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摘要：電氣設計時電源總進線處開關的剩余電流設定值較大，產生少量漏電時供電開關難以動作;而電路中絕緣破損有接地故障時產生的電弧限制了故障電流，使漏電保護器不能動作，但其產生的高溫易引起電氣火災,類似的情況下就需要進行泄漏電流的監測和報警。電氣火災監控報警系統能實時監測回路的剩余電流值、箱體的溫度，當電流值越限、溫度超標時，系統能實現聲光報警，并與消防火災報警系統實現聯動。 引言 據《中國火災統計年鑒》顯示，近十年的火災事故中，電氣火災所占比例在30%以上，且呈逐年上升的趨勢，已成為火災的主要致災因素，引起巨大的人財物損失。電氣火災產生的主要原因有短路、過載、接觸電阻過大、靜電等[1]，其中接地性電弧短路是最危險也多發的電氣火災成因，主要是由于故障點接觸不良，未被熔融而迸發出電或者電火花。而且發生電弧性短路的故障點阻抗較大，它的短路電流并不大(略大于300mA的電流即可產生電弧)，正常電路中設置的斷路器難以動作，而且線路電壓低至20V時電弧依然穩定存在，致使電弧難以熄滅。此類電弧溫度高達2000-3000度以上，極易引燃周圍的可燃物體[2]，因此接地性電弧短路是導致電氣火災最難以防范的原因之一。另外，在電源的總進線處和不允許斷電的電氣設備，如消防水泵回路和公共場所的疏散照明、消防報警回路的電源等，設計時不設漏電保護開關或者漏電保護開關動作的設定值比較大，產生少量漏電時漏電保護器難以動作，也容易造成觸電危險或者火災危險。這些地方都需要設計電氣火災監控系統，當電流值越限、溫度超標時，系統能實現聲光報警，并與消防火災報警系統聯動，通知管理人員進行處理。 1 電氣火災監控系統設置原理 電氣火災監控系統EFPS(Electric Fire Prevention System)主要是監測供電線路的剩余電流，依據基爾霍夫電流定律(Kirhhoff's Current Law)進行測量：在同一時刻，電路中流入和流出同一個節點的電流矢量和為零 Ir=IrA+IrB+IrC+IrN=0 以TN-S系統為例，將A/B/C/N同時穿過剩余電流互感器，在設備與線路無任何漏電的理想情況下，從正方向進入和負方向流出剩余電流互感器的電流矢量和為零，此時，剩余電流互感器感應出的二次電流也為0。 當某相發生接地故障時，其對大地發生漏電，此時流入和流出剩余電流互感器的電流矢量和不再為零，大小等于從大地流走的電流即漏電電流。此漏電電流使剩余電流互感器的環形鐵芯中產生磁通，其二次側感應產生電流，該電流與一次側各相漏電流的矢量和成正比，經過放大處理可視為一次側各相漏電流的矢量和。在三相電路中，零序剩余電流包括三種成分：三相不平衡電流、分布性電容電流和泄漏電流組成的正常漏電流、故障性漏電流即絕緣擊穿后漏電流。 Ir=Iilce+Irb+Ibrce，其中：Iilce固有對地漏電電流;Irb開關后對地漏電流;Ibrce突發性漏電流。 2 電氣火災監控報警系統組成 電氣監控報警系統EFPS(Electric Fire Prevention System)系統主要由監控管理層(監控主機IPC和電氣火災監控設備ACDP)、現場探測層(電氣火災探測器RTCM和TS溫度探測器)和系統輔助設備(區域監控單元ACDU和協議轉換模塊PTM)組成，通過工業以太網和RS485總線連接在一起。系統應具有超早期、高智能、小型化、高可靠性和簡單實用的特點[3] 。當線路中的漏電電流超過報警設定值時，監控主機發出聲光報警信號并指出報警位置[4]，提醒管理人員及時去現場查看確認。同時系統主機將上傳數據通過圖形、報表、事件記錄等形式反映整個系統的運行狀態。 2.1 現場探測層 現場探測層主要分為火災探測器(RTCM)和溫度探測器(TS)。電氣火災探測器(RTCM)通過零序互感器負責監測各個回路的剩余電流和溫度等電氣火災危險參數，負責監測和實時顯示各個回路的剩余電流值，并將剩余電流值的數據傳輸至系統主機，同時能夠設置剩余電流報警限值。同時，可設定地址編碼，幫助管理人員精確定位故障位置。針對電弧發出的高溫以及配電柜內溫度的測量，電氣火災監控系統還可以進行溫度監測，主要采用接觸式溫度探測器或者輻射式溫度探測器。 2.2 系統輔助設備 系統輔助設備主要指區域監控單元(ACDU)和協議轉換模塊(PTM)，區域監控單元(ACDU)可實時存儲故障及報警信息，并可對下級火災探測器的剩余電流報警值和溫度報警值等參數進行設定，還可以顯示相應的火災探測器的信息。協議轉換模塊PTM是Modbus總線和工業以太網之間的橋梁，傳輸數據時采用了數據壓縮技術，有效地解決了數據傳輸中通信距離和通信速度的悖論問題，在系統容量達到最大時也可以保證數據采集的實時性[5] ，它把基于RS485總線的Modbus RTU 信號轉換成基于工業以太網的UDP/IP信號，再傳輸給監控主機IPC進行處理，也可將監控主機IPC的輸出信號轉換后傳輸給火災探測器[6] 。 