電氣火災監控系統的設計與應用

吳 穹

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

0 引言

電氣火災產生的主要原因有過載、短路、雷電、漏電、諧波電流、誤操作、接觸不良、電氣線路設計負荷與使用負荷不匹配以及設備自身因素等，其中由漏電引起的電氣火災占據了很大部分[1]。為了有效監測漏電流，需要設置電氣火災監控系統，當系統監測到漏電流達到預警值時立即報警，避免漏電流引起電氣火災。

1 電氣火災監控系統的組成概述

《電氣火災監控系統設計、施工及驗收規范》（DBJ 20—2012）中對電氣火災監控系統的定義是：當被保護線路中的被探測參數超過報警設定值時，能發出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統。電氣火災監控系統主要由3 個部分組成，即電氣火災監控系統主機、電氣火災監控器以及電氣火災傳感器。電氣火災監控系統主機負責接收、記錄電氣火災監控器上傳的報警信號，同時發布報警信息，提醒值班人員進行檢查[2]。電氣火災監控器負責接收電氣火災探測器的信號并進行現場報警，同時將采集到的信號及報警信息上傳至電氣火災監控系統主機[3]。電氣火災傳感器負責采集所監控回路的剩余電流、溫度、故障電弧及過電流信號，并通過系統總線將信號上傳至電氣火災監控器。

電氣火災監控系統主要通過電氣火災傳感器對所監控回路進行信號采集，按照采集信號類型的不同可分為剩余電流式電氣火災傳感器、測溫式電氣火災傳感器、故障電弧探測器以及電流傳感器。利用基爾霍夫電流定律，通過剩余電流式電氣火災傳感器測量剩余電流，其工作原理如圖1 所示。

根據圖1，A，B，C，N 這4 根電纜同時垂直穿過同一個剩余電流互感器。正常情況下，A，B，C 三相電流的矢量和與N 相電流大小相等方向相反，此時PE 線中的電流為0，也就是漏電流為0。根據電磁感應定律，此時A，B，C，N 各相在剩余電流互感器中的感應電流相互抵消，流過剩余電流互感器的電流為0。當配電線路中某些原因導致A，B，C某相或中性線中有電流泄露到大地時，則A，B，C 三相電流的矢量和與N 相電流大小不相等，此時流過剩余電流互感器中的電流矢量和不為0，也就是剩余電流不為0。根據此原理，可通過剩余電流互感器中電流的大小來間接分析配電線路中的漏電情況[4]。我國低壓配電系統中存在著不同的接地系統，受檢測原理的限制，剩余電流式電氣火災傳感器并不適用于所有的情況[5]。在設置剩余電流式電氣火災探測器時，應根據配電系統的不同進行區別對待。剩余電流式電氣火災傳感器所適用的接地系統如圖2 所示。

圖1 剩余電流式電氣火災傳感器測量原理

圖2 剩余電流式電氣火災傳感器適用的接地系統

由于回路中的漏電流會引起溫度升高，溫度達到一定程度時會引起火災，因此可以通過監測回路中的溫度來預防電氣火災的發生。測溫式電氣火災傳感器可以通過其內部的熱敏元件來測量回路溫度，并將信號上傳至電氣火災監控系統。測溫式電氣火災傳感器監測的主要部位為設備外殼、電纜、配電柜（箱）體等，溫度監測采用直接接觸方式，覆蓋A，B，C，N 四相。

故障電弧主要由電氣設備的老化、線路連接松動、線路絕緣層破損等因素引起，通常伴隨著大量熱量的產生，極易引起火災。故障電弧探測器通過實時監測回路中電壓、電流波形的變化來監測故障電弧的發生[6]。實際應用中，配電線路中或多或少都會存在固有漏電。由于固有漏電的存在會直接影響報警的準確性，在固有漏電大到一定程度時甚至會引起系統的誤報警，因此可以盡量將測量點設置在末端或是根據計算調整漏電流的報警閥值，從而消除固有漏電的影響。

