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(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)的電氣線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制，然而，對(duì)于造成電氣火災(zāi)危害最嚴(yán)重的電路短路故障卻始終缺乏有效的限流保護(hù)手段。電氣短路故障發(fā)生時(shí)會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百甚至數(shù)千安培的電流，使得電氣線路迅速發(fā)熱、短路點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)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(shí)間一般在毫秒級(jí)甚至更長(zhǎng)，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，盡管監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到短路故障的發(fā)生，但由于執(zhí)行分?jǐn)嘀噶畹臅r(shí)間過長(zhǎng)，瞬時(shí)劇增的短路電流來不及即刻得到抑制，使得短路電流仍會(huì)上升到峰值，從而造成發(fā)熱與電弧的出現(xiàn)，引發(fā)火災(zāi)。另外，斷路器的機(jī)械觸點(diǎn)在開關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)和飛弧，這會(huì)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，出現(xiàn)飛弧、燒蝕觸點(diǎn)甚至熔融等導(dǎo)致斷路器失效。由此可見，現(xiàn)有火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于電氣短路故障，只能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，無法快速限制短路電流的劇增，很有可能造成電氣火災(zāi)的發(fā)生。

若要有效避免因短路故障所引發(fā)火災(zāi)，其關(guān)鍵措施就是要實(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(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到短路電流超過額定電流的數(shù)倍，并在極短的時(shí)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(huì)噴發(fā)危險(xiǎn)火花和金屬粒子，從而減小發(fā)生火災(zāi)的可能性。

圖1  短路限流控制能量比較

想要實(shí)現(xiàn)快速限流，理論上希望系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)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)采用響應(yīng)迅速的固態(tài)開關(guān)，當(dāng)前的技術(shù)可以做到系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)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(shí)的瞬時(shí)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，有效抑制短路點(diǎn)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)電火花。

將微秒級(jí)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^，短路故障發(fā)生前后的能量與時(shí)間關(guān)系示意圖如圖1所示。圖中a點(diǎn)為發(fā)生短路故障的時(shí)間點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)備由于斷路器執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)，短路電流瞬時(shí)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(jí)快速限流技術(shù)后，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，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(shí)就被限流分?jǐn)嘀羍點(diǎn)結(jié)束。顯然，應(yīng)用微秒級(jí)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(xiǎn)火花。

**公司在快速限流保護(hù)技術(shù)方面獲得突破性創(chuàng)新, 成功研發(fā)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的“電氣防火限流式保護(hù)器”（以下簡(jiǎn)稱“保護(hù)器”），能夠?qū)﹄姎舛搪冯娏鲗?shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電氣防火領(lǐng)域快速限流技術(shù)的空白，已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利的授權(quán)。公司與浙江省公安消防總隊(duì)合作承擔(dān)公安部消防局的科研計(jì)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(jiǎng)。 公司以第一參編單位參與編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14287.6《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(bào)批程序。

用于電氣防火領(lǐng)域的快速限流技術(shù)經(jīng)中科院上海科技查新咨詢中心檢索后的分析結(jié)論為：“......未見到國(guó)內(nèi)外有此‘電氣防火限流式保護(hù)器’相關(guān)報(bào)道。因此，該項(xiàng)目具有新穎性和良好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，屬國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平”。

2 微妙級(jí)快速限流技術(shù)原理

微秒級(jí)快速限流技術(shù)對(duì)電氣防火限流式保護(hù)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了全新的要求，主要集中在如何實(shí)現(xiàn)“快速”這個(gè)目標(biāo)上，這就要求保護(hù)器系統(tǒng)檢測(cè)電流速度要快、系統(tǒng)處理速度要快、限流分?jǐn)嚅_關(guān)速度要快。  

圖2所示的電氣防火限流式保護(hù)器系統(tǒng)框圖由以下幾個(gè)單元構(gòu)成：電流互感器、檢測(cè)單元、溫度傳感器、主控開關(guān)、微處理器單元、通信單元、報(bào)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(duì)應(yīng)的信號(hào)，其感應(yīng)精度和穩(wěn)定度保證了交流電流有效值的測(cè)量精度。

檢測(cè)單元具有高靈敏度與高速檢測(cè)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(shí)電流信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)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(hào)也由檢測(cè)單元2轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),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(jì)算和分析，根據(jù)電流的大小，分別與整定值進(jìn)行比較，區(qū)分出此時(shí)主回路電流I是過載電流還是短路電流，判斷是否出現(xiàn)超溫故障。根據(jù)程序設(shè)計(jì)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)。與此同時(shí)，微處理器單元能夠控制報(bào)警單元發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，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(chǎng)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(zhǎng)、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€(gè)保護(hù)器的數(shù)據(jù)存入到監(jiān)控電腦的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)時(shí)顯示各個(gè)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(shí)間，還能進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、存儲(chǔ)和追溯。

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

3 微妙級(jí)快速限流技術(shù)的應(yīng)用

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(jí)短路限流保護(hù)功能：能實(shí)時(shí)檢測(cè)用電線路的電流，發(fā)生短路故障時(shí)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所引起的電氣火災(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(shí)間超過設(shè)定時(shí)間（3~60s）時(shí)，保護(hù)器即可執(zhí)行過載報(bào)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(shí)，保護(hù)器即可執(zhí)行超溫保護(hù)功能。

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

數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能：保護(hù)器內(nèi)置遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口，符合RS-485接口協(xié)議，可以將多臺(tái)保護(hù)器與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)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(shí)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(chǎng)所，如學(xué)校、醫(yī)院、古建筑、賓館、娛樂場(chǎng)所、商品市場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)及工廠。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)已經(jīng)在DB11/791-2011《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。

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(jì)規(guī)程”中第5.4.1條規(guī)定：“租售式商場(chǎng)商鋪、批發(fā)市場(chǎng)、集貿(mào)市場(chǎng)、甲乙丙類危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)和廠房等場(chǎng)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(dòng)車充電站、學(xué)生宿舍及養(yǎng)老院等場(chǎng)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(bào)批頒布程序。

3.3 工程案例

上海世博會(huì)場(chǎng)館：產(chǎn)品安裝在上海世博會(huì)中國(guó)館、主題館、足跡館、阿爾及利亞館等十余場(chǎng)館。展會(huì)期間，多次發(fā)生超負(fù)荷故障以及因國(guó)外電源插頭不匹配造成的線路短路。

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(tái)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(cāng)庫(kù)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(shí)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(kù)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(guó)家級(jí)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)，“電器防火限流保護(hù)器”的應(yīng)用降低了火災(zāi)發(fā)生的可能性，得到用戶的一致好評(píng)。

電氣防火限流保護(hù)器自研發(fā)生產(chǎn)以來，共計(jì)安裝使用上萬臺(tái)，經(jīng)過五年多的實(shí)際應(yīng)用，到目前為止，排除了多起電氣火災(zāi)隱患，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，受到使用單位的廣泛贊揚(yáng)和極高的評(píng)價(jià)。該產(chǎn)品對(duì)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(cái)產(chǎn)安全、維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)揮了十分重要的作用。