于偉峰，杜昊巖

（1.天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津 300450；2.天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司，天津 300450）

0 引言

城市軌道交通對(duì)安全性具有極高的要求，在設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，必須時(shí)刻檢查安全設(shè)備、設(shè)施的性能，考慮消除安全隱患的方法。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)今各城市軌道交通為防范電氣火災(zāi)而廣泛采用的技術(shù)手段，包括剩余電流監(jiān)測(cè)、電氣線路溫度監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，為軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)提供了保障。

城市軌道交通中的UPS 配電柜是重要設(shè)備的電源保障，經(jīng)常采用雙電源回路設(shè)計(jì)。為了預(yù)防剩余電流造成的電氣火災(zāi)，回路中必須安裝電氣火災(zāi)探測(cè)器。在安裝過(guò)程中，對(duì)于UPS 配電柜雙電源功能的關(guān)注，往往會(huì)讓施工者忽略回路中的電氣火災(zāi)探測(cè)器能否正常運(yùn)行。因此，由于施工原因造成的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)異常報(bào)警常有發(fā)生。

通過(guò)研究電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和探測(cè)器的原理，零線短接（或混接）是產(chǎn)生系統(tǒng)故障和異常報(bào)警的重要原因。本文對(duì)于影響電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的施工缺陷，開展進(jìn)一步的分析和探索，并提出解決方法。利用科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效的方法分開零線，并且不影響UPS 配電柜的基本功能，能夠有效解決異常報(bào)警問(wèn)題，使得電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到更加有用的漏電數(shù)據(jù)，從而預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。這對(duì)于提高城市軌道交通的安全性具有重要意義。

1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的重要性

由于城市軌道交通多數(shù)為人員密集的地下建筑，一旦發(fā)生火災(zāi)，首先會(huì)對(duì)當(dāng)事人員的心理產(chǎn)生沖擊，造成恐慌情緒，導(dǎo)致行動(dòng)混亂，不利于疏散逃生；其次，起火產(chǎn)生的煙霧難以控制和排除，會(huì)形成積聚的濃煙。上述特點(diǎn)導(dǎo)致城市軌道交通火災(zāi)事故中的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重[1]。綜合統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的火災(zāi)事故，電氣原因事故占事故總數(shù)的40.2%，所占比例最高[2]，如圖1所示。電氣火災(zāi)監(jiān)控就是通過(guò)技術(shù)手段，對(duì)電氣線路的溫度、泄漏電流等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，測(cè)量、接收并分析數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)警信息提醒維護(hù)人員提早發(fā)現(xiàn)漏電隱患，制定預(yù)防措施，可以有效減少甚至避免發(fā)生電氣火災(zāi)，是城市軌道交通中非常必要的安全技術(shù)手段。

圖1 地鐵火災(zāi)原因分布

2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

國(guó)家有關(guān)部門一直十分重視消防安全，尤其是對(duì)電氣火災(zāi)的有效防范。自從在民用建筑中大力發(fā)展電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)以來(lái)，國(guó)家在近幾年陸續(xù)修訂了《GB50054—2011 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》、《GB50116—2013 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為電氣火災(zāi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用提供了依據(jù)。

對(duì)電氣線路中的剩余電流監(jiān)測(cè)是電氣火災(zāi)監(jiān)控的重要內(nèi)容，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的安裝和使用規(guī)定：（1）建筑物中配電線路絕緣損壞時(shí)可能出現(xiàn)接地故障的配電系統(tǒng)宜設(shè)置剩余電流監(jiān)測(cè)電器[3]；（2）剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器宜設(shè)置在第一級(jí)配電柜（箱）的出線端[4]。因此軌道交通項(xiàng)目的配電系統(tǒng)往往設(shè)有電氣火災(zāi)監(jiān)控，施工中必須保證電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的正常運(yùn)行。

3 剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器

3.1 系統(tǒng)原理

過(guò)載、短路、線路絕緣老化、接觸不良、靜電、電氣回路高次諧波過(guò)載等原因都可能造成電氣火災(zāi)。剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，該探測(cè)器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是電線（電纜）的泄漏電流。通過(guò)泄漏電流的大小判斷被檢測(cè)電線（電纜）中的火線、零線對(duì)地線的絕緣水平，進(jìn)而判斷絕緣狀況是否良好[5]。泄漏電流過(guò)大（超過(guò)報(bào)警閾值），代表線路中可能出現(xiàn)絕緣破損或短路現(xiàn)象，必須立刻著手解決。