2.3 監控管理層 監控主機IPC能顯示當前系統中所有的探測器狀態，自動顯示報警提示信息窗口，提醒并指示報警的具體位置和回路編號。操作人員能發出控制信號，實現遠程控制，并自動保存報警及故障事件和操作記錄，方便管理人員查詢，系統組成如圖1。 中國石油大學(華東)工科實驗樓E座(如圖2)項目是我校實驗室的聚集平臺，設備眾多，用電負荷非常大，專門在其地下室配備了一個配電站，樓上配電柜和配電箱數量很多，根據規范要求配置了電氣火災監控系統。在配電室內設置了溫度監測裝置，在主要的配電柜內安裝了電氣火災探測器(RTCM)，劃分了地下室、裙樓和主樓三個區域，使用了3個ACDU區域監控單元，經過PTM協議轉換模塊連成一體，在消防控制中心設有監控主機，實施遠程控制，并與消防控制中心聯動。經過一年多的運行，其質量可靠，及時發現了多起剩余電流過大的事故。 系統設備的測試：為了檢測系統的動作可靠性和準確性，我們現場制作了帶可調電阻和電流表的電燈回路來進行檢測。將火線串入電氣火災探測器(RTCM)而零線不串入，調節可調電阻大小電燈亮度隨之改變，電流表顯示通過電流即漏電電流的大小。通過電流表的讀數即可判斷出電氣火災探測器的靈敏度和可靠性，通過現場試驗驗證了該系統性能可靠，反應靈敏。 3 電氣火災監控報警系統設計注意的問題 (1)由于剩余電流監測的原理采用了基爾霍夫電流定律，故目前可以應用的低壓配電系統有：TT系統、IT系統、TN-S系統，不能使用在TN-C系統中。無論對于AC220V的單相還是AC380V三相供電系統，都要求中性線N此后不許再接地，保護線PE不得穿過互感器。 (2)電氣火災探測器(RTCM)應根據分級保護的原則進行安裝。根據用電負載及線路分布情況，一般在配電室內配電柜供電總回路和樓層分配電箱處安裝火災探測器(RTCM)，而在用戶室內開關處設置漏電保護器以防止人身觸電，漏電保護器的參數根據漏電保護器的設置原理進行設置[7]。 (3)電氣漏電監測系統的溫度檢測是以配電設備異常發熱為基本原則而進行的。溫度測量主要考慮低壓配電裝置中電纜壓接等處容易產生電弧導致高溫，或者是電纜出配電室處電纜比較密集散熱不暢產生高溫，一般在二級保護的線路中應用。主要是采用溫度探頭Pt100，當探測電纜溫度時，將溫度探頭直接設置在電纜表面。當檢測配電柜內部的溫度時，安裝在靠近電纜壓接等處容易產生高溫的位置,采用非接觸式安裝。具體檢測點參考如下: 變壓器低壓側出線端子、變壓器體溫(風溫、油溫、水溫)測試點、負荷開關觸頭[8]。 (4)火災探測器(RTCM)泄漏電流報警值的設定。火災探測器(RTCM)設定時應考慮電氣負荷的大小、用電設備的情況和用電回路的正常泄漏電流等因素。一般支路上報警設定值為300mA，配電室內總配電柜出線等處為1000mA，但應不小于系統正常運行時泄漏電流最大值的2倍[9]。 (5)設計電氣火災監控報警系統時應慎重選擇火災探測器的報警輸出功能[10] 。電氣監控報警系統首要的要求是報警的準確性和及時性，然后才是切斷事故電源的可靠性。漏電報警只是提示某處出現火災隱患應該派人進行檢修而不是立即切斷電源。漏電報警立即切斷電源將會很頻繁，會給用戶造成經濟損失。 4 結束語 基于信息技術的電氣火災監控報警系統，通過剩余電流式火災探測器對配電回路和配電柜內的剩余電流、導線溫度、過電流等火災危險參數實施監控和管理，使用報警主機實現遠程監控，從而預防電氣火災的發生，消除安全隱患，降低了火災損失。 參考文獻： [1]張永文，基于嵌入式MCU技術的電氣火災監控報警系統[J].低壓電器，2009,(2):44-48 [2]魏修全，論電氣火災監控系統預防電氣火災的發生[J].電工技術學報，2012(9):25-27 [3]鄒軍，電氣火災監控系統設計若干問題探討[J].電氣自動化，2013(14):14-17 [4]楊晨，使用電氣火災監控系統防范電氣火災的發生[J].電子技術應用，2009(12):36-38 [5] 李華嵩，電氣火災監控系統設計若干問題探討[J].電氣自動化，2013(14):14-17 [6]來望銀，視頻監控系統在火災報警中的應用[J].西安科技大學學報，2013(4):22-25 [7]溫玉婷，漏電保護器的原理與應用[J]. 電氣開關，2013(06):18-20 [8]安立強，奧運公園地下商業建筑電氣設計及可靠性分析[D].天津大學碩士論文,2011 [9]陳東浩，漏電火災報警系統設計應用的探討[J].電子技術應用，2010 (5):21-23 [10]吳小虎，電氣火災監控報警系統的設計及應用[J].建材技術與應用，2012(4):25-27 [11]GB50045-95,高層民用建筑設計防火規范[S] [12]GB 13955-2005，剩余電流動作保護裝置安裝和運行[S] |
