王海芹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：本文簡(jiǎn)述了電氣火災監控系統的組成原理，分析了電氣火災監控系統在應用中的設計依據和相關(guān)規范。后通過(guò)安科瑞剩余電流式電氣火災監控系統在上海納克潤滑有限公司項目的實(shí)例介紹，闡述了電氣火災監控系統功能的實(shí)現及其重要意義。

關(guān)鍵詞： 電氣火災；監控系統；Acrel-6000/B；上海納克潤滑有限公司

0 前言

    電氣火災一般是指由于電氣線(xiàn)路、用電設備及供配電設備出現故障性釋放的熱能，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，也包括由雷電和靜電引起的火災。電氣火災主要包括以下四個(gè)方面：漏電火災，短路火災，過(guò)負荷火災，接觸電阻過(guò)大火災。

    *部消防局《火災統計年鑒》顯示：2010年火災事故中，電氣火災居*，且所占比例呈上升趨勢，造成的損失十分慘重。事實(shí)上，電氣火災已成為消防安全的主要致災因素，不僅次數多、損失大，而且多年來(lái)一直居高不下。

    電氣火災事故所占比例逐年增高，令人堪憂(yōu)。對于嚴峻的電氣火災形勢，早期預測、預、預報則成消防工作的重中之重，從源頭上杜絕電氣火災的發(fā)生成了關(guān)注的焦點(diǎn)。預防和有效遏制電氣火災的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。有關(guān)部門(mén)相繼制訂或修改了有關(guān)標準規范，要求在建筑中設置電氣火災監控報系統。  

1 參考標準

    近年來(lái)，為了加大電氣火災監控防范的力度，相繼制訂或修改了一批相關(guān)標準規范，加強對電氣火災的預防。主要有：

    1．是GB50045-95(2005版)《高層民用建筑設計防火規范》，其中在條文9.5.1里規定:高層建筑內火災危險性大、人員密集等場(chǎng)所宜設置漏電火災報系統。

    2．是GB50016-2006《建筑設計防火規范》，在條文11.2.7里規定:下列場(chǎng)所宜設置剩余電流動(dòng)作電氣火災監控系統。這些場(chǎng)所包括各種類(lèi)型的影劇院、館所、倉庫、住宅小區、醫院、商店、學(xué)校等等。

    3．標準《建筑電氣火災預防要求和檢測方法》有關(guān)條文也明確要求“應在電源進(jìn)線(xiàn)端設置自動(dòng)切斷電源或報的剩余電流動(dòng)作保護器”。

    4．電氣火災監控系統的產(chǎn)品應滿(mǎn)足:GB14287.1-2005《電氣火災監控設備》、 GB14287.2-2005《剩余電流式電氣火災監控探測器》、GB14287.3-2005《測溫式電氣火災監控探測器》

    5．電氣火災監控系統的安裝和運行應滿(mǎn)足GB13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護裝置安裝和運行》

    6．電氣火災監控系統的供電應滿(mǎn)足GB50052《供配電系統設計規范》的要求

    7．電氣火災監控系統的設計應滿(mǎn)足《電氣火災監控系統的設計方法》的要求(暫行規定)

2 系統組成

    根據標準GB14287-2005《電氣火災監控系統》以及相關(guān)規范《電氣火災監控系統的設計方法》(暫行規定)，則電氣火災監控系統的基本組成應包括：電氣火災監控設備、剩余電流式電氣火災監控探測器以及測溫式電氣火災監控探測器等三個(gè)基本產(chǎn)品種類(lèi)所組成。

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

    2、 剩余電流式電氣火災監控系統采用分層分布式結構，由站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通訊層和現場(chǎng)設備層組成。各電氣火災監控探測器通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)RS485接口，采用MODBUS通訊協(xié)議總線(xiàn)型連接接入通訊服務(wù)器，然后通過(guò)五類(lèi)線(xiàn)TCP/TP協(xié)議進(jìn)入工業(yè)交換機，然后通過(guò)光纜到達監控主機。

    a）現場(chǎng)設備層主要是連接網(wǎng)絡(luò )中用于電參量采集測量的各類(lèi)型的儀表和保護裝置等，也是構建該監控系統必要的基本組成元素。不僅肩負著(zhù)采集數據的重任，同時(shí)也是執行后臺控制命令的終端元件。

