電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵車站應用的研究

劉麗萍

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,510010,廣州∥工程師)

據(jù)消防局《中國火災統(tǒng)計年鑒》的統(tǒng)計,我國電氣事故引起的火災約占火災總數(shù)的30%,在所有火災起因中占首位。如何對電氣火災進行有效的防范,已成為國家相關(guān)部門越來越重視的問題。

電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)屬于先期預報警系統(tǒng),是針對火災的早期預防,為消除火災隱患而設(shè)置的。國家有關(guān)部門相繼制訂或修改了有關(guān)標準規(guī)范,對建筑中設(shè)置電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)提出了更明確的要求。但是,目前該系統(tǒng)尚未在國內(nèi)各城市地鐵中應用實施。地鐵在新線建設(shè)中是否可考慮設(shè)置該系統(tǒng),如何設(shè)置。本文對此進行了研究。

1 背景

1.1 電氣火災介紹

電氣火災主要是由泄漏電流、相間短路、元件或電纜超負荷等這三大原因引起的。

相間短路、元件或電纜的超負荷,最終將會反映到導體發(fā)熱,致使導體溫度升高,最終達到著火點后起火;電流泄漏故障一般由絕緣受損、環(huán)境潮濕等引起,當線路上產(chǎn)生的泄漏電流(或稱“剩余電流”)達到300～500 mA時,破損處將和鄰近的接地導體產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象,從而引燃周圍的可燃物,造成火災事故。即使周圍沒有易燃物,泄漏電流產(chǎn)生的火花放電可以加速絕緣的受損面積,使得受損點周圍的絕緣層迅速炭化,變?yōu)橐兹嘉矬w而被點燃起火。因此,對泄漏電流和溫度非正常升高情況進行監(jiān)視、早期預防,就可以有效避免電氣火災的發(fā)生。

1.2 有關(guān)規(guī)范的相關(guān)要求

1)國內(nèi)有關(guān)標準和規(guī)范對電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的要求已日漸明確,均建議采用。JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》同舊版相比,增加的相關(guān)一節(jié)指出:“除住宅外,火災自動報警系統(tǒng)保護對象分級為一級的建筑物配電線路宜設(shè)置此系統(tǒng)?！盙B 50016—2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》,在 11.2.7條里規(guī)定:“下列場所宜設(shè)置剩余電流動作電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)。這些場所包括各種類型的影劇院、館所、倉庫、住宅小區(qū)、醫(yī)院、商店、學校等?！盙B 50045—2005《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》的條文調(diào)整后,將剩余電流火災報警系統(tǒng)也正式納入了電氣防火的范疇,在其條文9.5.1里規(guī)定:“高層建筑內(nèi)火災危險性大、人員密集等場所宜設(shè)置漏電火災報警系統(tǒng)?！?/p>

2)發(fā)達國家早已廣泛應用此系統(tǒng)來防范接地電弧火災。例如:日本標準《內(nèi)線規(guī)程》第19021條就規(guī)定建筑面積150 m2以上的旅館、飯店、公寓、集體宿舍、住宅等建筑物的電源進線處都必須安裝作用于報警的剩余電流保護裝置[1];國際電工標準IEC 364—4—48.2和 IEC 364—5—53對裝用剩余電流保護裝置也都有明確的具體要求。

1.3 地鐵車站配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

地鐵車站根據(jù)負荷的重要性不同將電力負荷分為三級,對于不同類型的負荷也采用不同的配電形式。為保證高可靠性,配電形式多為放射式配電。

1)一般動力照明負荷設(shè)置就地電源箱,由變電所放射式配電;

2)各類風機、空調(diào)器等環(huán)控設(shè)備,由變電所饋出總電源輸給環(huán)控電控柜,再由環(huán)控電控柜統(tǒng)一放射式配電至設(shè)備;

