淺析電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及注意事項

崔玉軍 / 徐玉山 / 裴善勇

1.中國中輕國際工程有限公司, 北京 100026; 2.機械工業(yè)部第一設(shè)計研究院, 安徽 蚌埠 233017 3.上海安科瑞電氣股份有限公司, 上海 201801

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對工業(yè)用電以及家庭用電方面的需求逐年增加。以2010年為例，我國全社會用電量達到41 923億kWh，同比增長14.56%。各種電氣設(shè)備不斷增加并已普及應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域，在給人們的生活生產(chǎn)帶來極大便利的同時也留下了更多的安全隱患。據(jù)2008～2010年度《中國消防年鑒》統(tǒng)計：2007～2009年我國共發(fā)生火災(zāi)429 738起，其中電氣火災(zāi)125 947起，占火災(zāi)總數(shù)的29.3%，為引發(fā)火災(zāi)的最主要原因。為遏制電氣火災(zāi)發(fā)生，有關(guān)部門相繼制定、修改了相關(guān)國家標(biāo)準規(guī)范，強調(diào)了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對于因接地故障而引起的電氣火災(zāi)的防護作用。例如《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50045-2005）第9.5.1條、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2006）第11.2.7條中都規(guī)定了宜設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的場所；《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》（GB 14287-2005）規(guī)定了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的組成及設(shè)計要求。

2 電氣火災(zāi)原因淺析

電氣火災(zāi)發(fā)生的原因很多，例如短路、絕緣老化、過流、接地故障、接觸不良、家電或電熱設(shè)備引燃可燃物等等。從本質(zhì)上講，在所有的電氣火災(zāi)起因中最終都是由于短路造成的，而90%的短路火災(zāi)又是漸變型故障引起的短路。在漸變型故障的發(fā)展過程中所產(chǎn)生的能力釋放，直接地表現(xiàn)為溫度或電弧，實質(zhì)上是漏電流增大。過流負荷、接觸不良、家電或電熱設(shè)備等故障的發(fā)展過程中同樣也伴隨著漏電電流的增加。因為漏電電流比較小，常不足以使過流保護設(shè)備（斷路器、熔斷器）動作，而幾百毫安的漏電電弧產(chǎn)生的局部高溫達2 000℃以上，足以引燃周圍的可燃物發(fā)生火災(zāi)。其隱蔽性常常最終導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，故需要有專門檢測線路中剩余電流（又稱泄露電流或漏電流）的裝置，用來測量在無施加電壓的情況下電氣設(shè)備中相互絕緣的金屬零件之間或帶電零件與接地零件之間通過其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流，從而實現(xiàn)該類電氣火災(zāi)的提前預(yù)警，達到消除火災(zāi)隱患的目的。

3 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是指當(dāng)被保護線路中的被探測參數(shù)超過報警設(shè)定值時，能發(fā)出報警信號及控制信號，并能指示報警部位的系統(tǒng)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是一種預(yù)防電氣火災(zāi)的手段，是作用于電氣火災(zāi)發(fā)生前的一種實時監(jiān)控系統(tǒng)，與作用于火災(zāi)發(fā)生后的“火災(zāi)自動報警系統(tǒng)”在承擔(dān)任務(wù)、功能和采取的技術(shù)手段等方面均不同，兩者不能混淆和取代。

“ARCM”電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是由上海安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的，由Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件及ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器組成。它是一種應(yīng)用于民用建筑和工業(yè)建筑雙重領(lǐng)域的新一代電氣火災(zāi)監(jiān)控產(chǎn)品，具有超早期、高智能、小型化、多功能、高可靠性和簡單實用等特點。該產(chǎn)品是結(jié)合該公司多年來在國內(nèi)外工業(yè)及民用建筑領(lǐng)域的系統(tǒng)集成項目中所積累下的大量寶貴經(jīng)驗，采用工業(yè)計算機進行設(shè)計研制而成，優(yōu)化了人機交互功能，使整個系統(tǒng)易于安裝、調(diào)試及維護。主機采用總線制數(shù)據(jù)傳輸方式，配接剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，組成大容量電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，適用于高層建筑和各種工業(yè)場所的早期電氣火災(zāi)實時監(jiān)控及預(yù)防。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)基本原理