    b）通訊控制層主要是由通訊服務(wù)器、接口轉換器件及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等組成。該層是數據信息交換的橋梁，不同的接口轉換器件提供了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、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)等類(lèi)型的組態(tài)網(wǎng)絡(luò )。通訊服務(wù)器主要用于直接對現場(chǎng)儀器儀表轉達上位機的各種控制命令，并負責對現場(chǎng)儀器儀表回送的數據信息進(jìn)行采集、分類(lèi)和存儲等工作，如電壓/電流等電參量、輸入開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、修改儀表內部參數或各種控制繼電器斷開(kāi)/閉合的操作命令等；微機保護裝置主要是為保證上位機的正常工作，避免網(wǎng)絡(luò )中不穩定信號對其造成的干擾或破壞；接口轉換器件則是由于現場(chǎng)儀表或其它系列的裝置與上位機的通訊接口存在差異，需要進(jìn)行轉換方可進(jìn)行數據交換。

    c）管理測控層是針對監控網(wǎng)絡(luò )的管理人員，該層直接面向用戶(hù)。該層也是系統的上層部分，主要是由電氣火災監控系統軟件和必要的硬件設備如計算機、打印機、UPS等。其中軟件部分具有良好的人機交互界面，通過(guò)數據傳輸協(xié)議讀取前置機采集的現場(chǎng)各類(lèi)數據信息，自動(dòng)經(jīng)過(guò)計算處理，以圖形、數顯、聲音等方式反映現場(chǎng)的運行狀況，并可接受管理人員的操作命令，實(shí)時(shí)發(fā)送并檢測操作的執行狀況，以保證供用電單位的正常工作。

3 系統特點(diǎn)和工作原理

    電氣火災監控系統的特點(diǎn)在于剩余電流電監控方面屬于先期預報系統。與傳統火災自動(dòng)報系統不同，電氣火災監控系統早期報是為了避免損失，而傳統火災自動(dòng)報警系統是為了減少損失。所以，這就是說(shuō)為什么不管是新建或是改建工程項目，尤其是已經(jīng)安裝了火災自動(dòng)報系統的單位，仍需要安裝電氣火災監控系統的根本原因。

    電氣火災監控系統測量剩余電流和溫度兩個(gè)物理量。

    剩余電流測量是根據基爾霍夫電流定律：在同一時(shí)刻，電路中流入和流出一個(gè)節點(diǎn)的電流矢量和為零。以TN-S系統為例，將A/B/C/N同時(shí)穿過(guò)剩余電流互感器，當系統未發(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出的二次電流也為0;當某相對大地發(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。此漏電信號通過(guò)剩余電流互感器的二次接線(xiàn)傳輸至電氣火災探測器，經(jīng)運算放大、A/D轉換后送入CPU，經(jīng)過(guò)一系列算法后，對變化的幅值進(jìn)行分析、判斷，并與報設定值進(jìn)行比較，若超出定值則發(fā)出聲光報信號并上送至后臺電氣火災監控設備。

    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(lèi)型的溫度傳感器測溫穩定、量程范圍大，適合在現場(chǎng)監測線(xiàn)纜溫度和環(huán)境溫度使用。當溫度發(fā)生變化時(shí)，Pt100自身阻值發(fā)生同比例變化，將該電阻信號傳輸到電氣火災探測器，經(jīng)過(guò)一系列信號轉化和運算后，將終結果同溫度報定值進(jìn)行比較，若超出定值則發(fā)出聲光報信號并上送至后臺電氣火災監控設備。

4 系統設計注意事項和方法

    4.1 電氣火災監控系統主要監測剩余電流和溫度兩類(lèi)對象，在設計時(shí)應注意的基本要點(diǎn)

    (1)關(guān)于剩余電流

    由于剩余電流監測的原理采用了基爾霍夫電流定律，所以，對所應用的低壓配電系統形式有一定要求。目前，可以應用剩余電流互感器的低壓配電系統有：TT系統，IT系統，TN-S系統，不能使用在TN-C系統中。對將要設計安裝電氣火災監控系統的用戶(hù)，不管是新工程或舊工程改造項目，先要調查核實(shí)該用戶(hù)低壓配電系統的系統接地形式是什么，否則，設計安裝剩余電流互感器的點(diǎn)位進(jìn)行檢測是根本無(wú)法施行的。

    關(guān)于A(yíng)C220V單相供電系統，剩余電流互感器只要套住L/N兩根電源線(xiàn)即可，但要求中性線(xiàn)N此后不容許再接地。對于A(yíng)C380V三相供電系統，由于有三相三線(xiàn)制、三相四線(xiàn)制、三相五線(xiàn)制等使用狀況，則根據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(xiàn)，或同時(shí)套住A/B/C/N線(xiàn)。同理，要求中性線(xiàn)N此后不許再接地，保護線(xiàn)PE不得穿過(guò)互感器。

