基于信息技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

引言

據(jù)《中國(guó)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，近十年的火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)所占比例在30%以上，且呈逐年上升的趨勢(shì)，已成為火災(zāi)的主要致災(zāi)因素，引起巨大的人財(cái)物損失。電氣火災(zāi)產(chǎn)生的主要原因有短路、過(guò)載、接觸電阻過(guò)大、靜電等，其中接地性電弧短路是最危險(xiǎn)也多發(fā)的電氣火災(zāi)成因，主要是由于故障點(diǎn)接觸不良，未被熔融而迸發(fā)出電或者電火花。而且發(fā)生電弧性短路的故障點(diǎn)阻抗較大，它的短路電流并不大（略大于300mA的電流即可產(chǎn)生電?。?，正常電路中設(shè)置的斷路器難以動(dòng)作，而且線(xiàn)路電壓低至20V時(shí)電弧依然穩(wěn)定存在，致使電弧難以熄滅。此類(lèi)電弧溫度高達(dá)2000-3000度以上，極易引燃周?chē)目扇嘉矬w［2］，因此接地性電弧短路是導(dǎo)致電氣火災(zāi)最難以防范的原因之一。另外，在電源的總進(jìn)線(xiàn)處和不允許斷電的電氣設(shè)備，如消防水泵回路和公共場(chǎng)所的疏散照明、消防報(bào)警回路的電源等，設(shè)計(jì)時(shí)不設(shè)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)或者漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的設(shè)定值比較大，產(chǎn)生少量漏電時(shí)漏電保護(hù)器難以動(dòng)作，也容易造成觸電危險(xiǎn)或者火災(zāi)危險(xiǎn)。這些地方都需要設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)電流值越限、溫度超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并與消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，通知管理人員進(jìn)行處理。

1 、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置原理

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)EFPS（Electric Fire Prevention System）主要是監(jiān)測(cè)供電線(xiàn)路的剩余電流，依據(jù)基爾霍夫電流定律（Kirhhoff‘s Current Law）進(jìn)行測(cè)量：在同一時(shí)刻，電路中流入和流出同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流矢量和為零

Ir=IrA+IrB+IrC+IrN=0

以TN-S系統(tǒng)為例，將A/B/C/N同時(shí)穿過(guò)剩余電流互感器，在設(shè)備與線(xiàn)路無(wú)任何漏電的理想情況下，從正方向進(jìn)入和負(fù)方向流出剩余電流互感器的電流矢量和為零，此時(shí)，剩余電流互感器感應(yīng)出的二次電流也為0。

當(dāng)某相發(fā)生接地故障時(shí)，其對(duì)大地發(fā)生漏電，此時(shí)流入和流出剩余電流互感器的電流矢量和不再為零，大小等于從大地流走的電流即漏電電流。此漏電電流使剩余電流互感器的環(huán)形鐵芯中產(chǎn)生磁通，其二次側(cè)感應(yīng)產(chǎn)生電流，該電流與一次側(cè)各相漏電流的矢量和成正比，經(jīng)過(guò)放大處理可視為一次側(cè)各相漏電流的矢量和。在三相電路中，零序剩余電流包括三種成分：三相不平衡電流、分布性電容電流和泄漏電流組成的正常漏電流、故障性漏電流即絕緣擊穿后漏電流。 Ir=Iilce+Irb+Ibrce，其中：Iilce固有對(duì)地漏電電流;Irb開(kāi)關(guān)后對(duì)地漏電流;Ibrce突發(fā)性漏電流。

2、電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)組成

電氣監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)EFPS（Electric Fire PrevenTIon System）系統(tǒng)主要由監(jiān)控管理層（監(jiān)控主機(jī)IPC和電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備ACDP）、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)層（電氣火災(zāi)探測(cè)器RTCM和TS溫度探測(cè)器）和系統(tǒng)輔助設(shè)備（區(qū)域監(jiān)控單元ACDU和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊PTM）組成，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和RS485總線(xiàn)連接在一起。系統(tǒng)應(yīng)具有超早期、高智能、小型化、高可靠性和簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn) 。當(dāng)線(xiàn)路中的漏電電流超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并指出報(bào)警位置，提醒管理人員及時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)查看確認(rèn)。同時(shí)系統(tǒng)主機(jī)將上傳數(shù)據(jù)通過(guò)圖形、報(bào)表、事件記錄等形式反映整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)層

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)層主要分為火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）和溫度探測(cè)器（TS）。電氣火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）通過(guò)零序互感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的剩余電流和溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)顯示各個(gè)回路的剩余電流值，并將剩余電流值的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)主機(jī)，同時(shí)能夠設(shè)置剩余電流報(bào)警限值。同時(shí)，可設(shè)定地址編碼，幫助管理人員精確定位故障位置。針對(duì)電弧發(fā)出的高溫以及配電柜內(nèi)溫度的測(cè)量，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)還可以進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，主要采用接觸式溫度探測(cè)器或者輻射式溫度探測(cè)器。

2.2 系統(tǒng)輔助設(shè)備

系統(tǒng)輔助設(shè)備主要指區(qū)域監(jiān)控單元（ACDU）和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（PTM），區(qū)域監(jiān)控單元（ACDU）可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)故障及報(bào)警信息，并可對(duì)下級(jí)火災(zāi)探測(cè)器的剩余電流報(bào)警值和溫度報(bào)警值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，還可以顯示相應(yīng)的火災(zāi)探測(cè)器的信息。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊PTM是Modbus總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)之間的橋梁，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸中通信距離和通信速度的悖論問(wèn)題，在系統(tǒng)容量達(dá)到最大時(shí)也可以保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，它把基于RS485總線(xiàn)的Modbus RTU 信號(hào)轉(zhuǎn)換成基于工業(yè)以太網(wǎng)的UDP/IP信號(hào)，再傳輸給監(jiān)控主機(jī)IPC進(jìn)行處理，也可將監(jiān)控主機(jī)IPC的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳輸給火災(zāi)探測(cè)器 。