3)冷水水泵、冷卻塔等冷水系統(tǒng)的制冷設(shè)備由變電所饋出總電源輸給冷水機房電控柜,再由冷水機房電控柜統(tǒng)一配電至設(shè)備。

由于以放射式配電為主,其電纜數(shù)量較多,并廣泛分布于管井、走廊、設(shè)備機房等各處,眾多電源箱也遍布地下各個設(shè)備房內(nèi)。由于環(huán)境潮濕,部分設(shè)備、管線的位置又較隱蔽,難以檢修,故很容易產(chǎn)生故障隱患。有效的辦法應該是:針對惡劣環(huán)境、內(nèi)部故障隱患難以發(fā)現(xiàn)的就地電源箱、長距離纜線等相對薄弱的環(huán)節(jié),進行電氣火災監(jiān)測保護,出現(xiàn)問題時使維護人員能夠準確定位故障所在處,及時清除火災隱患。

2 電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的方案介紹

2.1 產(chǎn)品原理與組成

目前,對電氣火災早期判斷的技術(shù)主要是以剩余電流(即泄漏電流)和溫度探測為主要的監(jiān)測依據(jù)?，F(xiàn)以此為基礎(chǔ)進行研究。

2.1.1 電氣火災報警系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成

電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)一般由剩余電流檢測元件、溫度探測器、現(xiàn)場處理設(shè)備和集中監(jiān)測(控)設(shè)備等組成(如圖1所示)。

圖1 電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

2.1.2 剩余電流檢測器與溫度探測器

剩余電流檢測器的工作原理是基于基爾霍夫電流定律,即電路內(nèi)任意點的電流矢量和等于零。檢測剩余電流時,讓三相導線和中性線穿過一個電流互感器。當未發(fā)生接地故障時,無論三相負荷是否平衡,電流矢量和均為零;當發(fā)生接地故障時,故障電流會經(jīng)過故障點流入大地,使電流互感器中電流矢量和不為零,此電流值即為剩余電流值。低壓配電系統(tǒng)的接地形式?jīng)Q定了剩余電流檢測元件是否能正常工作[2]。地鐵車站中一般采用的是TN-S接地系統(tǒng)。圖2為此系統(tǒng)的剩余電流檢測示意圖。TNS接地系統(tǒng)的剩余電流檢測器的額定值在 30～1 000 mA連續(xù)可調(diào)。溫度探測是由固定在母線、電纜接頭處的溫度傳感器實現(xiàn),可分為內(nèi)置或外置式,溫度在55℃～140℃時連續(xù)可調(diào)。

圖2 TN-S接地系統(tǒng)剩余電流檢測示意圖

2.1.3 現(xiàn)場處理設(shè)備

現(xiàn)場處理設(shè)備接收剩余電流檢測元件及溫度探測器的信號,對信號進行放大、變換、分析、比較等處理后,一方面?zhèn)鬏斨连F(xiàn)場報警顯示模塊,用于現(xiàn)場報警指示,另一方面?zhèn)鬏斨潦Ｓ嚯娏骰馂膱缶到y(tǒng)的集中監(jiān)測設(shè)備。目前,部分產(chǎn)品已能將剩余電流檢測器與現(xiàn)場處理設(shè)備合為一體設(shè)置,更便于工程實施與運營維護。

2.1.4 集中監(jiān)測設(shè)備

集中監(jiān)測設(shè)備通過總線實時收集各個現(xiàn)場處理設(shè)備的信號,對信號進行比較、分類等處理后,將相應信息送往報警、顯示、控制信號輸出、存儲、打印等設(shè)備,實現(xiàn)集中顯示、控制、記錄等功能。集中監(jiān)測設(shè)備可以分為監(jiān)測單元與監(jiān)測主機兩種。監(jiān)測單元主要用于有限數(shù)量、有限距離的少量探測器的連接與管理,適用于小型系統(tǒng);監(jiān)測主機則具有更強大的處理功能,可通過監(jiān)測單元連接更多探測器,適用于中大型系統(tǒng),并具備人性化管理軟件及打印、拷貝等功能,能夠儲存12個月的報警信息記錄,便于站級管理。