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)測、報警、控制和集中管理于一體，總線一般接監(jiān)控探測器或監(jiān)控單元，與主機進行通訊，傳送全部數(shù)據(jù)采集信息。主機采集接收的數(shù)據(jù)，監(jiān)測被探測電氣線路三相電流、剩余電流、溫度和電壓等參數(shù)的變化，以及反饋當(dāng)前回路狀態(tài)等信息。當(dāng)被測線路發(fā)生異常時，電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器通過互感器、溫度傳感器等工具采集信號并進行處理，當(dāng)監(jiān)測值超過設(shè)定閾值并且達到觸發(fā)時間時，發(fā)出報警信號；同時將報警信號上傳至監(jiān)控設(shè)備中，經(jīng)進一步識別判定，監(jiān)控主機發(fā)出火災(zāi)報警信號；報警指示燈亮，報警聲音開啟，并在顯示屏上提示報警信息，指定報警位置；值班人員迅速進行檢查處理，將報警信息發(fā)送至集中控制臺；同時也可由值班人員通過監(jiān)控設(shè)備控制切斷故障回路電源，聯(lián)動其他消防設(shè)備，從而預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)基本組成

圖1（a）小型單體建筑基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1（b）大型單體建筑基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1（c）大型群體建筑基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》（GB14287-2005）中給出了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的定義及基本組成。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)被保護線路中的被探測參數(shù)超過報警設(shè)定值時，能發(fā)出報警信號和控制信號，并能指示報警部位的系統(tǒng)。它由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器組成。不同的系統(tǒng)解決方案適用于大小不同的工程項目，以達到更優(yōu)、更好的目標(biāo)。一般分為：小型單體建筑、大型單體建筑和大型群體建筑。圖1中給出了各類型項目的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

以上海市軌道交通11號線某站地塊電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)為例，該項目共5個區(qū)，分布了196個ARCM200剩余電流式電氣火災(zāi)探測器，通過RS485總線與2臺監(jiān)控設(shè)備通訊（1個4口、1個16口），結(jié)合監(jiān)控中心值班室組成火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)（見圖2）。該系統(tǒng)采用了Acrel-6000系統(tǒng)組態(tài)軟件，具有集中調(diào)度、控制、保護、監(jiān)視及顯示等功能，集用電安全管理、分析及記錄于一體，可大大降低應(yīng)用場合的電氣火災(zāi)發(fā)生率。

3.3 基本功能及特點

Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是用于接收剩余電流式電氣火災(zāi)探測器等現(xiàn)場設(shè)備信號，以實現(xiàn)對被保護電氣線路的報警、監(jiān)視、控制及管理，運行于計算機的工業(yè)級硬件/軟件系統(tǒng)。它主要包括監(jiān)控報警、故障報警、控制輸出、自檢、報警記錄和操作分級六個功能。

1) 監(jiān)控報警功能主要包括：被監(jiān)控回路開關(guān)的實時狀態(tài)；故障信號指示；聯(lián)動輸入；≤30s的監(jiān)控報警響應(yīng)時間；監(jiān)控報警聲信號指示及操作。

2) 故障報警功能包括：監(jiān)控設(shè)備與探測器之間的連接線斷路、短路故障監(jiān)測；監(jiān)控設(shè)備主電源欠壓（≤80%主電源電壓）或過壓（≥110%主電源電壓）監(jiān)測。

3) 控制輸出功能包括：對個別或全部被監(jiān)控單元的分閘、合閘進行遙控操作；報警控制輸出；脫扣控制輸出。

4) 自檢功能包括：通信線路的斷路、短路檢查；手動檢查或系統(tǒng)自檢。

5) 報警記錄功能包括：報警、故障事件類型、發(fā)生時間記錄；根據(jù)記錄日期、故障類型等條件查詢；報警記錄查詢及打印功能。

6) 操作分級包括：日常值班人員，可進入軟件界面查看實時監(jiān)測情況、消除報警聲音和查詢報警記錄；監(jiān)控操作人員可操作除針對系統(tǒng)本身的信息維護外的其他操作；系統(tǒng)管理人員可操作系統(tǒng)的任何一個功能模塊。

