徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

    摘要：本文簡述了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理，分析了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用中的設(shè)計(jì)依據(jù)和相關(guān)規(guī)范。最后通過安科瑞剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在鄒城市體育中心項(xiàng)目的實(shí)例介紹，闡述了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及其重要意義。

    0 前言

    電氣火災(zāi)一般是指由于電氣線路、用電設(shè)備及供配電設(shè)備出現(xiàn)故障性釋放的熱能，如高溫、電弧、電火花以及非故障性釋放的能量;如電熱器具的熾熱表面，在具備燃燒條件下引燃本體或其它可燃物而造成的火災(zāi)，也包括由雷電和靜電引起的火災(zāi)。電氣火災(zāi)主要包括以下四個(gè)方面：漏電火災(zāi)，短路火災(zāi)，過負(fù)荷火災(zāi)，接觸電阻過大火災(zāi)。

    公安部消防局《中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示：2010年火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)居首位，且所占比例呈上升趨勢，造成的損失十分慘重。事實(shí)上，電氣火災(zāi)已成為消防安全的主要致災(zāi)因素，不僅次數(shù)多、損失大，而且多年來一直居高不下。

    電氣火災(zāi)事故所占比例逐年增高，令人堪憂。對于嚴(yán)峻的電氣火災(zāi)形勢，早期預(yù)測、預(yù)警、預(yù)報(bào)則成消防工作的重中之重，從源頭上杜絕電氣火災(zāi)的發(fā)生成了關(guān)注的焦點(diǎn)。預(yù)防和有效遏制電氣火災(zāi)的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。國家有關(guān)部門相繼制訂或修改了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求在建筑中設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

    1 參考標(biāo)準(zhǔn)

    近年來，國家為了加大電氣火災(zāi)監(jiān)控防范的力度，相繼制訂或修改了一批相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)對電氣火災(zāi)的預(yù)防。主要有：

    1.1是GB50045-95(2005版)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，其中在條文9.5.1里規(guī)定:高層建筑內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性大、人員密集等場所宜設(shè)置漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

    1.2是GB50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，在條文11.2.7里規(guī)定: 下列場所宜設(shè)置剩余電流動(dòng)作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(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(xué)校等等。

    1.3國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑電氣火災(zāi)預(yù)防要求和檢測方法》有關(guān)條文也明確要求“應(yīng)在電源進(jìn)線端設(shè)置自動(dòng)切斷電源或報(bào)警的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器”。

    1.4電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)滿足:GB14287.1-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備》、 GB14287.2-2005《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》、GB14287.3-2005《測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》

    1.5電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行應(yīng)滿足GB13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》

    1.6電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的供電應(yīng)滿足GB50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求

    1.7電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法》的要求(暫行規(guī)定)

    2 系統(tǒng)組成

    根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》以及相關(guān)規(guī)范《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法》(暫行規(guī)定)，則電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成應(yīng)包括：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器以及測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器等三個(gè)最基本產(chǎn)品種類所組成。

    2.1 剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器又由監(jiān)控探測器和剩余電流互感器(分對插式、閉合式兩種)所組成；測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器由監(jiān)控探測器和測溫傳感器所組成。

    2.2 剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層組成。各電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器通過屏蔽雙絞線RS485接口，采用MODBUS通訊協(xié)議總線型連接通過屏蔽雙絞線直接接入電氣火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)。

    2.2.1現(xiàn)場設(shè)備層主要是連接網(wǎng)絡(luò)中用于電參量采集測量的各類型的儀表和保護(hù)裝置等，也是構(gòu)建該監(jiān)控系統(tǒng)必要的基本組成元素。不僅肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任，同時(shí)也是執(zhí)行后臺(tái)控制命令的終端元件。