2.2 電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)方案

國際電工標準IEC 1200253[3]例舉了圖3所示的兩個建筑物內(nèi)剩余電流探測器的裝用方案。圖3(a)為二級探測器的方案。二級探測器動作時都用于切斷電源,適用于無電氣人員管理的小型建筑物。圖3(b)為三級探測器的方案。其第三級,也即電源進線處一級的動作電流為1 A,延時可為1 s,一般動作時用于報警,以避免切斷電源引起大面積停電,適用于有電氣人員管理的大型建筑物。

圖3 剩余電流探測器設(shè)置示意

結(jié)合地鐵車站配電系統(tǒng)的特點,應考慮設(shè)置保護較為全面的三級探測器方案,同時考慮對地鐵運營保障的需求,探測器發(fā)現(xiàn)故障后僅報警而不動作。為節(jié)省投資,二、三級探測器可根據(jù)需要而有選擇性地設(shè)置,主要考慮的保護對象是處在環(huán)境相對惡劣的中長距離纜線及節(jié)點較多且長期滿載運行的配電箱。對電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的具體設(shè)置建議如下。

2.2.1 探測器的設(shè)置

1)在變電所0.4 kV總進線處設(shè)置第一級剩余電流探測器,配置4組溫度探測器,對全部低壓系統(tǒng)實現(xiàn)總保護。

2)在變電所0.4 k V常用重要回路饋線處設(shè)置第二級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對變電所饋出線電纜進行保護。

3)在各長期滿載運行負荷的配電箱總進線處可選擇設(shè)置加強的第三級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對電源箱及其饋出線路進行保護。

4)對環(huán)控電控柜風機饋線回路、冷水電控柜部分饋線回路設(shè)置第三級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對電控柜饋出線路進行保護。

探測器的監(jiān)測對象如表1所示。

表1 探測器的監(jiān)測對象表

根據(jù)有關(guān)規(guī)定,剩余電流保護裝置的額定剩余不動作電流應不小于被保護電氣線路和設(shè)備的正常運行時泄漏電流最大值的2倍。一般第二級剩余電流闕值在200～400 mA,第一級剩余電流闕值在400～800 mA范圍內(nèi),可以根據(jù)被保護線路及設(shè)備的實際情況進行調(diào)整。當剩余電流超過額定值時,輸出報警信號至上級監(jiān)測系統(tǒng)并指示報警部位,提醒安全防護中心人員及時檢查報警的配電線路。三級剩余探測器之間在額定電流值與時間上相互配合,可以保證上下級保護范圍的選擇性。

2.2.2 監(jiān)測設(shè)備的設(shè)置

1)根據(jù)設(shè)備數(shù)量與距離情況,在車站每端1～6處設(shè)置監(jiān)測單元,實現(xiàn)本區(qū)域探測器的參數(shù)設(shè)置與信息傳輸。

2)每個車站集中設(shè)置監(jiān)測主機1處,連接所有監(jiān)測單元,實現(xiàn)對本站所有監(jiān)測探測器的各種管理功能,并通過上層監(jiān)測系統(tǒng)將相關(guān)信息上傳控制中心。

2.3 電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品的選型

目前國內(nèi)電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)各種產(chǎn)品的區(qū)別主要在監(jiān)測探測器上。監(jiān)測探測器的結(jié)構(gòu)類型主要有多功能漏電開關(guān)型、分離型和組合型等三種。另外根據(jù)其使用原理,又可分為剩余電流探測器和電弧探測器。

2.3.1 多功能漏電開關(guān)型探測器

該型監(jiān)測探測器的特點是:除了自身應有的剩余電流探測、溫度探測、報警功能外,又擴展了多項功能,如過電流、過電壓、延時送電、防雷、欠壓、組網(wǎng)實現(xiàn)遠程集中監(jiān)測等功能。這是一種包含主回路用電開關(guān)功能的多功能式漏電開關(guān)產(chǎn)品。