2.3 監(jiān)控管理層

監(jiān)控主機(jī)IPC能顯示當(dāng)前系統(tǒng)中所有的探測(cè)器狀態(tài)，自動(dòng)顯示報(bào)警提示信息窗口，提醒并指示報(bào)警的具體位置和回路編號(hào)。操作人員能發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并自動(dòng)保存報(bào)警及故障事件和操作記錄，方便管理人員查詢(xún)，系統(tǒng)組成如圖1。

中國(guó)石油大學(xué)（華東）工科實(shí)驗(yàn)樓E座（如圖2）項(xiàng)目是我校實(shí)驗(yàn)室的聚集平臺(tái)，設(shè)備眾多，用電負(fù)荷非常大，專(zhuān)門(mén)在其地下室配備了一個(gè)配電站，樓上配電柜和配電箱數(shù)量很多，根據(jù)規(guī)范要求配置了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。在配電室內(nèi)設(shè)置了溫度監(jiān)測(cè)裝置，在主要的配電柜內(nèi)安裝了電氣火災(zāi)探測(cè)器（RTCM），劃分了地下室、裙樓和主樓三個(gè)區(qū)域，使用了3個(gè)ACDU區(qū)域監(jiān)控單元，經(jīng)過(guò)PTM協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊連成一體，在消防控制中心設(shè)有監(jiān)控主機(jī)，實(shí)施遠(yuǎn)程控制，并與消防控制中心聯(lián)動(dòng)。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，其質(zhì)量可靠，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了多起剩余電流過(guò)大的事故。

系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)試：為了檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)作可靠性和準(zhǔn)確性，我們現(xiàn)場(chǎng)制作了帶可調(diào)電阻和電流表的電燈回路來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。將火線(xiàn)串入電氣火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）而零線(xiàn)不串入，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻大小電燈亮度隨之改變，電流表顯示通過(guò)電流即漏電電流的大小。通過(guò)電流表的讀數(shù)即可判斷出電氣火災(zāi)探測(cè)器的靈敏度和可靠性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)性能可靠，反應(yīng)靈敏。

3、 電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意的問(wèn)題

（1）由于剩余電流監(jiān)測(cè)的原理采用了基爾霍夫電流定律，故目前可以應(yīng)用的低壓配電系統(tǒng)有：TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)，不能使用在TN-C系統(tǒng)中。無(wú)論對(duì)于AC220V的單相還是AC380V三相供電系統(tǒng)，都要求中性線(xiàn)N此后不許再接地，保護(hù)線(xiàn)PE不得穿過(guò)互感器。

（2）電氣火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）應(yīng)根據(jù)分級(jí)保護(hù)的原則進(jìn)行安裝。根據(jù)用電負(fù)載及線(xiàn)路分布情況，一般在配電室內(nèi)配電柜供電總回路和樓層分配電箱處安裝火災(zāi)探測(cè)器（RTCM），而在用戶(hù)室內(nèi)開(kāi)關(guān)處設(shè)置漏電保護(hù)器以防止人身觸電，漏電保護(hù)器的參數(shù)根據(jù)漏電保護(hù)器的設(shè)置原理進(jìn)行設(shè)置。

（3）電氣漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度檢測(cè)是以配電設(shè)備異常發(fā)熱為基本原則而進(jìn)行的。溫度測(cè)量主要考慮低壓配電裝置中電纜壓接等處容易產(chǎn)生電弧導(dǎo)致高溫，或者是電纜出配電室處電纜比較密集散熱不暢產(chǎn)生高溫，一般在二級(jí)保護(hù)的線(xiàn)路中應(yīng)用。主要是采用溫度探頭Pt100，當(dāng)探測(cè)電纜溫度時(shí)，將溫度探頭直接設(shè)置在電纜表面。當(dāng)檢測(cè)配電柜內(nèi)部的溫度時(shí)，安裝在靠近電纜壓接等處容易產(chǎn)生高溫的位置，采用非接觸式安裝。具體檢測(cè)點(diǎn)參考如下： 變壓器低壓側(cè)出線(xiàn)端子、變壓器體溫（風(fēng)溫、油溫、水溫）測(cè)試點(diǎn)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)觸頭［8］。

（4）火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）泄漏電流報(bào)警值的設(shè)定。火災(zāi)探測(cè)器（RTCM）設(shè)定時(shí)應(yīng)考慮電氣負(fù)荷的大小、用電設(shè)備的情況和用電回路的正常泄漏電流等因素。一般支路上報(bào)警設(shè)定值為300mA，配電室內(nèi)總配電柜出線(xiàn)等處為1000mA，但應(yīng)不小于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)泄漏電流最大值的2倍。

（5）設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)時(shí)應(yīng)慎重選擇火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警輸出功能 。電氣監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)首要的要求是報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，然后才是切斷事故電源的可靠性。漏電報(bào)警只是提示某處出現(xiàn)火災(zāi)隱患應(yīng)該派人進(jìn)行檢修而不是立即切斷電源。漏電報(bào)警立即切斷電源將會(huì)很頻繁，會(huì)給用戶(hù)造成經(jīng)濟(jì)損失。

4 、結(jié)束語(yǔ)

基于信息技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)剩余電流式火災(zāi)探測(cè)器對(duì)配電回路和配電柜內(nèi)的剩余電流、導(dǎo)線(xiàn)溫度、過(guò)電流等火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)實(shí)施監(jiān)控和管理，使用報(bào)警主機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，消除安全隱患，降低了火災(zāi)損失。