零線短接引起電氣火災(zāi)探測器報警的分析與解決

于偉峰，杜昊巖

（1.天津濱海新區(qū)建設(shè)投資集團有限公司，天津 300450；2.天津濱海新區(qū)軌道交通運營管理有限公司，天津 300450）

0 引言

城市軌道交通對安全性具有極高的要求，在設(shè)計、施工、驗收、運營的過程中，必須時刻檢查安全設(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、電氣線路溫度監(jiān)測等系統(tǒng)，為軌道交通的安全運營提供了保障。

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。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)探測器。在安裝過程中，對于UPS 配電柜雙電源功能的關(guān)注，往往會讓施工者忽略回路中的電氣火災(zāi)探測器能否正常運行。因此，由于施工原因造成的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)異常報警常有發(fā)生。

通過研究電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和探測器的原理，零線短接（或混接）是產(chǎn)生系統(tǒng)故障和異常報警的重要原因。本文對于影響電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的施工缺陷，開展進一步的分析和探索，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警問題，使得電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測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)，首先會對當(dāng)事人員的心理產(chǎn)生沖擊，造成恐慌情緒，導(dǎo)致行動混亂，不利于疏散逃生；其次，起火產(chǎn)生的煙霧難以控制和排除，會形成積聚的濃煙。上述特點導(dǎo)致城市軌道交通火災(zāi)事故中的人員傷亡和經(jīng)濟損失十分嚴重[1]。綜合統(tǒng)計國內(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)控就是通過技術(shù)手段，對電氣線路的溫度、泄漏電流等進行全方位的監(jiān)視，測量、接收并分析數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報警信息提醒維護人員提早發(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)計規(guī)范

國家有關(guān)部門一直十分重視消防安全，尤其是對電氣火災(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，國家在近幾年陸續(xù)修訂了《GB50054—2011 低壓配電設(shè)計規(guī)范》、《GB50116—2013 火災(zāi)自動報警設(shè)計規(guī)范》等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為電氣火災(zāi)系統(tǒng)的設(shè)計和使用提供了依據(jù)。

對電氣線路中的剩余電流監(jiān)測是電氣火災(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)測電器[3]；（2）剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器宜設(shè)置在第一級配電柜（箱）的出線端[4]。因此軌道交通項目的配電系統(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)控探測器的正常運行。

3 剩余電流式電氣火災(zāi)探測器

3.1 系統(tǒng)原理

過載、短路、線路絕緣老化、接觸不良、靜電、電氣回路高次諧波過載等原因都可能造成電氣火災(zāi)。剩余電流式電氣火災(zāi)探測系統(tǒng)如圖2所示，該探測器監(jiān)測的數(shù)據(jù)是電線（電纜）的泄漏電流。通過泄漏電流的大小判斷被檢測電線（電纜）中的火線、零線對地線的絕緣水平，進而判斷絕緣狀況是否良好[5]。泄漏電流過大（超過報警閾值），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)探測系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 剩余電流互感器測量原理

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

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。在測量時，A 相線、B 相線、C 相線與中性線N 一起穿過電流互感器，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），此時剩余電流互感器的輸出端應(yīng)無電壓信號輸出。一旦電路發(fā)生了絕緣故障或者接地故障，將會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，互感器輸出端會產(chǎn)生電壓信號，從而測出電路中的泄漏電流。在實際情況中，線路電流會有一定量的諧波電流和固有的正常的泄漏電流，因此探測器的報警值應(yīng)設(shè)定在20～1 000 mA之間[6]。除此之外，設(shè)定過程中還要考慮報警值和設(shè)定值之差，其絕對值不應(yīng)大于設(shè)定值的5%，以免造成誤報警。

4 工程中產(chǎn)生的問題

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)探測裝置，設(shè)定其報警閾值為800 mA，即IA+IB+IC+IN≥800 mA 時，剩余電流式電氣火災(zāi)探測器報警。此設(shè)定值符合相關(guān)規(guī)范，能夠有效對電氣線路中的泄露電流進行預(yù)警。

樞紐站內(nèi)通信機房電源系統(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。通信機房UPS配電柜內(nèi)設(shè)有3P雙電源自動轉(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)僅有一個供電源零線接線的銅排（以下簡稱“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、備電源的兩個進線端（即400 V開關(guān)柜饋線處）各設(shè)置有剩余電流互感器，UPS 配電柜通電運行后，剩余電流式電氣火災(zāi)探測器不斷報警，檢查后未發(fā)現(xiàn)線路絕緣問題。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配電柜中共用一個零排，2個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出來，超過了報警閾值，造成進線端電氣火災(zāi)探測裝置報警。故障排查過程中，斷開主、備電源中的任意一根零線，漏電報警當(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常見問題[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)雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)由3P 改裝為4P，即在雙電源自動轉(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、器件尺寸等問題，無法單獨更換雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置，必須更換整個UPS配電柜。

5.2 方案二

加裝供備用電源使用的獨立零排。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個設(shè)備要求主、備電源均接入才能正常運行，故需要從2個零排將主、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接入，配置有“主電零線”及“備電零線”2個接口，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作使用主電或備電，且僅配置1 個“零線”接口。為確保儀表工作，需將主、備電零線與互投動作同步，即儀表使用主電火線時將主電零線接入儀表“零線”接口，儀表使用備電火線時將備電零線接入儀表“零線”接口。綜合上述情況，應(yīng)加裝1個繼電器，將主、備電零線分別接至繼電器的常開、常閉點。繼電器輸入端與“主路電源”指示燈并聯(lián)，指示燈點亮?xí)r繼電器吸合常開點接通主電零線；指示燈熄滅時繼電器釋放常閉點接通備電零線，間接實現(xiàn)互投切換聯(lián)動儀表零線切換。

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)探測器報警問題，但施行過程存在差異，需要進一步從施工難易程度、工期長短、改造成本等方面進行比較，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UPS 配電柜整體進行更換，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，方案一的工期要遠遠長于方案二，改造成本也明顯高于方案二。樞紐站處于運營過程中，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 長時間停電對下端負荷的影響，方案一對單個配電柜改造時間較長，意味著UPS 的停電時間也較長。通過綜合比較，方案二在各方面要優(yōu)于方案一，因此選擇方案二對UPS 配電柜進行施工改造。

6 改造效果

經(jīng)過上述方案二的改造，雙電源切換器、輸入電儀表以及UPS 設(shè)備均正常運行，主、備電源失電測試以及手、自動倒閘測試均正常，泄漏電流恢復(fù)正常值，變電所內(nèi)電氣火災(zāi)探測器漏電報警消除。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)探測器漏電報警故障得到消除，能夠進行正常的電氣火災(zāi)監(jiān)測工作。

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

不同電位零線短接（或混接）造成的電氣火災(zāi)探測器報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。經(jīng)過研究和改造，UPS 配電柜泄漏電流恢復(fù)正常值（小于閾值800 mA），報警消除，供電、儀表顯示等功能未受影響。改造結(jié)果驗證了加裝獨立零排、利用繼電器實現(xiàn)雙電源互投切換聯(lián)動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，實效性和經(jīng)濟性與其他方法相比具有明顯優(yōu)勢，電氣火災(zāi)和配電系統(tǒng)施工中的零線短接（或混接）問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)無意義的報警，提高了系統(tǒng)預(yù)防電氣火災(zāi)的能力，對于減少人民生命財產(chǎn)損失有著重要的意義。