微秒级快速限流技术在电气防火领域中的应用

1 快速限流的必要性

在电气防火领域，虽然目前已普遍采用智能化电子设备对用户现场的电气线路进行监测、报警和控制，然而，对于造成电气火灾危害最严重的电路短路故障却始终缺乏有效的限流保护手段。电气短路故障发生时会在极短时间内产生数百甚至数千安培的电流，使得电气线路迅速发热、短路点产生危险火花从而引发火灾。现有的电气火灾监控设备的分断机构普遍采用电磁脱扣式断路器，其分断时间一般在毫秒级甚至更长，当短路故障发生时，尽管监控系统能够实时检测到短路故障的发生，但由于执行分断指令的时间过长，瞬时剧增的短路电流来不及即刻得到抑制，使得短路电流仍会上升到峰值，从而造成发热与电弧的出现，引发火灾。另外，断路器的机械触点在开关动作时会产生抖动和飞弧，这会加剧触点表面氧化，、使得触点电阻增大而发生接触不良，出现飞弧、烧蚀触点甚至熔融等导致断路器失效。由此可见，现有火灾监控系统对于电气短路故障，只能做到实时监测与报警，无法快速限制短路电流的剧增，很有可能造成电气火灾的发生。

若要有效避免因短路故障所引发火灾，其关键措施就是要实现快速限流，即系统应具有快速响应能力。当电气线路发生短路故障时，系统监测到短路电流超过额定电流的数倍，并在极短的时间内快速实现限流分断，使得短路电流不再剧增，因而电线不再发热，短路点也不会喷发危险火花和金属粒子，从而减小发生火灾的可能性。

图1  短路限流控制能量比较

想要实现快速限流，理论上希望系统的响应时间越短越好，因此不能使用慢速的机电式断路器作为限流分断开关，而应采用响应迅速的固态开关，当前的技术可以做到系统响应时间＜150μs，即系统能在150μs内实现快速限流保护，使得短路时的瞬时电流被限制在设备设定的整定值以内，释放的能量远小于传统的机电保护方式，有效抑制短路点可能出现的危险电火花。

将微秒级快速限流技术与传统断路器的防火监控设备进行限流分断比较，短路故障发生前后的能量与时间关系示意图如图1所示。图中a点为发生短路故障的时间点，传统设备由于断路器执行时间过长，短路电流瞬时剧增到c点，直至到d点才分断结束，期间所积聚的能量（即斜线部分面积）巨大，易产生电气火花而引发火灾；使用微秒级快速限流技术后，当发生短路故障时，系统能在150μs内快速执行限流保护，使得短路电流被限制在正常工作电流的数倍即b点时就被限流分断至e点结束。显然，应用微秒级快速限流技术可有效减少短路故障释放的能量，短路点也不易产生危险火花。

**公司在快速限流保护技术方面获得突破性创新, 成功研发国内首创的“电气防火限流式保护器”（以下简称“保护器”），能够对电气短路电流实现快速限流保护，该项技术填补了国内电气防火领域快速限流技术的空白，已经获得国家发明专利的授权。公司与浙江省公安消防总队合作承担公安部消防局的科研计划“电气防火限流式保护器”,通过了公安部专家验收，并获得公安部科技进步三等奖。 公司以第一参编单位参与编制国家标准GB14287.6《电气火灾监控系统 第6部分：电气防火限流式保护器》,现已进入正式报批程序。

用于电气防火领域的快速限流技术经中科院上海科技查新咨询中心检索后的分析结论为：“......未见到国内外有此‘电气防火限流式保护器’相关报道。因此，该项目具有新颖性和良好的市场应用价值，属国内领先水平”。

2 微妙级快速限流技术原理

微秒级快速限流技术对电气防火限流式保护器系统的设计提出了全新的要求，主要集中在如何实现“快速”这个目标上，这就要求保护器系统检测电流速度要快、系统处理速度要快、限流分断开关速度要快。  

图2所示的电气防火限流式保护器系统框图由以下几个单元构成：电流互感器、检测单元、温度传感器、主控开关、微处理器单元、通信单元、报警单元以及辅助电源单元。

图2 电路工作原理方框图

电流互感器将电气线路上的电流I转变为与之大小相对应的信号，其感应精度和稳定度保证了交流电流有效值的测量精度。

检测单元具有高灵敏度与高速检测功能，负责采集经由电流互感器传来的用电回路的实时电流信号，经检测单元预处理后送至微处理器。另外,由温度传感器采集到的环境与机内工作温度信号也由检测单元2转化为数字信号,送至微处理器单元进行处理。

