运用物联网技术实现冷库电气安全报警
时间：2023-04-24 11:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
方 敏
（雪链物联网技术服务有限公司，上海 201101）
我国每年因电气安全引发的火灾事故依然很多，据应急管理部消防救援局发布的数据，2020年和2021年全国因违反电气安装使用规定引发的火灾起数占总火灾起数的三分之一左右，其中因供电线路短路、过负荷、接触不良、故障等电气故障问题引发的火灾约占八成。电气火灾的危害巨大，有必要主动对其进行有效的防范，但现实场景普遍缺乏有效的监测防范手段[1-4]。本文主要研究如何在工业生产环境，特别是冷库仓储环境，运用智能物联网云计算技术[5-6]实现电气安全的主动防护与预警报警。
如图1所示的电气安全物联网云计算架构，可以分为四个层级。第1层为生产现场的数据感知监测层，负责现场电气安全数据的感知，市场上有很多成熟的监测产品，如带通信功能的数字电表，可以监测供电线路的电压、电流、功率因素、有功电能等；
带电缆温度监测功能的剩余电流监测仪表，可以监测线路剩余电流和电缆温度；
故障电路监测仪表，可以探测供电线路是否存在故障电弧。第2层为数据传输层，部署在生产现场的数据采集和传输单元设备DTU，可以通过RS-485或者Ethernet方式，运用ModBus-RTU、ModBus-TCP等协议采集监测仪表的数据，通过企业有线局域网络、WiFi无线局域网络传输到广域网或者直接通过移动通信（GPRS/3G/4G/5G等）方式安全传输到广域网的物联网云计算平台。第3层为数据存储层，DTU把数据传到云端，云端服务器负责存储物联网数据，数据存储的空间大小，取决于现场数据采集的监测点数、数据采集频率、数据压缩算法效率等多方面因素。第4层为应用软件与数据应用模型层，该层是实现物联网数据分析的核心、实现预警与报警功能的关键。
图1 电气安全物联网架构
物联网能够在电气安全方面有效发挥作用，既能够监测现场电气安全参数，又能在参数异常情况下通过云端发出智能电话报警。同时现场必须有可靠的执行机构（如断路器、漏电保护断路器、故障电弧断路器等）切断支路的供电。
2.1 供电支路电流
电气线路发生短路时，电流很大，会伴随电火花、电弧产生，并在短路点产生高温而引发火灾。供电支路电流超过安全阈值时，现场保护断路器应跳闸切断支路。目前，市面上已经有电表厂家提供限流保护器产品，支持亚毫秒级切断短路供电支路，从而避免火灾发生。带通信功能的数字电表都可以监测供电支路的电流、能耗、电压等参数并传输到云端。
2.2 供电支路产生的剩余电流
剩余电流是指低压配电线路中各相（含中性线）电流矢量和不为零的电流。家庭用电进户总线都有触电保护器，当有人触电或线路漏电产生的剩余电流超过30 mA时，漏电保护开关跳闸，工业生产建议剩余电流超过300 mA时发出报警。在生产现场对供电支路进行剩余电流监测时，要避免接线错误。通常发生的接线错误有互感器电流方向不对、三相四线制将PE接地保护线穿过互感器或者不是四根线穿过互感器、两相两线制零线没有穿过互感器等。图2所示为三相四线和单相两线接线示意。
图2 剩余电流与电缆温度监测接线示意
2.3 供电支路电缆温度
电气供电线路负荷过大或设计负荷的裕量不足，致使电气线路长期处于或濒临过负荷运行状态，不仅会造成电气线路过热绝缘体损坏，而且会在电气线路接头部位因接触电阻增加导致过度发热，容易引发火灾。对支路供电电缆温度进行如图2所示的持续监测，在防止线路绝缘层温度过高或线路负载过大方面具有一定的预警报警意义。如果电缆温度持续超过70 ℃，会使电缆绝缘层老化加速，电缆使用寿命缩短，容易引发电气安全事故。有些没有物联网监测条件的场景也需要运维人员定期对电缆温度进行手工探测。
2.4 供电支路故障电弧
故障电弧是指由于电气线路或设备中绝缘层老化破损、电气连接接触处松动、空气潮湿、电压电流急剧升高等原因，引起空气击穿所导致的气体游离放电现象[7-8]。当发生故障电弧现象时，中心温度可能高达3 000 ℃，会引起金属喷溅物，引燃可燃物并引发火灾。发生故障电弧时，生产现场保护执行机构必须立即执行动作切断支路供电，防止意外发生；