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

    (2)關(guān)于溫度

    溫度測量與系統接地的形式無(wú)關(guān)，主要考慮包括線(xiàn)纜在內的低壓配電裝置中關(guān)鍵部位的溫度，一般在二級保護的線(xiàn)路中應用。溫度探頭Pt100可采用接觸式布置法，當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置在被探測對象的表面。當被檢測對象為配電柜內部溫度變化時(shí)，可采用非接觸式布置，靠近發(fā)熱部件。

    4.2 系統設計中的點(diǎn)位分配

    根據標準GB13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護裝置安裝和運行》4.4條中關(guān)于分級保護的規定，安裝剩余電流火災監控裝置時(shí)，點(diǎn)位分配原則的步驟是：

    (1)研究分析被控低壓AC380V/220V配電線(xiàn)路的相關(guān)圖紙，將建筑電氣的分布情況調查核實(shí)，確定配電設備(如配電柜、箱、盤(pán)、電纜等重要設備)的位置，把每一個(gè)監控探測器分配到相應的配電設備上，以此來(lái)確定探測器的數量，避免重設浪費。

    (2)確定分級保護。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(xiàn)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裝置，以形成分級保護。根據用電負載及線(xiàn)路情況，一般分兩級或三級保護，適用于城鎮和農村*級和級保護。

    其中，重要線(xiàn)路應包括安防、消防、應急電源、通道照明線(xiàn)路及不容許停電的重要場(chǎng)所。

    (3)二級保護中，所有開(kāi)關(guān)處都要設置安裝剩余電流火災監控探測器，即在線(xiàn)路的電源端(*級保護)和分支端(級也稱(chēng)為末端保護)都要安裝剩余電流探測器，并接入電氣火災監控系統，只作火災監控報用。

    (4)三級保護中，三級(即末端保護)開(kāi)關(guān)處應設置剩余電流探測器及動(dòng)作保護裝置，但不接入電氣火災監控系統，為的是防止人身觸電。

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

    1)變壓器低壓側出線(xiàn)端子、變壓器體溫(風(fēng)溫、油溫、水溫)測試點(diǎn)、負荷開(kāi)關(guān)觸頭。

    2)各配電柜(箱)的進(jìn)出母線(xiàn)接點(diǎn)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)(斷路器、刀開(kāi)關(guān))觸頭、大電流導線(xiàn)集中部位、線(xiàn)纜駁接點(diǎn)。

    3)母聯(lián)柜主接點(diǎn)、刀開(kāi)關(guān)觸頭。

    4)補償電容器接線(xiàn)端子、轉換開(kāi)關(guān)觸頭。

    (6)根據點(diǎn)位安裝總數，再選擇相應的壁掛、立式或琴臺。

5 系統參數的配置

    5.1 報值設置范圍

    依據標準GB14287.2-2005中的規定，剩余電流式電氣火災監控探測器的報值設置范圍在20~1000mA之間。按此要求，一般把電源總進(jìn)線(xiàn)處的剩余電流動(dòng)作值定為400~800mA，電源分支線(xiàn)路上的剩余電流動(dòng)作值定為100~400mA.一般在實(shí)際現場(chǎng)，設置剩余電流式電氣火災監控探測器的報值，具體地說(shuō)應不小于被保護電氣線(xiàn)路和設備的正常運行時(shí)泄漏電流大值的2倍，且不大于1000mA。電氣火災探測器的報警設定值應考慮配電系統及用電設備的正常泄漏電流。

    5.2 關(guān)于電纜溫升報警設定參考，根據《電力電纜設計規范》對電纜有關(guān)溫度的規定

    (1)60℃以上高溫場(chǎng)所應按經(jīng)受高溫及其持續時(shí)間和絕緣類(lèi)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(chǎng)所不宜選用普通聚氯乙烯絕緣電纜。

    (2)電纜持續允許載流量的環(huán)境溫度應按使用地區的氣象溫度多年平均值確定，并應符合規定。在戶(hù)內電纜溝敷設時(shí)，環(huán)境溫度為場(chǎng)所熱月的日高溫度平均值另加5℃.