圖2 剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 剩余電流互感器測(cè)量原理

剩余電流互感器是測(cè)量泄露電流的裝置，它將泄露電流的數(shù)值傳輸給剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器進(jìn)行顯示和分析。

由基爾霍夫電流定律可知，流經(jīng)電路中任一節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和等于0，即這是剩余電流互感器工作的基本原理。在測(cè)量時(shí)，A 相線、B 相線、C 相線與中性線N 一起穿過(guò)電流互感器，如圖3 所示。在電氣設(shè)備與線路均正常的情況下（不考慮不平衡電流和接地故障，也不考慮線路中固有的泄漏電流）， 理論上各相電流的相量和等于0（IA+IB+IC+IN=0），各相線工作電流在電流互感器環(huán)形鐵芯中所產(chǎn)生的磁通量之和也為0（φA+φB+φC+φN=0），此時(shí)剩余電流互感器的輸出端應(yīng)無(wú)電壓信號(hào)輸出。一旦電路發(fā)生了絕緣故障或者接地故障，將會(huì)造成各相電流的相量和不為0。剩余電流互感器的鐵芯為環(huán)形，故障電流在其中產(chǎn)生磁通，互感器輸出端會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)，從而測(cè)出電路中的泄漏電流。在實(shí)際情況中，線路電流會(huì)有一定量的諧波電流和固有的正常的泄漏電流，因此探測(cè)器的報(bào)警值應(yīng)設(shè)定在20～1 000 mA之間[6]。除此之外，設(shè)定過(guò)程中還要考慮報(bào)警值和設(shè)定值之差，其絕對(duì)值不應(yīng)大于設(shè)定值的5%，以免造成誤報(bào)警。

4 工程中產(chǎn)生的問(wèn)題

濱海站交通樞紐配套工程在400 V開關(guān)柜饋線處設(shè)置剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)裝置，設(shè)定其報(bào)警閾值為800 mA，即IA+IB+IC+IN≥800 mA 時(shí)，剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警。此設(shè)定值符合相關(guān)規(guī)范，能夠有效對(duì)電氣線路中的泄露電流進(jìn)行預(yù)警。

樞紐站內(nèi)通信機(jī)房電源系統(tǒng)采用主、備雙路電源輸入（I、II 段電源），直接引自站內(nèi)10/0.4 kV 變電所400 V 開關(guān)柜。通信機(jī)房UPS配電柜內(nèi)設(shè)有3P雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（即互投開關(guān)），目前僅將主、備電源的A、B、C三相接入轉(zhuǎn)換開關(guān)，零線未接入。UPS 配電柜內(nèi)僅有一個(gè)供電源零線接線的銅排（以下簡(jiǎn)稱“零排”），主、備電源零線均接至此零排上，如圖4所示。

圖4 UPS配電柜接線示意圖

主、備電源的兩個(gè)進(jìn)線端（即400 V開關(guān)柜饋線處）各設(shè)置有剩余電流互感器，UPS 配電柜通電運(yùn)行后，剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器不斷報(bào)警，檢查后未發(fā)現(xiàn)線路絕緣問(wèn)題。經(jīng)排查分析，主、備電源零線之間存在電位差，由于主、備電源在UPS配電柜中共用一個(gè)零排，2個(gè)有電位差的零線被接在一起，兩者之間就產(chǎn)生了電流，被剩余電流互感器作為泄露電流檢測(cè)出來(lái)，超過(guò)了報(bào)警閾值，造成進(jìn)線端電氣火災(zāi)探測(cè)裝置報(bào)警。故障排查過(guò)程中，斷開主、備電源中的任意一根零線，漏電報(bào)警當(dāng)即消除，因此初步判斷主、備電源零線短接是造成故障的原因。由于設(shè)計(jì)或施工中的疏忽，不同電位的零線短接，是剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控器在安裝和使用中的一個(gè)常見問(wèn)題[7]。

5 解決方案及分析

解決方案有以下2種。

5.1 方案一

雙電源開關(guān)由3P改為4P。將UPS配電柜內(nèi)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)由3P 改裝為4P，即在雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)上增加零極，供主、備電源的零線連接，這樣就能將兩路電源的零線分開，消除不同電位零線短接的故障。由于配電柜內(nèi)空間有限，綜合考慮安裝布局、器件尺寸等問(wèn)題，無(wú)法單獨(dú)更換雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，必須更換整個(gè)UPS配電柜。

