運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷庫電氣安全報(bào)警

方 敏

（雪鏈物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201101）

0 引 言

我國每年因電氣安全引發(fā)的火災(zāi)事故依然很多，據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年和2021年全國因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災(zāi)起數(shù)占總火災(zāi)起數(shù)的三分之一左右，其中因供電線路短路、過負(fù)荷、接觸不良、故障等電氣故障問題引發(fā)的火災(zāi)約占八成。電氣火災(zāi)的危害巨大，有必要主動對其進(jìn)行有效的防范，但現(xiàn)實(shí)場景普遍缺乏有效的監(jiān)測防范手段[1-4]。本文主要研究如何在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，特別是冷庫倉儲環(huán)境，運(yùn)用智能物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)[5-6]實(shí)現(xiàn)電氣安全的主動防護(hù)與預(yù)警報(bào)警。

1 可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的電氣安全物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算架構(gòu)

如圖1所示的電氣安全物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算架構(gòu)，可以分為四個(gè)層級。第1層為生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)感知監(jiān)測層，負(fù)責(zé)現(xiàn)場電氣安全數(shù)據(jù)的感知，市場上有很多成熟的監(jiān)測產(chǎn)品，如帶通信功能的數(shù)字電表，可以監(jiān)測供電線路的電壓、電流、功率因素、有功電能等；帶電纜溫度監(jiān)測功能的剩余電流監(jiān)測儀表，可以監(jiān)測線路剩余電流和電纜溫度；故障電路監(jiān)測儀表，可以探測供電線路是否存在故障電弧。第2層為數(shù)據(jù)傳輸層，部署在生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和傳輸單元設(shè)備DTU，可以通過RS-485或者Ethernet方式，運(yùn)用ModBus-RTU、ModBus-TCP等協(xié)議采集監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)，通過企業(yè)有線局域網(wǎng)絡(luò)、WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綇V域網(wǎng)或者直接通過移動通信（GPRS/3G/4G/5G等）方式安全傳輸?shù)綇V域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺。第3層為數(shù)據(jù)存儲層，DTU把數(shù)據(jù)傳到云端，云端服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲的空間大小，取決于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)壓縮算法效率等多方面因素。第4層為應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)應(yīng)用模型層，該層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的核心、實(shí)現(xiàn)預(yù)警與報(bào)警功能的關(guān)鍵。

圖1 電氣安全物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)能夠在電氣安全方面有效發(fā)揮作用，既能夠監(jiān)測現(xiàn)場電氣安全參數(shù)，又能在參數(shù)異常情況下通過云端發(fā)出智能電話報(bào)警。同時(shí)現(xiàn)場必須有可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如斷路器、漏電保護(hù)斷路器、故障電弧斷路器等）切斷支路的供電。

2 生產(chǎn)現(xiàn)場的電氣安全參數(shù)監(jiān)測

2.1 供電支路電流

電氣線路發(fā)生短路時(shí)，電流很大，會伴隨電火花、電弧產(chǎn)生，并在短路點(diǎn)產(chǎn)生高溫而引發(fā)火災(zāi)。供電支路電流超過安全閾值時(shí)，現(xiàn)場保護(hù)斷路器應(yīng)跳閘切斷支路。目前，市面上已經(jīng)有電表廠家提供限流保護(hù)器產(chǎn)品，支持亞毫秒級切斷短路供電支路，從而避免火災(zāi)發(fā)生。帶通信功能的數(shù)字電表都可以監(jiān)測供電支路的電流、能耗、電壓等參數(shù)并傳輸?shù)皆贫恕?/p>

2.2 供電支路產(chǎn)生的剩余電流

剩余電流是指低壓配電線路中各相（含中性線）電流矢量和不為零的電流。家庭用電進(jìn)戶總線都有觸電保護(hù)器，當(dāng)有人觸電或線路漏電產(chǎn)生的剩余電流超過30 mA時(shí)，漏電保護(hù)開關(guān)跳閘，工業(yè)生產(chǎn)建議剩余電流超過300 mA時(shí)發(fā)出報(bào)警。在生產(chǎn)現(xiàn)場對供電支路進(jìn)行剩余電流監(jiān)測時(shí)，要避免接線錯(cuò)誤。通常發(fā)生的接線錯(cuò)誤有互感器電流方向不對、三相四線制將PE接地保護(hù)線穿過互感器或者不是四根線穿過互感器、兩相兩線制零線沒有穿過互感器等。圖2所示為三相四線和單相兩線接線示意。