    2.2.2通訊控制層主要是由通訊服務(wù)器、接口轉(zhuǎn)換器件及總線網(wǎng)絡(luò)等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，不同的接口轉(zhuǎn)換器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點(diǎn)對點(diǎn)的通訊、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。通訊服務(wù)器主要用于直接對現(xiàn)場儀器儀表轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)的各種控制命令，并負(fù)責(zé)對現(xiàn)場儀器儀表回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和存儲(chǔ)等工作，如電壓/電流等電參量、輸入開關(guān)量狀態(tài)、修改儀表內(nèi)部參數(shù)或各種控制繼電器斷開/閉合的操作命令等；微機(jī)保護(hù)裝置主要是為保證上位機(jī)的正常工作，避免網(wǎng)絡(luò)中不穩(wěn)定信號(hào)對其造成的干擾或破壞；接口轉(zhuǎn)換器件則是由于現(xiàn)場儀表或其它系列的裝置與上位機(jī)的通訊接口存在差異，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換方可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    2.2.3管理測控層是針對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統(tǒng)的最上層部分，主要是由電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS等。其中軟件部分具有良好的人機(jī)交互界面，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取前置機(jī)采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)經(jīng)過計(jì)算處理，以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運(yùn)行狀況，并可接受管理人員的操作命令，實(shí)時(shí)發(fā)送并檢測操作的執(zhí)行狀況，以保證供用電單位的正常工作。

    3 系統(tǒng)特點(diǎn)和工作原理

    電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)在于剩余電流電監(jiān)控方面屬于先期預(yù)報(bào)警系統(tǒng)。與傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)不同，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)早期報(bào)警是為了避免損失，而傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是為了減少損失。所以，這就是說為什么不管是新建或是改建工程項(xiàng)目，尤其是已經(jīng)安裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的單位，仍需要安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的根本原因。

    電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)測量剩余電流和溫度兩個(gè)物理量。

    剩余電流測量是根據(jù)基爾霍夫電流定律：在同一時(shí)刻，電路中流入和流出一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流矢量和為零。以TN-S系統(tǒng)為例，將A/B/C/N同時(shí)穿過剩余電流互感器，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生漏電時(shí)，流入和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)某相對大地發(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，其大小等于從大地流走的電流即漏電流。此漏電信號(hào)通過剩余電流互感器的二次接線傳輸至電氣火災(zāi)探測器，經(jīng)運(yùn)算放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入CPU，經(jīng)過一系列算法后，對變化的幅值進(jìn)行分析、判斷，并與報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行比較，若超出定值則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并上送至后臺(tái)電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備。

    溫度測量采用溫度傳感器，一般采用Pt100傳感器進(jìn)行測量。該種類型的溫度傳感器測溫穩(wěn)定、量程范圍大，適合在現(xiàn)場監(jiān)測線纜溫度和環(huán)境溫度使用。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，Pt100自身阻值發(fā)生同比例變化，將該電阻信號(hào)傳輸?shù)诫姎饣馂?zāi)探測器，經(jīng)過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)化和運(yùn)算后，將最終結(jié)果同溫度報(bào)警定值進(jìn)行比較，若超出定值則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并上送至后臺(tái)電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備。

    4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和方法

    4.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)測剩余電流和溫度兩類對象，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的基本要點(diǎn)

    4.1.1關(guān)于剩余電流

    由于剩余電流監(jiān)測的原理采用了基爾霍夫電流定律，所以，對所應(yīng)用的低壓配電系統(tǒng)形式有一定要求。目前，可以應(yīng)用剩余電流互感器的低壓配電系統(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。對將要設(shè)計(jì)安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的用戶，不管是新工程或舊工程改造項(xiàng)目，首先要調(diào)查核實(shí)該用戶低壓配電系統(tǒng)的系統(tǒng)接地形式是什么，否則，設(shè)計(jì)安裝剩余電流互感器的點(diǎn)位進(jìn)行檢測是根本無法施行的。

    關(guān)于AC220V單相供電系統(tǒng)，剩余電流互感器只要套住L/N兩根電源線即可，但要求中性線N此后不容許再接地。對于AC380V三相供電系統(tǒng)，由于有三相三線制、三相四線制、三相五線制等使用狀況，則根據(jù)具體情況將剩余電流互感器同時(shí)套住A/B/C三相電源線，或同時(shí)套住A/B/C/N線。同理，要求中性線N此后不許再接地，保護(hù)線PE不得穿過互感器。

    在系統(tǒng)接地的形式為TN-C型時(shí)工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)，必須將其改造為TN-S型、TN-C-S型或局部TT型系統(tǒng)后，才可以安裝剩余電流檢測裝置。

