崔玉軍1 徐玉山2 裴善勇3
(1.中國中輕國際工程有限公司 北京100026)
(2.機械工業部第一設計研究院 安徽 233017)
(3.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801)
摘要： 近年來電氣火災居高不下，電氣火災監控系統已經逐漸成為建筑消防電氣設計中必須考慮的重要部分。本文概述了電氣火災監控系統的組成及原理，并結合工程設計實例給出相關的系統結構方案。最后針對剩余電流式電氣火災監控探測器在項目應用中應注意的問題進行了探討。
關鍵字：電氣火災;監控系統;監控探測器;ARCM;設計
1 引言:
隨著我們國家愛國民經濟的發展和人民生活水平的日益提高，我國在工業用電以及家庭用電方面逐年增加，以2010年為例我國全社會用電量達到41923億kWh，同比增長14.56%。各種電氣設備不斷增加并已應用普及到社會的各個領域，在給人們的生活生產帶來極大便利的同時也留下了更多的安全隱患。據2008-2010年度《中國消防年鑒》統計，2007-2009年我國共發生火災429738起，其中電氣火災125947起占火災總數的29.3%，為引發火災的最主要原因。多年來一直占據首位，居高不下，造成了巨大的財產損失。為遏制電氣火災發生，有關部門相繼制定、修改了相關國家標準規范，強調了電氣火災監控系統在防止因接地故障而引起的電氣火災的防護作用。例如《高層民用建筑設計防火規范》(GB50045-2005)第9.5.1條，《建筑設計防火規范》(GB50016-2006)第11.2.7條中都規定了宜設置電氣火災監控系統的場所。在《電氣火災監控系統》(GB 14287-2005)中規定了電氣火災監控系統的組成及設計要求。
2 電氣火災原因淺析
電氣火災發生的原因很多，短路、絕緣老化、過流、接地故障、接觸不良、家電或電熱設備引燃可燃物等等。從本質上講，在所有電氣火災起因中最終都是引起短路造成的，而短路火災中90%是由于漸變型故障引起的短路。漸變型故障是有發展過程的，在這個過程中所表現出的能力釋放，直接地表現為溫度或電弧，實質上是漏電流增大。過流負荷、接觸不良、家電或電熱設備等這些故障的發展過程中，同樣也伴隨著漏電電流的增加。因為漏電電流比較小，常不足以使過流保護設備(斷路器、熔斷器)動作，幾百毫安的漏電電弧產生的局部高溫達2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物發生火災，其隱蔽性常常最終導致火災的發生。
這類電氣火災的引發是由于非正常的的漏電流(即使是很小的值)所引發的，為隱蔽性故障，如果不利用一定的技術探測手段是無法知曉的，故障的持續發生最終可能會導致電氣火災事故。故需要有專門檢測線路中剩余電流(又稱泄露電流或漏電流)的裝置，用來測量在無施加電壓的情況下，電氣中帶相互絕緣的金屬零件之間,或帶電零件與接地零件之間,通過其周圍介質或絕緣表面所形成的電流，從而實現該類電氣火災的提前預警，達到消除火災隱患的目的。
3 電氣火災監控系統
電氣火災監控系統是指當被保護線路中的被探測參數超過報警設定值時，能發出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統。電氣火災監控系統是一種電氣火災預防的手段，是作用于電氣火災發生前的一種實時監控系統，與作用于火災發生后的“火災自動報警系統”在承擔任務、功能和采取的技術手段等方面均是不同的，兩者不能混淆和取代。
“ARCM”電氣火災監控系統是由上海安科瑞電氣股份有限公司自主研發和生產的，包括Acrel-6000電氣火災監控系統軟件及ARCM系列電氣火災監控探測器組成。它是一種應用于民用建筑和工業建筑雙重領域的新一代電氣火災監控產品，具有超早期、高智能、小型化、多功能、高可靠性、簡單實用等特點。該裝置是結合多年來該公司在國內外工業領域及民用建筑領域得系統集成項目中所積累下的大量寶貴經驗研制而成的。該監控設備采用工業計算機進行設計研制，具有良好的可靠性，同時優化了人機交互功能，使整個系統易于安裝、調試及維護，主機采用總線制數據傳輸方式，配接剩余電流式電氣火災監控探測器，組成大容量電氣火災監控系統，適用于高層建筑和各種工業場所的早期電氣火災實時監控及預防。
3.1 監控系統基本原理
電氣火災監控系統是集監測、報警、控制、集中管理于一體，總線上一般接監控探測器或監控單元，與主機進行通訊，傳送全部數據采集信息。主機采集接收的數據，監測被探測電氣線路三相電流、剩余電流、溫度、電壓等參數的變化，以及反饋當前回路狀態等信息。當被測線路發生異常時，電氣火災監控探測器通過互感器、溫度傳感器等工具采集信號并處理，當監測值超過設定閾值并且達到觸發時間時發出報警信號，同時將報警信號上傳至監控設備中，經進一步識別判定，監控主機發出火災報警信號，報警指示燈亮，報警聲音帶卡，并在顯示屏上提示報警信息，指定報警位置，值班人員迅速進行檢查處理，將報警信息發送至集中控制臺，同時也可由值班人員通過監控設備控制切斷故障回路電源，聯動其他消防設備，從而達到預防電氣火災的發生。
