一種新型電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用探討

聞濤

中國石油大學(xué)(華東)工程科，山東青島 266555

摘要：介紹了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測回路中的剩余電流值、箱體的溫度。當(dāng)電流值越限、溫度超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并與消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。經(jīng)過一年多運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了多起剩余電流過大的事故。

關(guān)鍵詞：電氣火災(zāi)； 剩余電流； 實(shí)時(shí)監(jiān)控； 配電系統(tǒng)

據(jù)《中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，近十年的火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)所占比例在30%以上，且呈逐年上升的趨勢，已成為火災(zāi)的主要致災(zāi)因素，造成巨大的人財(cái)物損失。接地性電弧短路是最危險(xiǎn)也是多發(fā)電氣火災(zāi)的成因，主要是由于故障點(diǎn)接觸不良，未被熔融而迸發(fā)出電或者電火花。發(fā)生電弧性短路的故障點(diǎn)阻抗較大，它的短路電流并不大(略大于300mA的電流即可產(chǎn)生電弧)，正常電路中設(shè)置的斷路器難以動(dòng)作，而且線路電壓低至20V時(shí)電弧依然穩(wěn)定存在，致使電弧難以熄滅。此類電弧溫度高達(dá)2000～3000℃以上，極易引燃周圍的可燃物體1]。另外，在電源的總進(jìn)線處和不允許斷電的電氣設(shè)備，如消防水泵回路和公共場所的疏散照明、消防報(bào)警回路的電源等，設(shè)計(jì)時(shí)不設(shè)漏電保護(hù)開關(guān)或者漏電保護(hù)開關(guān)動(dòng)作的設(shè)定值比較大，產(chǎn)生少量漏電時(shí)漏電保護(hù)器難以動(dòng)作，也容易造成觸電危險(xiǎn)或者火災(zāi)危險(xiǎn)。這些地方都需要設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)電流值越限、溫度超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并與消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，通知管理人員進(jìn)行處理。

1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置原理

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)(Electric Fire Prevention System， EFPS)主要是監(jiān)測供電線路的剩余電流，依據(jù)基爾霍夫電流定律(Kirhhoff’s Current Law)進(jìn)行測量： 在同一時(shí)刻，電路中流入和流出同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流矢量和為零，即：

I=IA+IB+IC+IN=0

(1)

以TN-S系統(tǒng)為例，將A/B/C/N同時(shí)穿過剩余電流互感器，在設(shè)備與線路無任何漏電的理想情況下，從正方向進(jìn)入和負(fù)方向流出剩余電流互感器的電流矢量和為零，此時(shí)，剩余電流互感器感應(yīng)出的二次電流也為0。

當(dāng)某相發(fā)生接地故障時(shí)，其對(duì)大地發(fā)生漏電，此時(shí)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(huán)形鐵芯中產(chǎn)生磁通，其二次側(cè)感應(yīng)產(chǎn)生電流，該電流與一次側(cè)各相漏電電流的矢量和成正比，經(jīng)過放大處理可視為一次側(cè)各相漏電電流的矢量和。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電流、故障性漏電電流即絕緣擊穿后漏電電流。

I=I1+I2+I3

(2)

式中：I1為固有對(duì)地漏電電流；I2為開關(guān)后對(duì)地漏電電流；I3為突發(fā)性漏電電流。

2電氣火I3災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)組成

EFPS系統(tǒng)主要由監(jiān)控管理層(IPC監(jiān)控軟件和ACDP)、探測層(RTCM和TS溫度探測器)和系統(tǒng)輔助設(shè)備(ACDU區(qū)域監(jiān)控單元和PTM協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊)組成，通過工業(yè)以太網(wǎng)和RS485總線連接在一起。當(dāng)線路中的漏電電流超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并指出報(bào)警位置2]，提醒管理人員及時(shí)去現(xiàn)場查看確認(rèn)。同時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)將上傳數(shù)據(jù)通過圖形、報(bào)表、事件記錄等形式反映整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1　現(xiàn)場探測層

現(xiàn)場探測層(RTCM)通過零序互感器負(fù)責(zé)監(jiān)測各個(gè)回路的剩余電流和溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)，負(fù)責(zé)監(jiān)測和實(shí)時(shí)顯示各個(gè)回路的剩余電流值，并將剩余電流值的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)主機(jī)，同時(shí)能夠設(shè)置剩余電流報(bào)警限值。另外可設(shè)定地址編碼，幫助管理人員精確定位故障位置。針對(duì)電弧發(fā)出的高溫，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)還可以進(jìn)行溫度監(jiān)測，主要采用接觸式溫度計(jì)或者輻射式溫度計(jì)。

2.2　系統(tǒng)輔助設(shè)備

系統(tǒng)輔助設(shè)備主要指ACDU區(qū)域監(jiān)控單元和PTM協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，ACDU區(qū)域監(jiān)控模塊可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)故障及報(bào)警信息，并可對(duì)下級(jí)RTCM的剩余電流報(bào)警值和溫度報(bào)警值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，還可以顯示相應(yīng)的RTCM信息。PTM協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊可將基于RS485總線的Modbus RTU信號(hào)轉(zhuǎn)換成基于工業(yè)以太網(wǎng)的Modbus UDP/IP信號(hào)，再傳輸給IPC監(jiān)控軟件進(jìn)行處理，也可將IPC的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳輸給RTCM3]。

