電氣火災監測系統在地鐵車站應用的研究

劉麗萍

(廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州∥工程師)

據消防局《中國火災統計年鑒》的統計,我國電氣事故引起的火災約占火災總數的30%,在所有火災起因中占首位。如何對電氣火災進行有效的防范,已成為國家相關部門越來越重視的問題。

電氣火災監測系統屬于先期預報警系統,是針對火災的早期預防,為消除火災隱患而設置的。國家有關部門相繼制訂或修改了有關標準規范,對建筑中設置電氣火災監測系統提出了更明確的要求。但是,目前該系統尚未在國內各城市地鐵中應用實施。地鐵在新線建設中是否可考慮設置該系統,如何設置。本文對此進行了研究。

1 背景

1.1 電氣火災介紹

電氣火災主要是由泄漏電流、相間短路、元件或電纜超負荷等這三大原因引起的。

相間短路、元件或電纜的超負荷,最終將會反映到導體發熱,致使導體溫度升高,最終達到著火點后起火;電流泄漏故障一般由絕緣受損、環境潮濕等引起,當線路上產生的泄漏電流(或稱“剩余電流”)達到300～500 mA時,破損處將和鄰近的接地導體產生火花放電現象,從而引燃周圍的可燃物,造成火災事故。即使周圍沒有易燃物,泄漏電流產生的火花放電可以加速絕緣的受損面積,使得受損點周圍的絕緣層迅速炭化,變為易燃物體而被點燃起火。因此,對泄漏電流和溫度非正常升高情況進行監視、早期預防,就可以有效避免電氣火災的發生。

1.2 有關規范的相關要求

1)國內有關標準和規范對電氣火災監測系統的要求已日漸明確,均建議采用。JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》同舊版相比,增加的相關一節指出:“除住宅外,火災自動報警系統保護對象分級為一級的建筑物配電線路宜設置此系統。”GB 50016—2006《建筑設計防火規范》,在 11.2.7條里規定:“下列場所宜設置剩余電流動作電氣火災監測系統。這些場所包括各種類型的影劇院、館所、倉庫、住宅小區、醫院、商店、學校等。”GB 50045—2005《高層民用建筑設計防火規范》的條文調整后,將剩余電流火災報警系統也正式納入了電氣防火的范疇,在其條文9.5.1里規定:“高層建筑內火災危險性大、人員密集等場所宜設置漏電火災報警系統。”

2)發達國家早已廣泛應用此系統來防范接地電弧火災。例如:日本標準《內線規程》第19021條就規定建筑面積150 m2以上的旅館、飯店、公寓、集體宿舍、住宅等建筑物的電源進線處都必須安裝作用于報警的剩余電流保護裝置[1];國際電工標準IEC 364—4—48.2和 IEC 364—5—53對裝用剩余電流保護裝置也都有明確的具體要求。

1.3 地鐵車站配電系統現狀

地鐵車站根據負荷的重要性不同將電力負荷分為三級,對于不同類型的負荷也采用不同的配電形式。為保證高可靠性,配電形式多為放射式配電。

1)一般動力照明負荷設置就地電源箱,由變電所放射式配電;

2)各類風機、空調器等環控設備,由變電所饋出總電源輸給環控電控柜,再由環控電控柜統一放射式配電至設備;

3)冷水水泵、冷卻塔等冷水系統的制冷設備由變電所饋出總電源輸給冷水機房電控柜,再由冷水機房電控柜統一配電至設備。

由于以放射式配電為主,其電纜數量較多,并廣泛分布于管井、走廊、設備機房等各處,眾多電源箱也遍布地下各個設備房內。由于環境潮濕,部分設備、管線的位置又較隱蔽,難以檢修,故很容易產生故障隱患。有效的辦法應該是:針對惡劣環境、內部故障隱患難以發現的就地電源箱、長距離纜線等相對薄弱的環節,進行電氣火災監測保護,出現問題時使維護人員能夠準確定位故障所在處,及時清除火災隱患。

