,發(fā)出報(bào)警音響,并在液晶顯示屏上顯示報(bào)警信息,值班人員迅速進(jìn)行檢查處理。
4.2電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布、開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要由監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控探測(cè)器等組成。監(jiān)控設(shè)備能接收來(lái)自電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的報(bào)警信號(hào),發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào),指示報(bào)警部位,記錄并保存報(bào)警信息,是系統(tǒng)的管理中心。監(jiān)控探測(cè)器探測(cè)被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù),并可直接將本地采集的信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議進(jìn)行傳輸。提高了信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗*力,提升了系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。
4.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器選型表
5 安科瑞故障電弧探測(cè)器
故障電弧探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱探測(cè)器)對(duì)接入線路中的故障電?。òü收喜⒙?lián)電弧、故障串聯(lián)電?。┻M(jìn)行有效的檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到線路中存在引起火災(zāi)的故障電弧時(shí),可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警,并將報(bào)警信息傳輸給上端監(jiān)控設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)預(yù)警火災(zāi)發(fā)生的目的。
故障電弧探測(cè)器選型表
6 結(jié)論
石油化工企業(yè)電氣火災(zāi)防范是系統(tǒng)工程,除了提高安全意識(shí)與防火管理外,還需要安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng), 對(duì)剩余電流、溫度、故障電弧等進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。
本文針對(duì)目前電氣火災(zāi)隱患檢測(cè)手段在石化應(yīng)用中的局限性,提出一種智慧防火解決方案,不僅對(duì)各類電氣火災(zāi)隱患進(jìn)行集中監(jiān)測(cè),而且通過(guò)每相剩余電流的分析,以及特殊波形的分析,提高了電氣火災(zāi)隱患檢測(cè)的精度, 并通過(guò)及時(shí)告警達(dá)到避免電氣火災(zāi)的目的,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中效果良好。
參考文獻(xiàn):
[1]王忠康.化工生產(chǎn)的防火安全[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1989.
[2]馬穎 劉沛雨.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用[J]建筑電氣.2019.11
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版