2.3　監(jiān)控管理層

IPC監(jiān)控軟件能顯示當(dāng)前系統(tǒng)中所有的探測器狀態(tài)，自動(dòng)顯示報(bào)警提示信息窗口,提醒并指示報(bào)警的具體位置和回路編號(hào)。操作人員能發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并自動(dòng)保存報(bào)警及故障事件和操作記錄，方便管理人員查詢，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

中國石油大學(xué)(華東)工科實(shí)驗(yàn)樓E座(效果圖如圖2所示)項(xiàng)目是我校實(shí)驗(yàn)室的聚集平臺(tái)，設(shè)備眾多，用電負(fù)荷非常大，專門在其地下室配備了一個(gè)配電站，樓上配電柜和配電箱數(shù)量很多，根據(jù)規(guī)范要求配置了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。在配電室內(nèi)設(shè)置了溫度監(jiān)測裝置，在主要的配電柜內(nèi)安裝了漏電監(jiān)測單元RTCM，劃分了地下室、裙樓和主樓3個(gè)區(qū)域，使用了3個(gè)ACDU區(qū)域監(jiān)控單元，經(jīng)過PTM協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊連成一體，在消防控制中心設(shè)有監(jiān)控主機(jī)，實(shí)施遠(yuǎn)程控制,并與消防控制中心聯(lián)動(dòng)。經(jīng)過一年多的運(yùn)行，其質(zhì)量可靠，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了多起剩余電流過大的事故。

圖2　工科實(shí)驗(yàn)樓E座效果圖

系統(tǒng)設(shè)備的測試： 為了檢測系統(tǒng)的動(dòng)作可靠性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)場制作了帶可調(diào)電阻和電流表的電燈回路來進(jìn)行檢測。將火線接入RTCM零線，但不經(jīng)過RTCM，調(diào)節(jié)可調(diào)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(shù)，可判斷出RTCM的靈敏度和可靠性，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)性能可靠，反應(yīng)靈敏。

4設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

(1) 由于剩余電流監(jiān)測的原理采用了基爾霍夫電流定律，故目前可以應(yīng)用的低壓配電系統(tǒng)有： TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)。無論對(duì)于AC220V的單相還是AC380V三相供電系統(tǒng)，都要求中性線N此后不許再接地，保護(hù)線PE不得穿過互感器。

(2) RTCM應(yīng)根據(jù)分級(jí)保護(hù)的原則進(jìn)行安裝。根據(jù)用電負(fù)載及線路分布情況，一般在配電室內(nèi)的配電柜供電總回路和樓層分配電箱處安裝RTCM，而在用戶室內(nèi)開關(guān)處設(shè)置漏電保護(hù)器以防止人身觸電，其參數(shù)根據(jù)漏電保護(hù)器的設(shè)置原則進(jìn)行設(shè)置4]。

(3) 電氣漏電監(jiān)測系統(tǒng)的溫度檢測是以配電設(shè)備異常發(fā)熱為基本原則而進(jìn)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(chǎn)

生電弧導(dǎo)致高溫，或者是電纜出配電室處電纜比較密集，散熱不暢產(chǎn)生高溫，一般在二級(jí)保護(hù)的線路中應(yīng)用。主要是采用溫度探頭Pt100，當(dāng)探測電纜溫度時(shí)，將溫度探頭直接設(shè)置在電纜表面。當(dāng)檢測配電柜內(nèi)部的溫度時(shí)，探頭安裝在靠近電纜壓接等容易產(chǎn)生高溫的位置,采用非接觸式安裝。具體檢測點(diǎn)參考： 變壓器低壓側(cè)出線端子，變壓器體溫(風(fēng)溫、油溫、水溫)測試點(diǎn)，負(fù)荷開關(guān)觸頭5]。

(4) RTCM泄漏電流報(bào)警值的設(shè)定應(yīng)考慮電氣負(fù)荷的大小、用電設(shè)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(bào)警設(shè)定值為300mA，配電室內(nèi)的總配電柜出線等處為1000mA，但應(yīng)不小于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)泄漏電流最大值的2倍6]。

5結(jié)束語

基于信息技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，通過剩余電流式火災(zāi)探測器，對(duì)配電回路和配電柜內(nèi)的剩余電流、導(dǎo)線溫度、過電流等火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)實(shí)施監(jiān)控和管理，使用報(bào)警主機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，消除安全隱患，降低了火災(zāi)損失。

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Investigation of the Applications of a New Type of Electric

Fire Control and Alarm System

WenTao

Engineering Department, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266555， China

Abstract:Described an electric fire monitoring system that is available to monitor the real-time value of the residual current in the loop and the cabinet temperature. When the current value is out of the limit or the temperature exceeds the rated value, the system can provide audio visual alarm, and achieve linkage with the fire alarm system in the fire brigade. After more than a year’s service, multiple accidents where residual current was too large were discovered on time.

Key Words:Electrical Fire; Residual Current; Real-time Monitoring; Distribution System

中圖分類號(hào):TM 08

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1674-540X(2015)01-059-03

作者簡介：聞濤(1977-)，男，碩士，工程師，國家注冊(cè)設(shè)備師，
E-mail: qqww01110@163.com

收稿日期：2015-02 -03