5.2 方案二

加裝供備用電源使用的獨(dú)立零排。在配電柜內(nèi)加裝一根新的銅排，將備用電源零線從原有零排摘下連接至新裝銅排上，用新的銅排做備用電源的獨(dú)立零排，如圖5所示。

圖5 加裝零排的改造方法示意圖

考慮到配電柜內(nèi)裝有雙電源切換器和輸入電儀表，這2個(gè)設(shè)備要求主、備電源均接入才能正常運(yùn)行，故需要從2個(gè)零排將主、備零線分別引至上述設(shè)備。

雙電源切換器的主、備火線分別取自主、備電源的相線，該設(shè)備支持兩路市電同時(shí)接入，配置有“主電零線”及“備電零線”2個(gè)接口，加裝1根零線引入新裝的備電零排即可。

表1 方案一和方案二的比較

輸入電儀表不具備兩路電源同時(shí)接入功能，其火線取自雙電源切換器下口相線，伴隨雙電源切換器動(dòng)作使用主電或備電，且僅配置1 個(gè)“零線”接口。為確保儀表工作，需將主、備電零線與互投動(dòng)作同步，即儀表使用主電火線時(shí)將主電零線接入儀表“零線”接口，儀表使用備電火線時(shí)將備電零線接入儀表“零線”接口。綜合上述情況，應(yīng)加裝1個(gè)繼電器，將主、備電零線分別接至繼電器的常開、常閉點(diǎn)。繼電器輸入端與“主路電源”指示燈并聯(lián)，指示燈點(diǎn)亮?xí)r繼電器吸合常開點(diǎn)接通主電零線；指示燈熄滅時(shí)繼電器釋放常閉點(diǎn)接通備電零線，間接實(shí)現(xiàn)互投切換聯(lián)動(dòng)儀表零線切換。

上述2 種方案都能有效解決不同電位零線短接造成的電氣火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警問(wèn)題，但施行過(guò)程存在差異，需要進(jìn)一步從施工難易程度、工期長(zhǎng)短、改造成本等方面進(jìn)行比較，選擇最合適的方案。比較內(nèi)容如表1所示。

由于方案一要對(duì)UPS 配電柜整體進(jìn)行更換，施工難度較為復(fù)雜。濱海交通樞紐站內(nèi)共有10 處UPS 配電柜需要改造，如表1 所示，方案一的工期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于方案二，改造成本也明顯高于方案二。樞紐站處于運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，UPS 設(shè)備配置的蓄電池的供電極限在2 h 左右，必須要考慮UPS 長(zhǎng)時(shí)間停電對(duì)下端負(fù)荷的影響，方案一對(duì)單個(gè)配電柜改造時(shí)間較長(zhǎng)，意味著UPS 的停電時(shí)間也較長(zhǎng)。通過(guò)綜合比較，方案二在各方面要優(yōu)于方案一，因此選擇方案二對(duì)UPS 配電柜進(jìn)行施工改造。

6 改造效果

經(jīng)過(guò)上述方案二的改造，雙電源切換器、輸入電儀表以及UPS 設(shè)備均正常運(yùn)行，主、備電源失電測(cè)試以及手、自動(dòng)倒閘測(cè)試均正常，泄漏電流恢復(fù)正常值，變電所內(nèi)電氣火災(zāi)探測(cè)器漏電報(bào)警消除。改造后UPS 配電柜中一周的泄漏電流值如表2 所示。UPS 配電柜的功能未受影響，電氣火災(zāi)探測(cè)器漏電報(bào)警故障得到消除，能夠進(jìn)行正常的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)工作。

表2 改造后UPS配電柜7天的泄漏電流值（每日10:00記錄） mA

7 結(jié)束語(yǔ)

不同電位零線短接（或混接）造成的電氣火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警是工程中常見的施工缺陷，影響了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的正常監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)研究和改造，UPS 配電柜泄漏電流恢復(fù)正常值（小于閾值800 mA），報(bào)警消除，供電、儀表顯示等功能未受影響。改造結(jié)果驗(yàn)證了加裝獨(dú)立零排、利用繼電器實(shí)現(xiàn)雙電源互投切換聯(lián)動(dòng)儀表零線切換是解決該缺陷的有效方法。此方法改造周期短、資金投入少，實(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性與其他方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，電氣火災(zāi)和配電系統(tǒng)施工中的零線短接（或混接）問(wèn)題均可以采用此種方式解決。該方法消除了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)意義的報(bào)警，提高了系統(tǒng)預(yù)防電氣火災(zāi)的能力，對(duì)于減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失有著重要的意義。