　  (3)電纜所承受溫升與敷設及散熱條件有關(guān)。

6 系統設計實(shí)例

    上海納克潤滑有限公司電氣火災監控系統由電氣火災監控裝置Acrel-6000/B、漏電火災探測器ARCM300-J1、漏電火災探測器ARCM300-J8和漏電流互感器AKH-0.66L組成。

    Acrel-6000電氣火災監控系統是本公司自主研發(fā)的用于接收剩余電流式電氣火災探測器等現場(chǎng)設備信號，以實(shí)現對被保護電氣線(xiàn)路的報、監視、控制、管理的運行于計算機的工業(yè)級硬件/軟件系統。本系統應用于大型商場(chǎng)、生活小區、生產(chǎn)基礎、辦公大樓、商場(chǎng)酒店等區域的消防控制中心，對分散在建筑內的探測器進(jìn)行遙測、遙調、遙控、遙信，方便實(shí)現監控與管理。本系統采用標準的Modbus現場(chǎng)總線(xiàn)將具有通信功能的探測器相互連接起來(lái)，當現場(chǎng)保護線(xiàn)路中的被探測參數超過(guò)報設定值時(shí)，能發(fā)出報信號、控制信號，能指示報部位并保存報警信息。  

    蘇州中占房地產(chǎn)現場(chǎng)有剩余電流式儀表48只ARCM300-J8和20只ARCM300-J1，安裝于樓層配電箱中?，F場(chǎng)儀表采用總線(xiàn)方式接至消控中心的Acrel-6000/B壁掛式電氣火災監控系統。本系統具有安裝運輸方便、性?xún)r(jià)比高、維護方便等點(diǎn)。

主要技術(shù)參數

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)，維持監控設備工作時(shí)間 ≥4小時(shí)

工作制：

   24小時(shí)工作制

通訊方式：

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

監控容量：

   ① 監控設備高可監控200個(gè)監控單元（探測器）

   ② 可配接ARCM系列監控探測器

監控報警項目：

   ① 剩余電流故障（漏電）：故障單元屬性（部位、類(lèi)型）

   ② 溫度報（超溫）： 故障單元屬性（部位、類(lèi)型）

   ③ 電流故障（過(guò)流）： 故障單元屬性（部位、類(lèi)型）

    監控報響應時(shí)間： ≤30s

    監控報聲壓級（A計權）：≥70dB／1m

    監控報光顯示：紅色LED指示燈，紅色光報信號應保持，直至手動(dòng)復位

    監控報聲信號：可手動(dòng)，當再次有報信號輸入時(shí)，能再次啟動(dòng)

故障報警項目：

    ① 監控設備與探測器之間的通訊連接線(xiàn)發(fā)生斷路或短路

    ② 監控設備主電源欠壓或斷電

    ③ 給電池充電的充電器與電池之間的連接線(xiàn)發(fā)生斷路或短路

    故障報響應時(shí)間：≤100s

    監控報壓級（A計權）：≥70dB／1m

    監控報光顯示：黃色LED指示燈，黃色光報信號應保持至故障排除

    故障報聲信號：可手動(dòng)，當再次有報信號輸入時(shí)，能再次啟動(dòng)

    故障期間，非故障回路的正常工作不受影響

控制輸出：

    報警控制輸出：1組常開(kāi)無(wú)源觸點(diǎn)，容量：AC250V 3A或DC30V 3A

自檢項目：

    ① 指示燈檢查：報警、故障、運行、主電源、備用電源指示燈

    ② 顯示屏檢查

    ③ 音響器件檢查

    自檢耗時(shí) ≤60s

事件記錄：

    ① 記錄內容：記錄類(lèi)型、發(fā)生時(shí)間、探測器編號、區域、故障描述，可存儲記錄不少于2萬(wàn)條

    ② 記錄查詢(xún)：根據記錄的日期、類(lèi)型等條件查詢(xún)

操作分級：

    ① 日常值班級：實(shí)時(shí)狀態(tài)監視、事件記錄查詢(xún)

    ② 監控操作級：實(shí)時(shí)狀態(tài)監視、事件記錄查詢(xún)、探測器遠程復位、設備自檢

    ③ 系統管理級：實(shí)時(shí)狀態(tài)監視、事件記錄查詢(xún)、探測器遠程復位、設備自檢，監控設備系統參數查詢(xún)、監控設備各模塊單獨檢測、操作員添加與刪除