3.2 監控系統基本組成
《電氣火災監控系統》(GB14287)中給出了電氣火災監控系統相關的定義及基本組成。電氣火災監控系統是當被保護線路中的被探測參數超過報警設定值時，能發出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統，它由電氣火災監控設備、電氣火災監控探測器組成。
上海安科瑞電氣股份有限公司生產研發的電氣火災監控系統主要包括：Acrel6000電氣火災監控設備和ARCM系列電氣火災監控探測器兩大部分組成。根據工程項目的大小不同，給出了適用于各類不同的系統解決方案，以達到更優、更好的目標。一般我們分為：小型單體建筑;大型單體建筑;大型群體建筑。圖1中給出了各類型項目的基本系統結構圖。
小型單體建筑
大型單體建筑
大型群體建筑
圖 1 基本系統結構圖
以上海市軌道交通11號線某站地塊電氣火災監控系統為例，該項目共5個區，分布了196只ARCM200剩余電流式電氣火災探測器，通過RS485總線與2臺監控設備通訊(1個4口、1個16口)，結合監控中心值班室組成火災監控系統(圖2)，采用了Acrel-6000系統組態軟件，具有集中調度、控制、保護、監視、顯示等功能，集用電安全管理、分析、記錄于一體智能化優點，可大大降低應用場合的電氣火災發生率。
圖2 系統拓撲圖
3.3 基本功能及特點
Acrel-6000電氣火災監控系統是用于接收剩余電流式電氣火災探測器等現場設備信號，以實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制、管理的運行于計算機的工業級硬件/軟件系統。它主要包括以下六個功能：監控報警;故障報警;控制輸出;自檢;報警記錄;操作分級。監控報警功能主要包括：被監控回路開關的實時狀態;故障信號指示;聯動輸入;≤30s的監控報警響應時間;監控報警聲信號指示及操作。故障報警功能包括：監控設備與探測器之間的連接線斷路、短路故障監測;監控設備主電源欠壓(≤80%主電源電壓)或過壓(≥110%主電源電壓)監測。控制輸出功能包括：對個別或全部被監控單元的分閘、合閘進行遙控操作;報警控制輸出;脫扣控制輸出。自檢功能包括：通信線路的斷路、短路檢查;手動檢查或系統自檢。報警記錄功能包括：報警、故障事件類型、發生時間記錄;根據記錄日期、故障類型等條件查詢;報警記錄查詢及打印功能。操作分級包括：日常值班人員，可進入軟件界面查看實時監測情況、消除報警聲音和查詢報警記錄;監控操作人員，可操作除針對系統本身的信息維護外的其他操作;系統管理人員，可操作系統的任何一個功能模塊。
此外，與電氣火災監控設備相配套的ARCM系列電氣火災監控探測器負責被監測線路的參數上傳。監控探測器主要將電壓信號、電流信號和剩余電流信號經過互感器隔離調理之后，進入電參量采集模塊，將采樣計算好的數據上傳到MCU處理單元，MCU處理單元對接收到的數據作進一步處理，并采集溫度檢測模塊的溫度信號，數據處理完之后與之前設定的保護參數進行比較，判斷是否出現故障，并將數據實時顯示在LCD或LED顯示屏上。如果發生故障將會根據之前的設定故障處理方式進行處理，保護供電安全，并觸發聲光報警通知工作人員，并將故障類型、時間和參數存入的存儲芯片內。另外，MCU處理單元也接收聯動輸入模塊傳來的消防聯動和煙霧聯動的信號，與消防系統配合，遠程切斷電源，防止火災的發生。MCU處理單元通過雙通信模塊可以與兩個上位機系統進行數據交換，方便上位機對裝置的監控，并保證兩個系統互不影響，同時可減少系統投資成本，方便后期維護，方便電氣火災系統的普及。
4 注意事項
4.1 適用電氣火災監控系統配電系統的保護接地形式
1) 配電系統的接地形式
TN系統的定義：電力系統有一點接地，電氣裝置的外露可接導體通過保護線與該地點相連接。
TN系統可分為：TN-S系統，整個系統的中性線(N線)和保護線(PE線)是分開的;TN-C系統，整個系統的中性線和保護線是合一的;TN-C-S系統，系統中有一部分的中性線和保護線是合一的。
TT系統的定義：電力系統中有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護接地線與電力系統接地點無關。
2) 不同的接地系統應注意的問題
剩余電流式電氣火災監控探測器安裝時，必須嚴格區分N線和PE線，三極四線式或四極四線式的N線應接入剩余電流互感器。通過互感器的N線，不得作為PE線，不得重復接地或接設備外露可接近導體。
