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浅析电气火灾监控系统的设计及注意事项 |
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作者：崔玉军 徐玉山 裴善勇 |
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摘要：近年来电气火灾居高不下，电气火灾监控系统已经逐渐成为建筑消防电气设计中必须考虑的重要部分。本文概述了电气火灾监控系统的组成及原理，并结合工程设计实例给出相关的系统结构方案。最后针对剩余电流式电气火灾监控探测器在项目应用中应注意的问题进行了探讨。
关键字：电气火灾；监控系统；监控探测器；ARCM；设计
1 引言
随着我们国家爱国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，我国在工业用电以及家庭用电方面逐年增加，以2010年为例我国全社会用电量达到41923亿kWh，同比增长14.56%。各种电气设备不断增加并已应用普及到社会的各个领域，在给人们的生活生产带来极大便利的同时也留下了更多的安全隐患。据2008-2010年度《中国消防年鉴》统计，2007-2009年我国共发生火灾429738起，其中电气火灾125947起占火灾总数的29.3%，为引发火灾的最主要原因。多年来一直占据首位，居高不下，造成了巨大的财产损失。为遏制电气火灾发生，有关部门相继制定、修改了相关国家标准规范，强调了电气火灾监控系统在防止因接地故障而引起的电气火灾的防护作用。例如《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-2005）第9.5.1条，《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）第11.2.7条中都规定了宜设置电气火灾监控系统的场所。在《电气火灾监控系统》（GB 14287-2005）中规定了电气火灾监控系统的组成及设计要求。
2 电气火灾原因浅析
电气火灾发生的原因很多，短路、绝缘老化、过流、接地故障、接触不良、家电或电热设备引燃可燃物等等。从本质上讲，在所有电气火灾起因中最终都是引起短路造成的，而短路火灾中90%是由于渐变型故障引起的短路。渐变型故障是有发展过程的，在这个过程中所表现出的能力释放，直接地表现为温度或电弧，实质上是漏电流增大。过流负荷、接触不良、家电或电热设备等这些故障的发展过程中，同样也伴随着漏电电流的增加。因为漏电电流比较小，常不足以使过流保护设备（断路器、熔断器）动作，几百毫安的漏电电弧产生的局部高温达2000℃以上，足以引燃周围的可燃物发生火灾，其隐蔽性常常最终导致火灾的发生。
这类电气火灾的引发是由于非正常的的漏电流（即使是很小的值）所引发的，为隐蔽性故障，如果不利用一定的技术探测手段是无法知晓的，故障的持续发生最终可能会导致电气火灾事故。故需要有专门检测线路中剩余电流（又称泄露电流或漏电流）的装置，用来测量在无施加电压的情况下，电气中带相互绝缘的金属零件之间,或带电零件与接地零件之间,通过其周围介质或绝缘表面所形成的电流，从而实现该类电气火灾的提前预警，达到消除火灾隐患的目的。
3 电气火灾监控系统
电气火灾监控系统是指当被保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统。电气火灾监控系统是一种电气火灾预防的手段，是作用于电气火灾发生前的一种实时监控系统，与作用于火灾发生后的“火灾自动报警系统”在承担任务、功能和采取的技术手段等方面均是不同的，两者不能混淆和取代。
“ARCM”电气火灾监控系统是由上海安科瑞电气股份有限公司自主研发和生产的，包括Acrel-6000电气火灾监控系统软件及ARCM系列电气火灾监控探测器组成。它是一种应用于民用建筑和工业建筑双重领域的新一代电气火灾监控产品，具有超早期、高智能、小型化、多功能、高可靠性、简单实用等特点。该装置是结合多年来该公司在国内外工业领域及民用建筑领域得系统集成项目中所积累下的大量宝贵经验研制而成的。该监控设备采用工业计算机进行设计研制，具有良好的可靠性，同时优化了人机交互功能，使整个系统易于安装、调试及维护，主机采用总线制数据传输方式，配接剩余电流式电气火灾监控探测器，组成大容量电气火灾监控系统，适用于高层建筑和各种工业场所的早期电气火灾实时监控及预防。
3.1 监控系统基本原理
电气火灾监控系统是集监测、报警、控制、集中管理于一体，总线上一般接监控探测器或监控单元，与主机进行通讯，传送全部数据采集信息。主机采集接收的数据，监测被探测电气线路三相电流、剩余电流、温度、电压等参数的变化，以及反馈当前回路状态等信息。当被测线路发生异常时，电气火灾监控探测器通过互感器、温度传感器等工具采集信号并处理，当监测值超过设定阈值并且达到触发时间时发出报警信号，同时将报警信号上传至监控设备中，经进一步识别判定，监控主机发出火灾报警信号，报警指示灯亮，报警声音带卡，并在显示屏上提示报警信息，指定报警位置，值班人员迅速进行检查处理，将报警信息发送至集中控制台，同时也可由值班人员通过监控设备控制切断故障回路电源，联动其他消防设备，从而达到预防电气火灾的发生。