此外，與電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備相配套的ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器負責(zé)被監(jiān)測線路的參數(shù)上傳。監(jiān)控探測器將電壓信號、電流信號和剩余電流信號經(jīng)過互感器隔離調(diào)理之后，進入電參量采集模塊，將采樣計算好的數(shù)據(jù)上傳到MCU處理單元。MCU處理單元對接收到的數(shù)據(jù)作進一步處理，并采集溫度檢測模塊的溫度信號，將處理之后的數(shù)據(jù)與之前設(shè)定的保護參數(shù)進行比較，判斷是否出現(xiàn)故障，并將數(shù)據(jù)實時顯示在LCD或LED顯示屏上。如果發(fā)生故障將會根據(jù)之前的設(shè)定故障處理方式進行處理，保護供電安全，觸發(fā)聲光報警通知工作人員，并將故障類型、時間和參數(shù)存入到存儲芯片內(nèi)。另外，MCU處理單元也接收聯(lián)動輸入模塊傳來的消防聯(lián)動和煙霧聯(lián)動的信號，與消防系統(tǒng)配合，遠程切斷電源，防止火災(zāi)的發(fā)生。MCU處理單元通過雙通信模塊可以與兩個上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，方便上位機對裝置的監(jiān)控，并保證兩個系統(tǒng)互不影響。同時可減少系統(tǒng)投資成本，方便后期維護，有利于電氣火災(zāi)系統(tǒng)的普及。

4 注意事項

4.1 適用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)配電系統(tǒng)的保護接地形式

1）配電系統(tǒng)的接地形式

TN系統(tǒng)的定義：電力系統(tǒng)有一點接地，電氣裝置的外露可接導(dǎo)體，通過保護線與該地點相連接。

TN系統(tǒng)可分為：TN-S系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的中性線（N線）和保護線（PE線）是分開的；TN-C系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的中性線和保護線是合一的；TN-C-S系統(tǒng)，系統(tǒng)中有一部分的中性線和保護線是合一的。

TT系統(tǒng)的定義：電力系統(tǒng)中有一點直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護接地線，與電力系統(tǒng)接地點無關(guān)。

2）不同的接地系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

安裝剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器時，必須嚴格區(qū)分N線和PE線，三極四線式或四極四線式的N線應(yīng)接入剩余電流互感器。通過互感器的N線，不得作為PE線，不得重復(fù)接地或接設(shè)備外露可接近導(dǎo)體。

在TN系統(tǒng)中，必須將TN-C系統(tǒng)改造為TN-C-S、TN-S系統(tǒng)或局部TT系統(tǒng)后，才可安裝使用剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。在TNC-S系統(tǒng)中，只允許在N線與PE線分開部分使用監(jiān)控探測器。

4.2 剩余電流互感器的安裝

1）剩余電流互感器穿線

剩余電流互感器在穿線前應(yīng)分清電網(wǎng)中的相線、N線以及PE線。相線和N線必須一同穿過剩余電流互感器，PE線不能穿過互感器。在系統(tǒng)中，如果N線未與相線一起穿過互感器，一旦三相負載不平衡，N線將有電流流過，探測器檢測到電流信號，即發(fā)生誤動作。不同回路間的N線不得多點相連或重復(fù)接地，否則會造成誤動作，在系統(tǒng)試運行時出現(xiàn)漏電流值過大而出現(xiàn)報警。這種現(xiàn)象中很大一部分均是由此類情況造成。如果PE線同N線及相線一起穿過互感器，也會造成監(jiān)控探測器的拒動作或誤動作。

也并非所有的剩余電流監(jiān)測都需要將相線穿入互感器內(nèi)。例如TN-S系統(tǒng)的總剩余電流監(jiān)測，可只穿一根電纜線通過剩余電流互感器。這個方法的優(yōu)勢在于：可以選用小型的剩余電流互感器提高測量精度；后期如果互感器出現(xiàn)故障時，維護方便。具體接線示意圖如圖3。

圖3 TN-S系統(tǒng)總剩余電流接線方法

2）剩余電流互感器的安裝位置

剩余電流互感器應(yīng)該安裝在便于檢修的地方，盡量遠離強磁場?；ジ衅鞯陌惭b沒有方向問題，可以直接掛在線纜上，也可以固定在配電箱中。

剩余電流互感器安裝于開關(guān)斷路器的上端或下端，并不會影響被保護線路的監(jiān)控。但為了以后檢修方便，安裝于開關(guān)的下端口處為好，在斷電檢修時不必將上級開關(guān)斷電，只需本級開關(guān)斷開即可檢修。