微处理器单元选用具有高速处理能力的高性能微处理器，将采集到的电流值、温度值进行快速计算和分析，根据电流的大小，分别与整定值进行比较，区分出此时主回路电流I是过载电流还是短路电流，判断是否出现超温故障。根据程序设计的指令要求，分别执行短路故障快速分断、超负荷过电流限流保护以及超温保护。与此同时，微处理器单元能够控制报警单元发出声光报警信号，通过通信单元实现远程联机通信。

主控开关采用高性能的绝缘栅功率场效应管组成交流电子式固态开关电路，由微处理器控制其开关状态，完成主控开关的导通和截止。该主控开关单元具有通断速度快、无触点、无火花、导通状态管压低、开关寿命长、易于电流扩展等优点。

通信单元主要受微处理器单元的控制，通过RS-485数据接口电路实现与上位机的远程通信。可将各个保护器的数据存入到监控电脑的数据库中，并实时显示各个保护器的工作状态、故障发生位置、故障类型和故障时间，还能进行监控数据的统计、分析、存储和追溯。

报警单元受微处理器单元的控制，当检测到故障发生时，能够发出声光报警信号。

3 微妙级快速限流技术的应用

新一代智能化的产品“电气防火限流式保护器”，目前已经形成单相10、20、32、63A 和三相45A等系列产品。产品的系统组成如图3所示。

图3  电气防火限流式保护器系统组成示意图

3.1 产品功能

微秒级短路限流保护功能：能实时检测用电线路的电流，发生短路故障时能在150μs内实现快速限流保护，有效抑制因短路电流过大所引起的电气火灾危害。

过载限流保护功能：当被保护线路的电流超过额定电流处于过载状态、且过载持续时间超过设定时间（3~60s）时，保护器即可执行过载报警或限流保护。

超温保护功能：当保护器工作环境温度或机内元件温度超过设定温度值时，保护器即可执行超温保护功能。

声光报警指示功能：保护器执行限流保护时，能发出声光报警指示。

数据联网功能：保护器内置远程计算机数据接口，符合RS-485接口协议，可以将多台保护器与计算机联网，实现计算机实时监控、统计查询与追溯功能。

3.2 适用范围

电气防火限流式保护器使用时应串接在电力分路开关后的用电线路中，可以应用于各种易发生电气火灾的场所，如学校、医院、古建筑、宾馆、娱乐场所、商品市场、仓库及工厂。亦可作为石油、化工、汽车等领域的电气防火延伸应用。

北京市地方标准已经在DB11/791-2011《文物建筑消防设施设置规范》中明确规定，文物建筑中重要用电设备的电源接入处宜设置限流式断电保护器。

公司参与编制的“上海市工程建设规范 - 民用建筑电气防火设计规程”中第5.4.1条规定：“租售式商场商铺、批发市场、集贸市场、甲乙丙类危险品仓库和厂房等场所的末端配电箱应设置电气防火限流式保护器。电动车充电站、学生宿舍及养老院等场所的末端配电箱宜设置电气防火限流式保护器。”该规程已经通过审定，进入正式报批颁布程序。

3.3 工程案例

上海世博会场馆：产品安装在上海世博会中国馆、主题馆、足迹馆、阿尔及利亚馆等十余场馆。展会期间，多次发生超负荷故障以及因国外电源插头不匹配造成的线路短路。

上海商学院：上海商学院先后在中山西路校区和奉贤校区的学生宿舍楼安装了700余台电气防火限流式保护器，开通运行4年多来，没有发生过因电气线路故障引发的事故，有效保护了学生宿舍的用电安全。

上海豫园商城：商城曾多次因室外景观灯线路受潮、老化等原因引起线路短路、打火，造成电气线路故障。

上海宇培物流公司：仓库电气线路因下雨电线管线进水造成电气短路故障，需快速实施限流保护，及时查明故障原因。

上海黄浦区田子坊商业区：上海田子坊商业区属于老式石库门旧里改造商区，住房密度高，弄堂道路狭窄，木质结构房屋陈旧，商区内又有多家餐饮店，消防防控难度较大。

山东曲阜孔府、孔庙、孔林景区：孔府、孔庙、孔林景区属于国家级古建筑保护单位。

浙江普陀山景区：浙江普陀山景区寺庙周边民居、商店、旅馆乱拉乱接电线严重，线路老旧，存在多处电气火灾隐患。

以上工程案例各自具有显著的电气特点，“电器防火限流保护器”的应用降低了火灾发生的可能性，得到用户的一致好评。

电气防火限流保护器自研发生产以来，共计安装使用上万台，经过五年多的实际应用，到目前为止，排除了多起电气火灾隐患，在所安装的电气回路中，至今未发生一起电气火灾事故，受到使用单位的广泛赞扬和极高的评价。该产品对于有效地预防电气火灾的发生、减少火灾危害、保障人身财产安全、维护社会和谐稳定发挥了十分重要的作用。