使用環(huán)境條件：

    ① 工作場(chǎng)所：消防控制室內、有人值班的變配電所（配電室）、有人值班的房間內墻壁上

    ② 工作環(huán)境溫度：0℃～40℃

    ③ 工作環(huán)境相對濕度：5%～95%RH

    ④ 海拔高度：≤2500m

   基本功能

    1.監控報警功能：

    監控設備能接收多臺探測器的漏電、溫度信息，報時(shí)發(fā)出聲光報信號，同時(shí)設備上紅色“報”指示燈亮，顯示屏指示報部位及報類(lèi)型，記錄報警時(shí)間，聲光報一直保持，直至按顯示屏“復位”按鈕遠程對探測器實(shí)現復位。對于聲音報信號可以使用顯示屏“消聲”按鈕手動(dòng)。

    2.故障報功能

    通訊故障報：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障時(shí)，監控畫(huà)面中相應的探測器顯示故障提示，同時(shí)設備上的黃色“故障”指示燈亮，并發(fā)出故障報聲音。

    電源故障報：當主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監控設備也發(fā)出聲光報信號并顯示故障信息，可進(jìn)入相應的界面查看詳細信息并可解除報聲響。

    3.自檢功能

    檢查設備中所有狀態(tài)指示燈、顯示屏、喇叭是否正常。

    4.報記錄存儲查詢(xún)功能

    當發(fā)生漏電、超溫警或通訊、電源故障時(shí)，將報部位、故障信息、報時(shí)間等信息存儲在數據庫中，當報解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢(xún)方法。

    5.電源功能

    當主電源發(fā)生停電、欠壓等故障時(shí)，監控設備可自動(dòng)切換到備用電源工作，當主電源恢復正常供電時(shí)，自動(dòng)切回到主電源，切換過(guò)程中保證監控設備連續平穩運行。

    6.對探測器控制功能

    通過(guò)監控軟件操作，可對連接到本設備的所有探測器進(jìn)行遠程復位控制。

    7.權限控制功能

    為確保監控系統的安全運行，監控設備軟件操作權限分為三級，不同級別的操作員具有不同的操作權限。

系統組網(wǎng)結構

    1）站控管理層

    站控管理層針對電氣火災監控系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的上層部分。主要由系統軟件和必要的硬件設備，如觸摸屏、UPS電源等組成。監測系統軟件對現場(chǎng)各類(lèi)數據信息計算、分析、處理，并以圖形、數顯、聲音、指示燈等方式反應現場(chǎng)運情況。

    監控主機：用于數據采集、處理和數據轉發(fā)。為系統內或外部提供數據接口，進(jìn)行系統管理、維護和分析工作。

    UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個(gè)系統發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證站控管理層設備的正常運行。

    后臺監控設備設置在二單元一樓消控室中。
   2）網(wǎng)絡(luò )通訊層

   通訊介質(zhì)：系統主要采用屏蔽雙絞線(xiàn)，以RS485接口，MODBUS通訊協(xié)議實(shí)現現場(chǎng)設備與上位機的實(shí)時(shí)通訊。

   3）現場(chǎng)設備層

    現場(chǎng)設備層是數據采集終端，主要為ARCM300系列剩余式電氣火災監控探測器。ARCM300 型剩余電流式電氣火災監控探測器，是針對 0.4kV 以下的TT、TN 系統設計的，通過(guò)對配電回路的剩余電流、導線(xiàn)溫度、過(guò)電流、過(guò)電壓等火災危險參數實(shí)施監控和管理，從而預防電氣火災的發(fā)生，并實(shí)現了對多種電力參數的實(shí)時(shí)監測,為能耗管理提供的數據。產(chǎn)品采用的微控制器技術(shù)，集成度高，體積小巧，安裝方便，集智能化，數字化，網(wǎng)絡(luò )化于一身，是建筑電氣火災預防監控、系統絕緣老化預估等的理想選擇。產(chǎn)品符合 GB14287.2-2005《電氣火災監控系統 2部分：剩余電流式電氣火災監控探測器》的標準要求。

    現場(chǎng)總線(xiàn)連接的分布式I/O控制器構成數據采集終端，向數據中心上傳采集的數據。測量?jì)x表?yè)撝?zhù)基層的數據采集任務(wù)，其監測的數據完整、準確并實(shí)時(shí)傳送至監控主機。便于運行人員監控現場(chǎng)設備運行狀態(tài)，故障報等情況，有效預防火災事故發(fā)生。

    該系統自投運以來(lái)，運行良好，在預防電氣火災方面發(fā)揮了重要作用，獲得了客戶(hù)對產(chǎn)品和公司的認可與信賴(lài)。

參考文獻

[1].任致程 周中. 電力電測數字儀表原理與應用指南[M]. 北京. 電力出版社. 2007. 4

[2].周中.電力儀表在大型公共建筑電能分項計量中的應用[J].現代建筑電氣 2010. 6