基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

付朝立

（石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，050000，石家莊∥工程師，副總經(jīng)理）

基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

付朝立

（石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，050000，石家莊∥工程師，副總經(jīng)理）

分析了地鐵配電線路泄漏電流引起電氣火災(zāi)的原因。論述了泄漏電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在地鐵應(yīng)用的必要性。分析了泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)的工作原理，介紹了泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)的硬件組成及軟件實(shí)現(xiàn)流程。描述了判斷具體漏電位置的方法。泄漏電流監(jiān)測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)作為火災(zāi)提前預(yù)警系統(tǒng)，可以提早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，提早消除隱患，有效地避免或減少火災(zāi)的發(fā)生。

地鐵；供電線路；泄漏電流監(jiān)測(cè)；電氣火災(zāi)報(bào)警

Author’s addressShijiazhuang Metro Co.，Ltd.，050000，Shijiazhuang，China

地鐵狹小的運(yùn)行空間與有限的出入口對(duì)防火的要求極高。一旦發(fā)生火災(zāi)，將給遇險(xiǎn)人員的安全疏散及消防員的搶險(xiǎn)救生與火災(zāi)撲救帶來(lái)很大困難，嚴(yán)重影響市民生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全。

圖1為國(guó)內(nèi)外的地鐵火災(zāi)原因統(tǒng)計(jì)。可以看出，電氣原因引起的火災(zāi)比例最大，占37%。電流泄漏是電氣火災(zāi)的主要原因之一，如何防止電流泄漏引起的火災(zāi)是一個(gè)新的課題。

圖1 國(guó)內(nèi)外地鐵火災(zāi)原因統(tǒng)計(jì)

1 泄漏電流引起電氣火災(zāi)的原因

泄漏電流是由于交流配電線路對(duì)地絕緣下降或受損而形成的，也可能由于線路對(duì)地等效電容的存在而產(chǎn)生較小的泄漏電流。正常情況下，配電線路電流在相線和零線經(jīng)用電設(shè)備流動(dòng)，對(duì)地絕緣電阻很大，存在很微小的泄漏電流。當(dāng)線路或用電設(shè)備對(duì)地絕緣下降或受損、環(huán)境潮濕時(shí)，泄漏電流變大。經(jīng)試驗(yàn)，300 mA的集中泄漏電流就可能形成電弧，該漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2 000℃以上，此時(shí)，破損處和鄰近的接地導(dǎo)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(zāi)事故。

如果對(duì)泄漏電流進(jìn)行全方位監(jiān)視，得到早期報(bào)警信息，則可提早發(fā)現(xiàn)隱患，制定防御措施，消除火災(zāi)隱患，有效避免或減少電氣火災(zāi)的發(fā)生。由此，基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，該系統(tǒng)已引起國(guó)內(nèi)軌道交通相關(guān)單位的高度重視，并有在地鐵中成功應(yīng)用的案例。

2 泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)分析

2.1 基本功能

泄漏電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)泄漏電流的檢測(cè)，準(zhǔn)確確定泄漏電流位置，持續(xù)監(jiān)測(cè)報(bào)警地點(diǎn)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并上傳至遠(yuǎn)端值班室，使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡早排除故障，從而避免電氣火災(zāi)發(fā)生。其特點(diǎn)如下：

（1）具有漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)功能，可依據(jù)用戶需要組成合適的保護(hù)特性?？芍悄茉O(shè)定漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的預(yù)警值。

（2）可顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間，以及漏電電流與三相電流值。

（3）可利用通信技術(shù)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息集中管理與上傳；能實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

（4）可通過(guò)監(jiān)測(cè)及通信技術(shù)組成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞與判斷，形成完整的報(bào)警系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)原理

2.2.1 泄漏電流檢測(cè)的基本工作原理

泄漏電流檢測(cè)的工作原理是基于基爾霍夫電流定律。即在集總電路中，任何時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)，所有流入、流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零。

檢測(cè)漏電流時(shí)，通過(guò)三相導(dǎo)線和N線穿過(guò)一個(gè)電流互感器（見(jiàn)圖2），電路中沒(méi)有發(fā)生設(shè)備漏電或接地故障時(shí)，三相四線電源的電流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0，則在電流互感器中產(chǎn)生的磁通矢量和等于零，此時(shí)二次線圈中的感應(yīng)電流IL=0，線路正常供電。

圖2 漏電流檢測(cè)原理圖

一旦電路中發(fā)生設(shè)備漏電或故障接地，如出現(xiàn)故障漏電電流Iz，三相四線電源的電流相量和將不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0，則在電流互感器中的磁通矢量和也不等于零，此時(shí)二次線圈中有感應(yīng)電流，即IL≠0。從而可以判斷系統(tǒng)中存在泄漏電流。

2.2.2 交流電網(wǎng)泄漏電流有效值的計(jì)算方法

交流電網(wǎng)泄露電流有效值的計(jì)算式為：

式中：

T——信號(hào)周期；

i——信號(hào)周期內(nèi)的電流值。

式（1）的程序計(jì)算處理方法為：

每個(gè)周期均分為n段，每段取1個(gè)電流值，則有：T=n，dt=1，各取樣點(diǎn)的電流值為i1，i2…in。此時(shí)式（1）變?yōu)椋?/p>

通過(guò)式（2），在50 Hz的交流線路中取合適的n，即可算出泄漏電流的有效值。將有效值的大小與系統(tǒng)設(shè)定報(bào)警值對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的邏輯判斷。