2 電氣火災監測系統的方案介紹

2.1 產品原理與組成

目前,對電氣火災早期判斷的技術主要是以剩余電流(即泄漏電流)和溫度探測為主要的監測依據。現以此為基礎進行研究。

2.1.1 電氣火災報警系統的系統構成

電氣火災監測系統一般由剩余電流檢測元件、溫度探測器、現場處理設備和集中監測(控)設備等組成(如圖1所示)。

圖1 電氣火災監測系統的構成框圖

2.1.2 剩余電流檢測器與溫度探測器

剩余電流檢測器的工作原理是基于基爾霍夫電流定律,即電路內任意點的電流矢量和等于零。檢測剩余電流時,讓三相導線和中性線穿過一個電流互感器。當未發生接地故障時,無論三相負荷是否平衡,電流矢量和均為零;當發生接地故障時,故障電流會經過故障點流入大地,使電流互感器中電流矢量和不為零,此電流值即為剩余電流值。低壓配電系統的接地形式決定了剩余電流檢測元件是否能正常工作[2]。地鐵車站中一般采用的是TN-S接地系統。圖2為此系統的剩余電流檢測示意圖。TNS接地系統的剩余電流檢測器的額定值在 30～1 000 mA連續可調。溫度探測是由固定在母線、電纜接頭處的溫度傳感器實現,可分為內置或外置式,溫度在55℃～140℃時連續可調。

圖2 TN-S接地系統剩余電流檢測示意圖

2.1.3 現場處理設備

現場處理設備接收剩余電流檢測元件及溫度探測器的信號,對信號進行放大、變換、分析、比較等處理后,一方面傳輸至現場報警顯示模塊,用于現場報警指示,另一方面傳輸至剩余電流火災報警系統的集中監測設備。目前,部分產品已能將剩余電流檢測器與現場處理設備合為一體設置,更便于工程實施與運營維護。

2.1.4 集中監測設備

集中監測設備通過總線實時收集各個現場處理設備的信號,對信號進行比較、分類等處理后,將相應信息送往報警、顯示、控制信號輸出、存儲、打印等設備,實現集中顯示、控制、記錄等功能。集中監測設備可以分為監測單元與監測主機兩種。監測單元主要用于有限數量、有限距離的少量探測器的連接與管理,適用于小型系統;監測主機則具有更強大的處理功能,可通過監測單元連接更多探測器,適用于中大型系統,并具備人性化管理軟件及打印、拷貝等功能,能夠儲存12個月的報警信息記錄,便于站級管理。

2.2 電氣火災監測系統方案

國際電工標準IEC 1200253[3]例舉了圖3所示的兩個建筑物內剩余電流探測器的裝用方案。圖3(a)為二級探測器的方案。二級探測器動作時都用于切斷電源,適用于無電氣人員管理的小型建筑物。圖3(b)為三級探測器的方案。其第三級,也即電源進線處一級的動作電流為1 A,延時可為1 s,一般動作時用于報警,以避免切斷電源引起大面積停電,適用于有電氣人員管理的大型建筑物。

圖3 剩余電流探測器設置示意

結合地鐵車站配電系統的特點,應考慮設置保護較為全面的三級探測器方案,同時考慮對地鐵運營保障的需求,探測器發現故障后僅報警而不動作。為節省投資,二、三級探測器可根據需要而有選擇性地設置,主要考慮的保護對象是處在環境相對惡劣的中長距離纜線及節點較多且長期滿載運行的配電箱。對電氣火災監測系統的具體設置建議如下。

2.2.1 探測器的設置

1)在變電所0.4 kV總進線處設置第一級剩余電流探測器,配置4組溫度探測器,對全部低壓系統實現總保護。

2)在變電所0.4 k V常用重要回路饋線處設置第二級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對變電所饋出線電纜進行保護。

3)在各長期滿載運行負荷的配電箱總進線處可選擇設置加強的第三級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對電源箱及其饋出線路進行保護。

4)對環控電控柜風機饋線回路、冷水電控柜部分饋線回路設置第三級剩余電流探測器,配置1組溫度探測器,對電控柜饋出線路進行保護。

探測器的監測對象如表1所示。

表1 探測器的監測對象表

根據有關規定,剩余電流保護裝置的額定剩余不動作電流應不小于被保護電氣線路和設備的正常運行時泄漏電流最大值的2倍。一般第二級剩余電流闕值在200～400 mA,第一級剩余電流闕值在400～800 mA范圍內,可以根據被保護線路及設備的實際情況進行調整。當剩余電流超過額定值時,輸出報警信號至上級監測系統并指示報警部位,提醒安全防護中心人員及時檢查報警的配電線路。三級剩余探測器之間在額定電流值與時間上相互配合,可以保證上下級保護范圍的選擇性。