3.2 监控系统基本组成
《电气火灾监控系统》（GB14287）中给出了电气火灾监控系统相关的定义及基本组成。电气火灾监控系统是当被保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统，它由电气火灾监控设备、电气火灾监控探测器组成。
上海安科瑞电气股份有限公司生产研发的电气火灾监控系统主要包括：Acrel6000电气火灾监控设备和ARCM系列电气火灾监控探测器两大部分组成。根据工程项目的大小不同，给出了适用于各类不同的系统解决方案，以达到更优、更好的目标。一般我们分为：小型单体建筑；大型单体建筑；大型群体建筑。图1中给出了各类型项目的基本系统结构图。
小型单体建筑
大型单体建筑
大型群体建筑
图 1 基本系统结构图
以上海市轨道交通11号线某站地块电气火灾监控系统为例，该项目共5个区，分布了196只ARCM200剩余电流式电气火灾探测器，通过RS485总线与2台监控设备通讯（1个4口、1个16口），结合监控中心值班室组成火灾监控系统（图2），采用了Acrel-6000系统组态软件，具有集中调度、控制、保护、监视、显示等功能，集用电安全管理、分析、记录于一体智能化优点，可大大降低应用场合的电气火灾发生率。
图2 系统拓扑图
3.3 基本功能及特点
Acrel-6000电气火灾监控系统是用于接收剩余电流式电气火灾探测器等现场设备信号，以实现对被保护电气线路的报警、监视、控制、管理的运行于计算机的工业级硬件/软件系统。它主要包括以下六个功能：监控报警；故障报警；控制输出；自检；报警记录；操作分级。监控报警功能主要包括：被监控回路开关的实时状态；故障信号指示；联动输入；≤30s的监控报警响应时间；监控报警声信号指示及操作。故障报警功能包括：监控设备与探测器之间的连接线断路、短路故障监测；监控设备主电源欠压（≤80%主电源电压）或过压（≥110%主电源电压）监测。控制输出功能包括：对个别或全部被监控单元的分闸、合闸进行遥控操作；报警控制输出；脱扣控制输出。自检功能包括：通信线路的断路、短路检查；手动检查或系统自检。报警记录功能包括：报警、故障事件类型、发生时间记录；根据记录日期、故障类型等条件查询；报警记录查询及打印功能。操作分级包括：日常值班人员，可进入软件界面查看实时监测情况、消除报警声音和查询报警记录；监控操作人员，可操作除针对系统本身的信息维护外的其他操作；系统管理人员，可操作系统的任何一个功能模块。
此外，与电气火灾监控设备相配套的ARCM系列电气火灾监控探测器负责被监测线路的参数上传。监控探测器主要将电压信号、电流信号和剩余电流信号经过互感器隔离调理之后，进入电参量采集模块，将采样计算好的数据上传到MCU处理单元，MCU处理单元对接收到的数据作进一步处理，并采集温度检测模块的温度信号，数据处理完之后与之前设定的保护参数进行比较，判断是否出现故障，并将数据实时显示在LCD或LED显示屏上。如果发生故障将会根据之前的设定故障处理方式进行处理，保护供电安全，并触发声光报警通知工作人员，并将故障类型、时间和参数存入的存储芯片内。另外，MCU处理单元也接收联动输入模块传来的消防联动和烟雾联动的信号，与消防系统配合，远程切断电源，防止火灾的发生。MCU处理单元通过双通信模块可以与两个上位机系统进行数据交换，方便上位机对装置的监控，并保证两个系统互不影响，同时可减少系统投资成本，方便后期维护，方便电气火灾系统的普及。
4 注意事项
4.1 适用电气火灾监控系统配电系统的保护接地形式
1） 配电系统的接地形式
TN系统的定义：电力系统有一点接地，电气装置的外露可接导体通过保护线与该地点相连接。
TN系统可分为：TN-S系统，整个系统的中性线（N线）和保护线（PE线）是分开的；TN-C系统，整个系统的中性线和保护线是合一的；TN-C-S系统，系统中有一部分的中性线和保护线是合一的。
TT系统的定义：电力系统中有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护接地线与电力系统接地点无关。
2） 不同的接地系统应注意的问题
剩余电流式电气火灾监控探测器安装时，必须严格区分N线和PE线，三极四线式或四极四线式的N线应接入剩余电流互感器。通过互感器的N线，不得作为PE线，不得重复接地或接设备外露可接近导体。
在TN系统中，必须将TN-C系统改造为TN-C-S,T N-S系统或局部TT系统后，才可安装使用剩余电流式电气火灾监控探测器。在TN-C-S系统中，监控探测器只允许使用在N线与PE线分开部分。
4.2 剩余电流互感器的安装
1）剩余电流互感器穿线
剩余电流互感器在穿线前应分清电网中的相线，N线以及PE线。相线和N线必须一同穿过剩余电流互感器，PE线不能穿过互感器。在系统中，如果N线未与相线一起穿过互感器，一旦三相负载不平衡，N线将有电流流过，探测器检测到电流信号，即发生误动作。不同回路间的N线不得多点相连或重复接地，否则会造成误动作，在系统试运行时出现漏电流值过大而出现报警，很大一部分均是由此类情况造成。如果PE线同N线及相线一起穿过互感器，也会造成监控探测器的拒动作或误动作。