2.2.3 泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)工作原理

在La、Lb、Lc、Ln四條線路中分別設(shè)1個(gè)電流互感器。各電流互感器均與數(shù)據(jù)處理裝置連接。為實(shí)現(xiàn)電流互感器及數(shù)據(jù)處理裝置的可移動(dòng)化，電流互感器選用鉗形電流互感器，并將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警及顯示裝置作可移動(dòng)式安裝處理。電流互感器采集電流數(shù)據(jù)，輸出到CPU（中央處理器）計(jì)算得出Ia+Ib+Ic+In的值，判斷是否存在漏電現(xiàn)象，并通過(guò)設(shè)定泄漏電流報(bào)警值方式判斷是否達(dá)到報(bào)警條件。

當(dāng)發(fā)生泄漏電流報(bào)警時(shí)，切斷所有負(fù)載，系統(tǒng)比較Ia、Ib、Ic、In，并輸出泄漏電流有效值最大的線路編號(hào)，該線路即為泄漏電流發(fā)生的線路。參見(jiàn)圖3。

確定泄漏電流發(fā)生的線路后，將鉗形電流互感器從電源端口處向負(fù)載處自上而下移動(dòng)，即可判斷出具體的漏電位置，為檢修人員處理故障提供依據(jù)。參見(jiàn)圖4。

2.3 硬件組成

泄漏電流監(jiān)測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件由以下部分組成：

（1）鉗形電流互感器，用于采集線路電流值。

圖3 漏電流檢測(cè)設(shè)備工作原理圖

圖4 漏電流故障查找操作圖

（2）AD轉(zhuǎn)換器，將采集到的模擬電流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電流量，并輸出至CPU。

（3）CPU，作為檢測(cè)裝置的核心，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置的各種控制功能，包括三相電壓、三相電流、泄漏電流的采樣，數(shù)據(jù)處理，報(bào)警輸出，與上位機(jī)通信，液晶顯示及按鍵燈等，并實(shí)現(xiàn)了安裝方式的可移動(dòng)化。參見(jiàn)圖5。

圖5 漏電流設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.4 軟件實(shí)現(xiàn)流程

軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)：電壓、電流及漏電流的采樣，數(shù)據(jù)處理，報(bào)警輸出，按鍵輸入及液晶顯示等。其主要邏輯程序?yàn)椋和ㄟ^(guò)鉗形電流互感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至可移動(dòng)式CPU進(jìn)行對(duì)比邏輯判斷，如果Ia+Ib+Ic+In≥IZD（整定漏電電流報(bào)警值），則線路中有漏電流故障存在，在液晶顯示裝置上輸出報(bào)警信息，并提示是否輸出出現(xiàn)漏電流故障線路，同時(shí)提示是否已將此回路中的所有負(fù)載切除；在切除負(fù)載后，按下輸出漏電流故障線路的按鍵，系統(tǒng)判斷Ia、Ib、Ic、In中的最大值（即存在泄漏電流故障的電流值），并在液晶顯示屏上輸出此條線路，并將最終報(bào)警信息輸出至報(bào)警顯示器。其流程圖如圖6所示。

圖6 漏電流測(cè)試儀軟件流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

基于預(yù)防為主，綜合防護(hù)的電氣安全理念，針對(duì)地鐵運(yùn)行空間相對(duì)封閉及疏散和逃生通道有限，研發(fā)了基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可更早地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警并將報(bào)警信號(hào)上傳至監(jiān)控值班室，使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，采取應(yīng)急手段消除火災(zāi)隱患。

該監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確、全天候地監(jiān)測(cè)線路中的漏電、電流、溫度等變化，當(dāng)線路中發(fā)生異常時(shí)，可迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)并準(zhǔn)確報(bào)出故障點(diǎn)，以便電氣專業(yè)人員及時(shí)排查電氣火災(zāi)隱患，將電氣火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，將損失減少到最低限度。

該系統(tǒng)已得到軌道交通消防設(shè)計(jì)單位和各地軌道交通建設(shè)管理單位的高度重視，相信隨著我國(guó)軌道交通的迅猛發(fā)展，它將有更廣闊的應(yīng)用前景，在地鐵的運(yùn)行安全方面發(fā)揮應(yīng)有的作用。

［1］ 王厚余.電氣火災(zāi)防范對(duì)建筑物電氣裝罝設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)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(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用［J］.低壓電器，2008（2）：12.

［3］ 崔澤艷.城市地鐵火災(zāi)的特點(diǎn)及防護(hù)措施［J］.中國(guó)公共安全：學(xué)術(shù)版，2007（3）：18.

［4］ 劉浩江.地鐵火災(zāi)的成因、預(yù)防和處置［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2006（5）：48.

［5］ 蔣雅君，楊其新.地鐵火災(zāi)的預(yù)防對(duì)策［J］.城市軌道交通研究，2006（9）：18.

［6］ 張萍，黃強(qiáng).地鐵火災(zāi)的原因分析及預(yù)防［J］.山西建筑，2010（29）：182.

Application of Fire Alarm System in Rail Transit Based on Leakage Current Monitoring

Fu Chaoli

The reasons of metro fires caused by power supply circuit are analyzed，the application necessity of fire alarm system based on leakage current monitoring in rail transit is described.Meanwhile，the working principles of this system，the hardware structure and software process of the leakage current monitoring system are analyzed，problems like how to prevent electric fires，how to detect and eliminate the fire hazard in early stages in rail transi are discussed，in order to avoid and reduce the electric fires effectively.

metro；power supply circuit；leakage current monitoring；electric fires warning

U 231.96

2014-01-10）