2.2.2 監測設備的設置

1)根據設備數量與距離情況,在車站每端1～6處設置監測單元,實現本區域探測器的參數設置與信息傳輸。

2)每個車站集中設置監測主機1處,連接所有監測單元,實現對本站所有監測探測器的各種管理功能,并通過上層監測系統將相關信息上傳控制中心。

2.3 電氣火災監測系統產品的選型

目前國內電氣火災監測系統各種產品的區別主要在監測探測器上。監測探測器的結構類型主要有多功能漏電開關型、分離型和組合型等三種。另外根據其使用原理,又可分為剩余電流探測器和電弧探測器。

2.3.1 多功能漏電開關型探測器

該型監測探測器的特點是:除了自身應有的剩余電流探測、溫度探測、報警功能外,又擴展了多項功能,如過電流、過電壓、延時送電、防雷、欠壓、組網實現遠程集中監測等功能。這是一種包含主回路用電開關功能的多功能式漏電開關產品。

該類型產品的優點是:保護功能多,內置電流互感器、剩余電流互感器(包括溫度傳感器),接線少,整體度高;而由此產生的缺點是結構復雜、故障率偏高,特別是信號的監測、探測、分析、處理、報警、通信、聯動接口等電路與ABC三相主電(或單相)回路的間隔距離太近,易遭受強電磁場的干擾,降低了產品性能的穩定可靠性。

2.3.2 分離型探測器

此種類型的探測器是把集中監測設備與探測器(包括終端探測頭剩余電流互感器、溫度傳感器)分離配置。

通過探測器采樣配電柜(箱)內導電母線中的電流和漏電流信號,經內置單片機系統分析處理后,應用總線通信約定,上報集中監測設備。這種分離型探測器分工明確、結構簡單、成本少、故障率偏低,不含電源控制開關,不串入配電系統,只通過剩余電流互感器(或測溫探頭)取樣信號,其性能穩定可靠;不足之處是探測器僅采集數據,無顯示、設置參數等功能,有些產品甚至在監測探測器與終端探測頭之間也需要敷設信號線及2芯脫扣控制線。

2.3.3 組合型探測器

組合型探測器是在普通探測器上增加了集中監測設備的部分功能。它與分離型相比,不僅能滿足對泄漏電流與非正常溫升的監測,探測器本身還可以實現數據處理功能,并通過設備自帶的液晶屏實現測量結果的顯示和參數的設置等功能。

組合型探測器的優點是末端探測器更易于維護人員的操作與設置,缺點是造價較高。

2.3.4 電弧式探測器

電弧是導致電氣火災最直接的原因。當線路絕緣老化、過負荷、接觸不良而出現電弧,但泄漏電流不是很大還沒達到設定值時,泄漏電流探測器可能無法動作報警,此時電弧探測器就可以起到很好的保護作用。其原理是:短路時,電弧的弧聲、電流、弧光都有較大變化,尤其是弧聲更有超前變化的特征(詳見圖4)。電弧式探測器采用Duffing振子數字模型技術,能精確描述弧聲的特征,判斷電弧的產生,預報火災的發生。這種探測器的優點是可以覆蓋泄漏電流的保護死角,缺點是目前國內生產廠家較少、應用尚不廣泛。

圖4 短路時電弧的弧聲、弧光、電流波形圖

綜上所述,為保證電氣火災監測系統的可靠性,建議其探測器選用可靠、成熟的分離型探測器或組合型探測器。

2.4 投資分析

不同電氣火災監測系統的性能與造價比較見表2。

表2 采用分離型探測器與組合型探測器的電氣火災監測系統的對比分析

3 結語

地鐵車站低壓供配電系統的特點為結構繁雜、節點分散、隱患不易察覺(多為設備內部故障)。這是運營人員維護的難點所在,即使知道有故障隱患,排查工作量也相當大。設置電氣火災監測系統可以對消除線路、配電箱處因短路、絕緣破損等引起的火災隱患起到有效的作用,同時也提高了對低壓配電系統管理維護自動化的程度。所以,有條件時應在地鐵車站中設置電氣火災監測系統。

[1]王厚余.電氣火災防范對建筑物電氣裝置設計安裝和檢驗的要求[J].消防技術與產品信息,2003,9(9):19.

[2]吳桂清,黃璐,戴瑜興,等.剩余電流火災報警系統的設計原理及應用[J].低壓電器,2008,2(2):12.

[3]IEC1200253開關和控制設備的選用和安裝[S].

[4]寧衛國,李曉暉.漏電火災報警系統的設計與安裝[J].消防技術與產品信息,2006,8(8):8.