4.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的參數(shù)設(shè)置

動作電流值的確定往往要根據(jù)現(xiàn)場回路后負載的正常漏電流的值。實際上，在電力系統(tǒng)中，不同回路的正常漏電流是不同的，額定剩余電流不動作值應(yīng)不小于被保護電氣線路和設(shè)備正常運行時泄露電流最大值的2倍。被保護電氣線路正常運行時的漏電流值應(yīng)控制在小于500mA；若泄露電流大于500mA，則應(yīng)將監(jiān)控探測器設(shè)置在下一級供電回路中，或者對線路或設(shè)備進行檢查或更換。

對于被保護線路為動力線路的情況，為避免大型設(shè)備啟動瞬時對地泄漏電流太大引起裝置報警動作, 應(yīng)將監(jiān)控探測器的動作時間延長避免設(shè)備啟動時的不正常漏電，防止誤動作。

分級保護應(yīng)用原則。系統(tǒng)應(yīng)用中常有分級保護，常見2～3級。上下級的選擇性原則：動作電流方面，上級設(shè)備的設(shè)置必須最少是下級設(shè)備的兩倍；脫扣時間方面，上級設(shè)備的延遲時間應(yīng)大于下一級剩余電流保護裝置的動作時間，且動作時間大約小于0.2s。

剩余電流電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器一般不能單獨使用，而是與電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備配套使用。當(dāng)有漏電故障發(fā)生時，并不會馬上發(fā)生火災(zāi)，如果監(jiān)控探測器保護時自動切斷保護對象的供電電源，可能造成其他不可預(yù)知的危害。故剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器宜用于報警，不宜自動切斷電源。有電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備時，將故障信息上報主機設(shè)備，由值班人員確認該故障信息，并根據(jù)實際情況執(zhí)行下一步操作。

4.4 漏電故障檢查

剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器一般安裝于電力系統(tǒng)配電柜的出線端（變配電所）或樓層配電箱進線處。當(dāng)被保護線路或設(shè)備發(fā)生漏電故障時，并不能斷定具體故障的點或位置，需逐一查看安裝點后各個線路及設(shè)備，這也是一項比較繁瑣的工作。

首先，應(yīng)區(qū)分漏電故障是由于接線不規(guī)范或接線錯誤引起的，還是設(shè)備或線路故障或者新增負荷引起的。在新運行項目中，很多情況都是由于接線不規(guī)范或接線錯誤導(dǎo)致，此時需要對保護線路的接線一一檢查改正。被保護線路中設(shè)備都正常運作之后，如果剩余電流值在預(yù)計范圍內(nèi)，基本可以確定線路已正常。接線錯誤引起的剩余電流往往比較大。

其次，采用儀表檢測法、分別斷電法（逐一排除法）以及停電測量法等方法檢測漏電的具體部位。其中最有效、最方便的方法就是分別斷電法，這種方法可以逐一縮小故障地點，最終發(fā)現(xiàn)故障原因。在不允許停電的情況下，我們一般采用觀察法及儀表測量法進行。觀察法主要是觀察線路中有無明顯的接線錯誤或者拉弧現(xiàn)象；儀表檢測法中我們需要有專門的手持漏電檢測裝置，來檢測各個回路中漏電的大小，根據(jù)大小來定位。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，電氣安全越來越受到大家的關(guān)注，人們也逐漸認識到電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在早期對于預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生具有非常重要的作用。早期國家未出臺相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準來規(guī)范電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和施工，導(dǎo)致目前這一行業(yè)比較混亂，系統(tǒng)的效果也并未達到預(yù)期的目的。目前該類產(chǎn)品被證實列入第二批實施強制性產(chǎn)品認證的消防產(chǎn)品，將于2013年1月1日起納入國家CCC認證產(chǎn)品，由此可見國家相關(guān)部門規(guī)范此類產(chǎn)品質(zhì)量和市場的信心。

[1]中華人民共和國公安部.沈陽消防研究所. GB14287-2005電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2005.

[2]北京供電局.上海電器科學(xué)研究所. GB13955-2005剩余電流動作保護裝置安裝和運行[S].北京：中國標(biāo)準出版社,2005.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50045-95(2005版)高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].中北京：國計劃出版社，2005.

[4]中華人民共和國公安部.GB50026-2006，建筑設(shè)計防火規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2006.

[5]周中.智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產(chǎn)品選型及解決方案[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[6]中華人民共和國公安部消防局.中國消防年鑒（2010）[M]. 北京：中國人事出版社，2010.