在TN系統中，必須將TN-C系統改造為TN-C-S,T N-S系統或局部TT系統后，才可安裝使用剩余電流式電氣火災監控探測器。在TN-C-S系統中，監控探測器只允許使用在N線與PE線分開部分。
4.2 剩余電流互感器的安裝
1)剩余電流互感器穿線
剩余電流互感器在穿線前應分清電網中的相線，N線以及PE線。相線和N線必須一同穿過剩余電流互感器，PE線不能穿過互感器。在系統中，如果N線未與相線一起穿過互感器，一旦三相負載不平衡，N線將有電流流過，探測器檢測到電流信號，即發生誤動作。不同回路間的N線不得多點相連或重復接地，否則會造成誤動作，在系統試運行時出現漏電流值過大而出現報警，很大一部分均是由此類情況造成。如果PE線同N線及相線一起穿過互感器，也會造成監控探測器的拒動作或誤動作。
也并非所有的剩余電流監測都需要將相線穿入互感器內，TN-S系統的總剩余電流監測方法就可排除在外，它可只穿一根電纜線通過剩余電流互感器。這個方法的優勢在于：可以選用小型的剩余電流互感器提高測量精度;后期如果互感器出現故障時，維護方便。具體接線示意圖如圖3。
圖3 TN-S系統總剩余電流接線方法
2)剩余電流互感器的安裝位置
剩余電流互感器應該安裝在便于檢修的地方，盡量遠離強磁場?；ジ衅鞯陌惭b沒有方向問題，互感器可以直接掛在線纜上，也可以固定在配電箱中。
剩余電流互感器安裝與開關斷路器的上端或下端并不會影響被保護線路的監控。但為了以后檢修方便，安裝于開關的下端口處較好，在斷電檢修時不必將上級開關斷電，只需本級開關斷開即可檢修。
4.3 電氣火災監控探測器的參數設置
動作電流值的確定，往往要根據現場回路后負載的正常漏電流的值來確定。實際情況電力系統中，不同回路的正常漏電流是不同的，額定剩余電流不動作值應不小于被保護電氣線路和設備正常運行時泄露電流最大值的2倍。被保護電氣線路正常運行時的漏電流值應控制在小于500mA，若泄露電流大于500mA，則應將監控探測器設置在下一級供電回路中，或者對線路或設備進行檢查或更換。
對于被保護線路為動力線路，為避免大型設備啟動瞬時對地泄漏電流太大引起裝置報警動作, 應將監控探測器的動作時間延長避過設備啟動時的不正常漏電，防止誤動作。
分級保護應用原則。系統應用中常有分級保護，常見2～3級，上下級的選擇性原則：動作電流方面，上級設備的設置必須最少是下級設備的兩倍;脫扣時間方面，上級設備的延遲時間應大于下一級剩余電流保護裝置的動作時間，且動作時間差不得小于0.2 s。
剩余電流電氣火災監控探測器一般并非單獨使用，而是與電氣火災監控設備相配套使用，當有漏電故障發生時，并不會馬上發生火災。如果監控探測器保護時自動切斷保護對象的供電電源，可能造成其他不可預知的危害。故剩余電流式電氣火災監控探測器宜用于報警，不宜自動切斷電源。有電氣火災監控設備時，將故障信息上報主機設備，由值班人員確認該故障信息并根據實際情況執行下一步操作。
4.4 漏電故障檢查
剩余電流式電氣火災監控探測器一般安裝于電力系統配電柜的出線端(變配電所)或樓層配電箱進線處。當被保護線路或設備發生漏電故障時，并不能斷定具體故障的點或位置，需逐一查看安裝點后各個線路及設備，這也是一項比較繁瑣的工作。
首先，區分漏電故障的原因，是由于接線不規范或接線錯誤引起的，還是設備或線路故障或者新增負荷引起的。在新運行項目中，很多情況都是由于接線不規范或接線錯誤導致，此時需要對保護線路的接線一一改正過來。將被保護線路中設備都正常運作之后如果剩余電流值在預計范圍內，基本可以確定線路已正常。接線錯誤引起的剩余電流往往比較大。
其次，采用儀表檢測法、分別斷電法(逐一排除法)、停電測量法等方法檢測漏電的具體部位。其中最有效及方便的方法就是分別斷電法，這種方法可以逐一縮小故障地點，最終發現故障原因。在不允許停電的情況下，我們一般采用觀察法及儀表測量法進行。觀察法主要是觀察線路中有無明顯的接線錯誤或者拉弧現象;儀表檢測法中我們需要有專門的手持漏電檢測裝置，來檢測各個回路中漏電的大小，根據大小來定位。
5 結束語
隨著我國經濟社會的發展，電氣安全越來越受到大家的關注，人們也逐漸認識到電氣火災監控系統在早期預防電氣火災的發生具有非常重要的作用。早期國家出臺相關的技術標準來規范電氣火災監控系統的設計和施工，導致目前這一行業比較混亂，系統的效果也并未達到預期的目的。目前該類產品被證實列入第二批實施強制性產品認證的消防產品，將于2013年1月1日起納入國家CCC認證產品，由此可見國家相關部門規范此類產品質量和市場的信心。
文章來源于：《智能建筑電氣技術》2012年4期。
參考文獻
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