圖2 剩余電流與電纜溫度監(jiān)測接線示意

2.3 供電支路電纜溫度

電氣供電線路負(fù)荷過大或設(shè)計(jì)負(fù)荷的裕量不足，致使電氣線路長期處于或?yàn)l臨過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，不僅會造成電氣線路過熱絕緣體損壞，而且會在電氣線路接頭部位因接觸電阻增加導(dǎo)致過度發(fā)熱，容易引發(fā)火災(zāi)。對支路供電電纜溫度進(jìn)行如圖2所示的持續(xù)監(jiān)測，在防止線路絕緣層溫度過高或線路負(fù)載過大方面具有一定的預(yù)警報(bào)警意義。如果電纜溫度持續(xù)超過70 ℃，會使電纜絕緣層老化加速，電纜使用壽命縮短，容易引發(fā)電氣安全事故。有些沒有物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測條件的場景也需要運(yùn)維人員定期對電纜溫度進(jìn)行手工探測。

2.4 供電支路故障電弧

故障電弧是指由于電氣線路或設(shè)備中絕緣層老化破損、電氣連接接觸處松動、空氣潮濕、電壓電流急劇升高等原因，引起空氣擊穿所導(dǎo)致的氣體游離放電現(xiàn)象[7-8]。當(dāng)發(fā)生故障電弧現(xiàn)象時(shí)，中心溫度可能高達(dá)3 000 ℃，會引起金屬噴濺物，引燃可燃物并引發(fā)火災(zāi)。發(fā)生故障電弧時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須立即執(zhí)行動作切斷支路供電，防止意外發(fā)生；同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)云端監(jiān)測到故障電弧監(jiān)測儀表發(fā)出的報(bào)警信號后，立即撥打報(bào)警電話給運(yùn)維人員。故障電弧的監(jiān)測如圖3所示，其中串聯(lián)型電弧故障發(fā)生在一根相線上，是由導(dǎo)線破損、接觸點(diǎn)松動等原因造成的。串聯(lián)電弧電流比較小，其釋放的熱量一般不會直接導(dǎo)致火災(zāi)，但是當(dāng)串聯(lián)電弧持續(xù)存在時(shí)，可能會使導(dǎo)線絕緣層碳化破損，引發(fā)并聯(lián)型電弧故障或線路短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。并聯(lián)型電弧故障發(fā)生在兩根相線之間，如兩相線絕緣層因遭遇雷電產(chǎn)生瞬間高電壓被擊穿，或相線間形成碳化通路以及金屬穿刺切割相線等都會引發(fā)并聯(lián)電弧故障。在線路阻抗較大的情況下，并聯(lián)故障電弧引發(fā)的電流不會引發(fā)斷路器的動作，在此期間電弧迸發(fā)的火花釋放大量的熱量，容易點(diǎn)燃周圍的可燃物導(dǎo)致火災(zāi)。接地型故障電弧引起的火災(zāi)遠(yuǎn)多于串并聯(lián)型故障電弧引起的火災(zāi)，接地型電弧故障發(fā)生時(shí)，剩余電流必然不為零。

圖3 故障電弧監(jiān)測

當(dāng)監(jiān)測到生產(chǎn)現(xiàn)場的供電支路電氣安全參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，必須觸發(fā)現(xiàn)場的保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，及時(shí)切斷供電支路，避免引發(fā)火災(zāi)；如果在亞毫秒級內(nèi)執(zhí)行切斷動作，可以有效避免明火產(chǎn)生。由于很多生產(chǎn)現(xiàn)場都是無人值守的，僅有現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作切斷供電支路，可能導(dǎo)致現(xiàn)場生產(chǎn)異常，必須通過物聯(lián)網(wǎng)云端智能電話報(bào)警給相關(guān)運(yùn)維人員，及時(shí)趕到現(xiàn)場處理事故。

3 電氣安全監(jiān)測參數(shù)云端報(bào)警實(shí)現(xiàn)

3.1 報(bào)警模型機(jī)制

電氣安全報(bào)警可以分為緊急和非緊急報(bào)警，緊急報(bào)警需要立即通過云端打電話給運(yùn)維管理人員，因?yàn)槿绻藛T反應(yīng)時(shí)間太長可能造成嚴(yán)重后果；非緊急報(bào)警可以發(fā)送短信或者微信報(bào)警，以提醒運(yùn)維人員和作為預(yù)測性維護(hù)的依據(jù)。在日常生產(chǎn)中，經(jīng)常會發(fā)生運(yùn)維人員收到太多的報(bào)警電話，時(shí)間長了會發(fā)生“報(bào)警疲勞”，緊急電話報(bào)警必須做到精準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)報(bào)警，減少誤報(bào)警數(shù)量，云端軟件系統(tǒng)對報(bào)警做了延時(shí)處理，如圖4所示。

圖4 信號的延時(shí)報(bào)警

對于開關(guān)量報(bào)警信號s，由現(xiàn)場設(shè)備控制器產(chǎn)生，但報(bào)警信號可能在一段較短時(shí)間后消失，如果云端在t1時(shí)間點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信息給運(yùn)維人員，運(yùn)維人員可能就會陷入報(bào)警疲勞。如果滿足如下條件：