    4.1.2關(guān)于溫度

    溫度測量與系統(tǒng)接地的形式無關(guān)，主要考慮包括線纜在內(nèi)的低壓配電裝置中關(guān)鍵部位的溫度，一般在二級保護(hù)的線路中應(yīng)用。溫度探頭Pt100可采用接觸式布置法，當(dāng)被檢測對象為絕緣體時(shí)，宜將探測器的溫度傳感器直接設(shè)置在被探測對象的表面。當(dāng)被檢測對象為配電柜內(nèi)部溫度變化時(shí)，可采用非接觸式布置，靠近發(fā)熱部件。

    4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的點(diǎn)位分配

    根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》4.4條中關(guān)于分級保護(hù)的規(guī)定，安裝剩余電流火災(zāi)監(jiān)控裝置時(shí)，點(diǎn)位分配原則的步驟是：

    4.2.1研究分析被控低壓AC380V/220V配電線路的相關(guān)圖紙，將建筑電氣的分布情況調(diào)查核實(shí)，確定配電設(shè)備(如配電柜、箱、盤、電纜等重要設(shè)備)的位置，把每一個(gè)監(jiān)控探測器分配到相應(yīng)的配電設(shè)備上，以此來確定探測器的數(shù)量，避免重設(shè)浪費(fèi)。

    4.2.2確定分級保護(hù)。為了縮小發(fā)生人身電擊事故和接地故障切斷電源時(shí)引起的停電范圍，通常在供電線路的不同地點(diǎn)安裝三級(或兩級)不同容量的剩余電流保護(hù)裝置，以形成分級保護(hù)。根據(jù)用電負(fù)載及線路情況，一般分兩級或三級保護(hù)，適用于城鎮(zhèn)和農(nóng)村第一級和第二級保護(hù)。

    其中，重要線路應(yīng)包括安防、消防、應(yīng)急電源、通道照明線路及不容許停電的重要場所。

    4.2.3二級保護(hù)中，所有開關(guān)處都要設(shè)置安裝剩余電流火災(zāi)監(jiān)控探測器，即在線路的電源端(第一級保護(hù))和分支首端(第二級也稱為末端保護(hù))都要安裝剩余電流探測器，并接入電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，只作火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警用。

    4.2.4三級保護(hù)中，第三級(即末端保護(hù))開關(guān)處應(yīng)設(shè)置剩余電流探測器及動(dòng)作保護(hù)裝置，但不接入電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，為的是防止人身觸電。

    4.2.5溫度檢測是以配電設(shè)備異常時(shí)發(fā)熱為基本原則而進(jìn)行的。

    1)變壓器低壓側(cè)出線端子、變壓器體溫(風(fēng)溫、油溫、水溫)測試點(diǎn)、負(fù)荷開關(guān)觸頭。

    2)各配電柜(箱)的進(jìn)出母線接點(diǎn)、自動(dòng)開關(guān)(斷路器、刀開關(guān))觸頭、大電流導(dǎo)線集中部位、線纜駁接點(diǎn)。

    3)母聯(lián)柜主接點(diǎn)、刀開關(guān)觸頭。

    4)補(bǔ)償電容器接線端子、轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭。

    5)根據(jù)點(diǎn)位安裝總數(shù)，再選擇相應(yīng)的壁掛、立式或琴臺(tái)。

    5 系統(tǒng)參數(shù)的配置

    5.1 報(bào)警值設(shè)置范圍

    依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB14287.2-2005中的規(guī)定，剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的報(bào)警值設(shè)置范圍在20~1000mA之間。按此要求，一般把電源總進(jìn)線處的剩余電流動(dòng)作值定為400~800mA，電源分支線路上的剩余電流動(dòng)作值定為100~400mA.一般在實(shí)際現(xiàn)場，設(shè)置剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的報(bào)警值，具體地說應(yīng)不小于被保護(hù)電氣線路和設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)泄漏電流最大值的2倍，且不大于1000mA。電氣火災(zāi)探測器的報(bào)警設(shè)定值應(yīng)考慮配電系統(tǒng)及用電設(shè)備的正常泄漏電流。