也并非所有的剩余电流监测都需要将相线穿入互感器内，TN-S系统的总剩余电流监测方法就可排除在外，它可只穿一根电缆线通过剩余电流互感器。这个方法的优势在于：可以选用小型的剩余电流互感器提高测量精度；后期如果互感器出现故障时，维护方便。具体接线示意图如图3。
图3 TN-S系统总剩余电流接线方法
2）剩余电流互感器的安装位置
剩余电流互感器应该安装在便于检修的地方，尽量远离强磁场。互感器的安装没有方向问题，互感器可以直接挂在线缆上，也可以固定在配电箱中。
剩余电流互感器安装与开关断路器的上端或下端并不会影响被保护线路的监控。但为了以后检修方便，安装于开关的下端口处较好，在断电检修时不必将上级开关断电，只需本级开关断开即可检修。
4.3 电气火灾监控探测器的参数设置
动作电流值的确定，往往要根据现场回路后负载的正常漏电流的值来确定。实际情况电力系统中，不同回路的正常漏电流是不同的，额定剩余电流不动作值应不小于被保护电气线路和设备正常运行时泄露电流最大值的2倍。被保护电气线路正常运行时的漏电流值应控制在小于500mA，若泄露电流大于500mA，则应将监控探测器设置在下一级供电回路中，或者对线路或设备进行检查或更换。
对于被保护线路为动力线路，为避免大型设备启动瞬时对地泄漏电流太大引起装置报警动作, 应将监控探测器的动作时间延长避过设备启动时的不正常漏电，防止误动作。
分级保护应用原则。系统应用中常有分级保护，常见2～3级，上下级的选择性原则：动作电流方面，上级设备的设置必须最少是下级设备的两倍；脱扣时间方面，上级设备的延迟时间应大于下一级剩余电流保护装置的动作时间，且动作时间差不得小于0.2 s。
剩余电流电气火灾监控探测器一般并非单独使用，而是与电气火灾监控设备相配套使用，当有漏电故障发生时，并不会马上发生火灾。如果监控探测器保护时自动切断保护对象的供电电源，可能造成其他不可预知的危害。故剩余电流式电气火灾监控探测器宜用于报警，不宜自动切断电源。有电气火灾监控设备时，将故障信息上报主机设备，由值班人员确认该故障信息并根据实际情况执行下一步操作。
4.4 漏电故障检查
剩余电流式电气火灾监控探测器一般安装于电力系统配电柜的出线端（变配电所）或楼层配电箱进线处。当被保护线路或设备发生漏电故障时，并不能断定具体故障的点或位置，需逐一查看安装点后各个线路及设备，这也是一项比较繁琐的工作。
首先，区分漏电故障的原因，是由于接线不规范或接线错误引起的，还是设备或线路故障或者新增负荷引起的。在新运行项目中，很多情况都是由于接线不规范或接线错误导致，此时需要对保护线路的接线一一改正过来。将被保护线路中设备都正常运作之后如果剩余电流值在预计范围内，基本可以确定线路已正常。接线错误引起的剩余电流往往比较大。
其次，采用仪表检测法、分别断电法（逐一排除法）、停电测量法等方法检测漏电的具体部位。其中最有效及方便的方法就是分别断电法，这种方法可以逐一缩小故障地点，最终发现故障原因。在不允许停电的情况下，我们一般采用观察法及仪表测量法进行。观察法主要是观察线路中有无明显的接线错误或者拉弧现象；仪表检测法中我们需要有专门的手持漏电检测装置，来检测各个回路中漏电的大小，根据大小来定位。
5 结束语
随着我国经济社会的发展，电气安全越来越受到大家的关注，人们也逐渐认识到电气火灾监控系统在早期预防电气火灾的发生具有非常重要的作用。早期国家出台相关的技术标准来规范电气火灾监控系统的设计和施工，导致目前这一行业比较混乱，系统的效果也并未达到预期的目的。目前该类产品被证实列入第二批实施强制性产品认证的消防产品，将于2013年1月1日起纳入国家CCC认证产品，由此可见国家相关部门规范此类产品质量和市场的信心。
参考文献
1） 中华人民共和国公安部.沈阳消防研究所.GB14287—2005电气火灾监控系统[S].北京：中国标准出版社，2005.
2） 北京供电局.上海电器科学研究所.GB13955—2005剩余电流动作保护装置安装和运行[S].北京：中国标准出版社，2005.
3） 国家技术监督局.中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50045-95(2005版)，高层民用建筑设计防火规范[S].北京：国计划出版社，2005.
4） 中华人民共和国公安部.GB50026-2006，建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2006.
5） 周中.智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案.北京：机械工业出版社，2011.
6） 中华人民共和国公安部消防局.中国消防年鉴（2010）【M】.北京：中国人事出版社，2010.(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/13/2014) |
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