2 電氣火災監控系統設計方案與實現

2.1 電氣火災監控系統組成方式設計

在實際應用中，電氣火災監控系統主要有以下幾種組成方式。

（1）電氣火災監控系統主機+電氣火災監控器+剩余電流式電氣火災探測器+測溫式電氣火災探測器，此方式可以同時完成對回路中剩余電流與溫度的監測。

（2）電氣火災監控系統主機+電氣火災監控器+測溫式電氣火災探測器+電弧故障探測器，此方式可以監測回路中的溫度和故障電弧。

（3）在所需要監控的點數不超過8 個時，可不設置集中的主機，采用獨立式監控器獨自成系統或接入火災自動報警系統中。

（4）同一項目可根據負荷類型的不同采用合適的電氣火災探測器組合，例如照明負荷可采用電弧故障探測器+測溫式探測器，動力負荷可采用剩余電流式探測器+測溫式探測器。

2.2 電氣火災探測器位置設計

電氣火災探測器可以設置在低壓柜出線、樓層配電箱、末端配電箱等位置，實際設計時有以下方案。

（1）只安裝于配電室低壓柜出線位置，成本最低。但是在有漏電流產生時，此方案只能確定是某主回路漏電，無法定位發生漏電故障或高溫隱患的大體位置。

（2）只安裝于樓層配電箱位置，能夠定位樓層中的漏電故障、高溫隱患。該方案比第一種方案準確度高，但是無法確定具體是哪一支路漏電，無法檢測配電室到豎井間的漏電。

（3）只安裝于末端配電箱，可以定位支路中的漏電故障、高溫隱患。該方案精度高于前兩種方案，但是無法檢測配電室到豎井間、豎井到支路間的漏電。

（4）在配電室低壓柜出線、樓層配電箱、末端配電箱均設置電氣火災探測器，形成分級保護。此方案覆蓋全面，能夠精準定位火災隱患位置，但是成本過高。在實際設計過程中，一般會靈活選用前3 種方案進行組合，從而達到成本與測量精度的最佳平衡。

2.3 電氣火災監控系統主機位置設計

由于電氣火災監控系統也是火警系統的一部分，因此電氣火災監控系統主機可以安裝在消防控制室內[7]。電氣火災監控系統主機將報警信息和故障信息上傳至消防控制室的圖形顯示裝置或火災報警控制器，消防控制室內24 h 均有人值班，便于第一時間發現報警信息并及時處理故障。

除此之外，由于電氣火災監控系統主要監測的是配電線路中的漏電情況，而且電氣火災監控系統的探測器和傳感器一般由開關柜廠家成套提供，因此電氣火災監控系統主機還可以安裝在變電所內，由變電所內的值班人員進行管理。

2.4 電氣火災監控系統報警閥值設計

根據國家規范，電氣火災監控系統的報警值需連續可調。在實際設計中，剩余電流的動作報警閥值一般設置在300 mA，溫度報警值一般按照電纜最高耐溫的70%～80%進行設定[8]。

2.5 電氣火災監控系統的實現

電氣火災監控系統能夠實現集中管理和可視化監控，對分散在建筑物內的監控器與探測器進行遙控、遙測等操作[9-13]。當現場配電線路中的被探測參數超過報警閾值時，電氣火災監控系統會發出報警信號和控制信號，并且在主機報警界面上指示報警部位，如圖3 所示。與此同時，系統會自動保存報警信息，以便后續分析總結。

圖3 電氣火災監控系統監測界面

3 結語

電氣火災監控系統通過多種探測器實現對配電線路的實時監測，提前發現電氣方面的火災隱患，從而有效避免電氣火災的發生，保護人們的人身財產安全。隨著科技的發展，物聯網技術也越來越多地應用于電氣火災監控系統中，促使電氣火災監控系統變得越來越智能化。