那么，云端報(bào)警服務(wù)認(rèn)為，現(xiàn)場報(bào)警信號s在t2時(shí)刻發(fā)生報(bào)警，并發(fā)送報(bào)警信息或者電話報(bào)警給運(yùn)維人員。

同理，對于模擬量信號的報(bào)警，定義報(bào)警上限閾值為ST，如果模擬量s滿足如下條件：

那么，云端報(bào)警服務(wù)認(rèn)為，現(xiàn)場信號s從t2時(shí)刻持續(xù)超越報(bào)警上限值滿足報(bào)警條件，發(fā)送報(bào)警信息或者電話報(bào)警給運(yùn)維人員。

云端軟件系統(tǒng)采用如圖5所示的智能報(bào)警模型服務(wù)，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)信號報(bào)警時(shí)，根據(jù)報(bào)警的緊急程度自動給相關(guān)運(yùn)維人員撥打語音電話或者發(fā)送微信、短信報(bào)警消息。報(bào)警內(nèi)容包含報(bào)警的發(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間等信息，運(yùn)維人員可以精準(zhǔn)定位報(bào)警點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速故障處理。

圖5 智能報(bào)警模型

3.2 用電支路負(fù)載電流監(jiān)測報(bào)警

對負(fù)載的用電支路電流進(jìn)行監(jiān)測并報(bào)警有重要意義，能夠防止支路電流超過線路設(shè)計(jì)負(fù)荷，避免因線路過載部件發(fā)熱產(chǎn)生安全事故。有頻繁啟停開關(guān)類負(fù)載的支路電流曲線如圖6所示，可根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷對支路監(jiān)測電流設(shè)置非緊急和緊急兩級報(bào)警上限閾值并有適當(dāng)延時(shí)Δt。

圖6 頻繁啟停的工業(yè)設(shè)備運(yùn)行電流

3.3 供電支路剩余電流監(jiān)測報(bào)警

對于工業(yè)環(huán)境剩余電流報(bào)警閾值設(shè)定，國標(biāo)GB 14287.2-2014中建議為20～1 000 mA[9]。在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可能存在電氣線路布置不規(guī)范的情況，導(dǎo)致監(jiān)測線路的剩余電流失去意義，容易發(fā)生大量誤報(bào)警。必須對電氣線路的布置進(jìn)行必要的調(diào)整，發(fā)揮剩余電流監(jiān)測的作用。圖7是電氣線路布置不規(guī)范情況導(dǎo)致的剩余電流，這樣的波形會頻繁發(fā)出報(bào)警，失去監(jiān)測意義；圖8是支路漏電產(chǎn)生故障電弧并引發(fā)明火的剩余電流波形，這種情況現(xiàn)場必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)切斷供電，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)云端必須及時(shí)發(fā)出正確的電話報(bào)警信息，通知運(yùn)維人員第一時(shí)間趕到現(xiàn)場處理事故。

圖7 電氣線路布置接線不規(guī)范產(chǎn)生的剩余電流

圖8 供電支路漏電產(chǎn)生故障電弧引發(fā)明火的剩余電流

3.4 電纜溫度和電加熱溫度監(jiān)測報(bào)警

供電線纜的使用負(fù)荷與設(shè)計(jì)的匹配問題往往會通過監(jiān)測電纜溫度暴露無遺[10]。如圖9所示為夏季一根電纜溫度監(jiān)測曲線，中午時(shí)段經(jīng)常超過70 ℃。通常電纜溫度高并不會立即產(chǎn)生安全事故，可設(shè)置兩級報(bào)警閾值，非必要不打電話，而發(fā)送給運(yùn)維人員的文字報(bào)警信息無疑是良好的預(yù)警。此外，在冷庫生產(chǎn)場景，冷凍庫門、冷風(fēng)機(jī)集水盤和排水管等都大量使用電加熱絲，如圖10所示為庫門電加熱溫度監(jiān)測曲線，也必須對其進(jìn)行安全監(jiān)測，防止溫度過高引發(fā)安全隱患。

圖9 負(fù)載超過設(shè)計(jì)負(fù)荷的供電支路夏季電纜溫度

圖10 冷凍庫門電加熱溫度

4 結(jié) 語

冷庫存在大量的高功率電氣設(shè)備，大量使用電加熱，庫內(nèi)操作用電需求多，影響安全的因素也比較多。根據(jù)企業(yè)自建冷庫物聯(lián)網(wǎng)云平臺不完全抽樣統(tǒng)計(jì)兩年數(shù)據(jù)，從云端發(fā)出的超過2.2萬條的冷庫相關(guān)緊急電話報(bào)警記錄中，涉及電氣安全緊急電話報(bào)警數(shù)約占14.9%。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行冷庫或其他生產(chǎn)環(huán)境電氣安全參數(shù)監(jiān)測與預(yù)警報(bào)警，對預(yù)防電氣火災(zāi)事故具有重要意義。