同时物联网云端监测到故障电弧监测仪表发出的报警信号后，立即拨打报警电话给运维人员。故障电弧的监测如图3所示，其中串联型电弧故障发生在一根相线上，是由导线破损、接触点松动等原因造成的。串联电弧电流比较小，其释放的热量一般不会直接导致火灾，但是当串联电弧持续存在时，可能会使导线绝缘层碳化破损，引发并联型电弧故障或线路短路，进而引发火灾。并联型电弧故障发生在两根相线之间，如两相线绝缘层因遭遇雷电产生瞬间高电压被击穿，或相线间形成碳化通路以及金属穿刺切割相线等都会引发并联电弧故障。在线路阻抗较大的情况下，并联故障电弧引发的电流不会引发断路器的动作，在此期间电弧迸发的火花释放大量的热量，容易点燃周围的可燃物导致火灾。接地型故障电弧引起的火灾远多于串并联型故障电弧引起的火灾，接地型电弧故障发生时，剩余电流必然不为零。
图3 故障电弧监测
当监测到生产现场的供电支路电气安全参数发生异常时，必须触发现场的保护执行机构动作，及时切断供电支路，避免引发火灾；
如果在亚毫秒级内执行切断动作，可以有效避免明火产生。由于很多生产现场都是无人值守的，仅有现场的执行机构动作切断供电支路，可能导致现场生产异常，必须通过物联网云端智能电话报警给相关运维人员，及时赶到现场处理事故。
3.1 报警模型机制
电气安全报警可以分为紧急和非紧急报警，紧急报警需要立即通过云端打电话给运维管理人员，因为如果人员反应时间太长可能造成严重后果；
非紧急报警可以发送短信或者微信报警，以提醒运维人员和作为预测性维护的依据。在日常生产中，经常会发生运维人员收到太多的报警电话，时间长了会发生“报警疲劳”，紧急电话报警必须做到精准。为了实现精准报警，减少误报警数量，云端软件系统对报警做了延时处理，如图4所示。
图4 信号的延时报警
对于开关量报警信号s，由现场设备控制器产生，但报警信号可能在一段较短时间后消失，如果云端在t1时间点发出报警信息给运维人员，运维人员可能就会陷入报警疲劳。如果满足如下条件：
那么，云端报警服务认为，现场报警信号s在t2时刻发生报警，并发送报警信息或者电话报警给运维人员。
同理，对于模拟量信号的报警，定义报警上限阈值为ST，如果模拟量s满足如下条件：
那么，云端报警服务认为，现场信号s从t2时刻持续超越报警上限值满足报警条件，发送报警信息或者电话报警给运维人员。
云端软件系统采用如图5所示的智能报警模型服务，实现测点信号报警时，根据报警的紧急程度自动给相关运维人员拨打语音电话或者发送微信、短信报警消息。报警内容包含报警的发生地点、时间等信息，运维人员可以精准定位报警点实现快速故障处理。
图5 智能报警模型
3.2 用电支路负载电流监测报警
对负载的用电支路电流进行监测并报警有重要意义，能够防止支路电流超过线路设计负荷，避免因线路过载部件发热产生安全事故。有频繁启停开关类负载的支路电流曲线如图6所示，可根据设计负荷对支路监测电流设置非紧急和紧急两级报警上限阈值并有适当延时Δt。
图6 频繁启停的工业设备运行电流
3.3 供电支路剩余电流监测报警
对于工业环境剩余电流报警阈值设定，国标GB 14287.2-2014中建议为20～1 000 mA[9]。在工业生产环境，可能存在电气线路布置不规范的情况，导致监测线路的剩余电流失去意义，容易发生大量误报警。必须对电气线路的布置进行必要的调整，发挥剩余电流监测的作用。图7是电气线路布置不规范情况导致的剩余电流，这样的波形会频繁发出报警，失去监测意义；
图8是支路漏电产生故障电弧并引发明火的剩余电流波形，这种情况现场必须有执行机构切断供电，同时物联网云端必须及时发出正确的电话报警信息，通知运维人员第一时间赶到现场处理事故。
图7 电气线路布置接线不规范产生的剩余电流
图8 供电支路漏电产生故障电弧引发明火的剩余电流
3.4 电缆温度和电加热温度监测报警
供电线缆的使用负荷与设计的匹配问题往往会通过监测电缆温度暴露无遗[10]。如图9所示为夏季一根电缆温度监测曲线，中午时段经常超过70 ℃。通常电缆温度高并不会立即产生安全事故，可设置两级报警阈值，非必要不打电话，而发送给运维人员的文字报警信息无疑是良好的预警。此外，在冷库生产场景，冷冻库门、冷风机集水盘和排水管等都大量使用电加热丝，如图10所示为库门电加热温度监测曲线，也必须对其进行安全监测，防止温度过高引发安全隐患。
图9 负载超过设计负荷的供电支路夏季电缆温度
图10 冷冻库门电加热温度
冷库存在大量的高功率电气设备，大量使用电加热，库内操作用电需求多，影响安全的因素也比较多。根据企业自建冷库物联网云平台不完全抽样统计两年数据，从云端发出的超过2.2万条的冷库相关紧急电话报警记录中，涉及电气安全紧急电话报警数约占14.9%。运用物联网与云计算技术进行冷库或其他生产环境电气安全参数监测与预警报警，对预防电气火灾事故具有重要意义。
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