該類型產(chǎn)品的優(yōu)點是:保護功能多,內(nèi)置電流互感器、剩余電流互感器(包括溫度傳感器),接線少,整體度高;而由此產(chǎn)生的缺點是結(jié)構(gòu)復雜、故障率偏高,特別是信號的監(jiān)測、探測、分析、處理、報警、通信、聯(lián)動接口等電路與ABC三相主電(或單相)回路的間隔距離太近,易遭受強電磁場的干擾,降低了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定可靠性。

2.3.2 分離型探測器

此種類型的探測器是把集中監(jiān)測設(shè)備與探測器(包括終端探測頭剩余電流互感器、溫度傳感器)分離配置。

通過探測器采樣配電柜(箱)內(nèi)導電母線中的電流和漏電流信號,經(jīng)內(nèi)置單片機系統(tǒng)分析處理后,應用總線通信約定,上報集中監(jiān)測設(shè)備。這種分離型探測器分工明確、結(jié)構(gòu)簡單、成本少、故障率偏低,不含電源控制開關(guān),不串入配電系統(tǒng),只通過剩余電流互感器(或測溫探頭)取樣信號,其性能穩(wěn)定可靠;不足之處是探測器僅采集數(shù)據(jù),無顯示、設(shè)置參數(shù)等功能,有些產(chǎn)品甚至在監(jiān)測探測器與終端探測頭之間也需要敷設(shè)信號線及2芯脫扣控制線。

2.3.3 組合型探測器

組合型探測器是在普通探測器上增加了集中監(jiān)測設(shè)備的部分功能。它與分離型相比,不僅能滿足對泄漏電流與非正常溫升的監(jiān)測,探測器本身還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能,并通過設(shè)備自帶的液晶屏實現(xiàn)測量結(jié)果的顯示和參數(shù)的設(shè)置等功能。

組合型探測器的優(yōu)點是末端探測器更易于維護人員的操作與設(shè)置,缺點是造價較高。

2.3.4 電弧式探測器

電弧是導致電氣火災最直接的原因。當線路絕緣老化、過負荷、接觸不良而出現(xiàn)電弧,但泄漏電流不是很大還沒達到設(shè)定值時,泄漏電流探測器可能無法動作報警,此時電弧探測器就可以起到很好的保護作用。其原理是:短路時,電弧的弧聲、電流、弧光都有較大變化,尤其是弧聲更有超前變化的特征(詳見圖4)。電弧式探測器采用Duffing振子數(shù)字模型技術(shù),能精確描述弧聲的特征,判斷電弧的產(chǎn)生,預報火災的發(fā)生。這種探測器的優(yōu)點是可以覆蓋泄漏電流的保護死角,缺點是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家較少、應用尚不廣泛。

圖4 短路時電弧的弧聲、弧光、電流波形圖

綜上所述,為保證電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性,建議其探測器選用可靠、成熟的分離型探測器或組合型探測器。

2.4 投資分析

不同電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的性能與造價比較見表2。

表2 采用分離型探測器與組合型探測器的電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的對比分析

3 結(jié)語

地鐵車站低壓供配電系統(tǒng)的特點為結(jié)構(gòu)繁雜、節(jié)點分散、隱患不易察覺(多為設(shè)備內(nèi)部故障)。這是運營人員維護的難點所在,即使知道有故障隱患,排查工作量也相當大。設(shè)置電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)可以對消除線路、配電箱處因短路、絕緣破損等引起的火災隱患起到有效的作用,同時也提高了對低壓配電系統(tǒng)管理維護自動化的程度。所以,有條件時應在地鐵車站中設(shè)置電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)。

[1]王厚余.電氣火災防范對建筑物電氣裝置設(shè)計安裝和檢驗的要求[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2003,9(9):19.

[2]吳桂清,黃璐,戴瑜興,等.剩余電流火災報警系統(tǒng)的設(shè)計原理及應用[J].低壓電器,2008,2(2):12.

[3]IEC1200253開關(guān)和控制設(shè)備的選用和安裝[S].

[4]寧衛(wèi)國,李曉暉.漏電火災報警系統(tǒng)的設(shè)計與安裝[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2006,8(8):8.