    5.2 關(guān)于電纜溫升報(bào)警設(shè)定參考，根據(jù)《電力電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》對電纜有關(guān)溫度的規(guī)定

    5.2.1 60℃以上高溫場所應(yīng)按經(jīng)受高溫及其持續(xù)時(shí)間和絕緣類型要求，選用耐熱聚氯乙烯、交聯(lián)聚乙烯或乙丙橡皮絕緣等耐熱型電纜100℃以上高溫環(huán)境宜選用礦物絕緣電纜。高溫場所不宜選用普通聚氯乙烯絕緣電纜。

    5.2.2電纜持續(xù)允許載流量的環(huán)境溫度應(yīng)按使用地區(qū)的氣象溫度多年平均值確定，并應(yīng)符合規(guī)定。在戶內(nèi)電纜溝敷設(shè)時(shí)，環(huán)境溫度為場所最熱月的日最高溫度平均值另加5℃.

    5.2.3電纜所承受溫升與敷設(shè)及散熱條件有關(guān)。

    6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

    鄒城市體育中心坐落在鄒城市區(qū)北部，鄒城崗山之陽，占地480畝，是山東重要的體育場館之一。鄒城市體育中心北部為體育廣場，場內(nèi)建有400米塑膠跑道及標(biāo)準(zhǔn)化足球場，西側(cè)為羅馬柱看臺(tái)，南北兩側(cè)為歐式半圓形通透回廊，可容納2萬余人。鄒城市體育中心南部為鄒城體育館，館高3層，總面積1萬多平方米，共設(shè)置3380個(gè)觀眾席，可進(jìn)行多種體育項(xiàng)目訓(xùn)練、比賽，承接大型經(jīng)貿(mào)、演出、集會(huì)等活動(dòng)，是一座現(xiàn)代化、高檔次、多功能場館。東部為群眾健身區(qū)、娛樂區(qū)，西部為體育訓(xùn)練區(qū)、游覽觀賞區(qū)。鄒城市體育中心依山而建，總體布局錯(cuò)落有致，場館與山體交相輝映，自然風(fēng)光秀美，人文景觀獨(dú)特，建筑構(gòu)建精巧，中心場館壯觀，是鄒城重要的體育活動(dòng)中心和標(biāo)志性建筑。另外，還建設(shè)了與體育館相配套的競技訓(xùn)練館一處。

    鄒城市體育中心電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置Acrel-6000/B、漏電火災(zāi)探測器ARCM300-J1、漏電流互感器AKH-0.66L組成。

    Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是本公司自主研發(fā)的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(hào)，以實(shí)現(xiàn)對被保護(hù)電氣線路的報(bào)警、監(jiān)視、控制、管理的運(yùn)行于計(jì)算機(jī)的工業(yè)級硬件/軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)應(yīng)用于大型商場、生活小區(qū)、生產(chǎn)基礎(chǔ)、辦公大樓、商場酒店等區(qū)域的消防控制中心，對分散在建筑內(nèi)的探測器進(jìn)行遙測、遙調(diào)、遙控、遙信，方便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus現(xiàn)場總線將具有通信功能的探測器相互連接起來，當(dāng)現(xiàn)場保護(hù)線路中的被探測參數(shù)超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息。

    主要技術(shù)參數(shù)

    1.電源：

    ① 額定工作電壓AC220V（-15% ～ +10%）

    ② 備用電源：主電源欠壓或停電時(shí)，維持監(jiān)控設(shè)備工作時(shí)間 ≥4小時(shí)

    2.工作制：

    24小時(shí)工作制

    3.通訊方式：

    RS485總線通訊，Modbus-RTU通信協(xié)議，傳輸距離1km，可通過中繼器延長通訊傳輸距離

    4.監(jiān)控容量：

    ① 監(jiān)控設(shè)備最高可監(jiān)控200個(gè)監(jiān)控單元（探測器）

    ② 可配接ARCM系列監(jiān)控探測器

    5.監(jiān)控報(bào)警項(xiàng)目：

    ① 剩余電流故障（漏電）：故障單元屬性（部位、類型）