裴善勇1　林思和1

1上海安科瑞電氣股份有限公司 上海市201801

    摘 要：本文對(duì)電氣火災(zāi)的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，列出了電氣火災(zāi)監(jiān)控防范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。簡述了ARCM200剩余電流式電氣火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)原理以及該產(chǎn)品在2010年廣州亞運(yùn)會(huì)海心沙項(xiàng)目系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。并分析了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

    近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，各行業(yè)用電量的大幅度增加，同時(shí)伴隨著電氣火災(zāi)也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。而接地故障火災(zāi)是最常見的多發(fā)電氣火災(zāi)。為避免接地故障引發(fā)的火災(zāi)，在建筑電氣中已開始廣泛使用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)的火災(zāi)隱患，及時(shí)報(bào)警提醒工作人員去消除這些隱患。 國家也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，例如《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2006，《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-2005，《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》GB 14287等。本文介紹了ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計(jì)原理，及在廣州亞運(yùn)會(huì)海心沙場館中實(shí)際應(yīng)用。

    一、電氣火災(zāi)分析

    電氣火災(zāi)的發(fā)生有以下原因：電火花與電��；電氣設(shè)備或電氣線路上產(chǎn)生高溫導(dǎo)致；由于線路端子導(dǎo)線與端子接觸不良產(chǎn)生的危險(xiǎn)高溫。

    數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)的引發(fā)有一半是由于接地故障造成的。接地故障的發(fā)生主要是由于電氣線路的絕緣層老化，導(dǎo)致絕緣性能降低，從而在帶電導(dǎo)線和大地、電氣設(shè)備金屬外殼間產(chǎn)生剩余電流（又稱泄露電流或漏電流），由于接地故障回路阻抗大，往往會(huì)產(chǎn)生微小的電弧型放電，電弧放電產(chǎn)生熱量加劇線路絕緣老化。絕緣老化、剩余電流、微小放電三者之間產(chǎn)生惡性循環(huán)，放電電弧達(dá)到一定程度時(shí)（幾百毫安的剩余電流電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2000℃以上），高溫引燃周圍的可燃物而引起火災(zāi)。而配電系統(tǒng)中的電流保護(hù)器在微弱的放電打火過程中無法動(dòng)作，而發(fā)生動(dòng)作切斷電源時(shí)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生，未能在火災(zāi)發(fā)生前及時(shí)切斷。

    這類電氣火災(zāi)的引發(fā)是由于非正常的剩余電流所引發(fā)的。故需要有專門檢測線路中剩余電流的裝置，來實(shí)時(shí)地監(jiān)測配電系統(tǒng)的絕緣情況，繼而實(shí)現(xiàn)該類電氣火災(zāi)的提前預(yù)警，達(dá)到消除火災(zāi)隱患的目的。

    二、原理描述

    電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中主要的元件為剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。探測器通過剩余電流互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電流信號(hào)的檢測，如圖1 所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律 (KCL) 可知從電源端流出的電流會(huì)等于流回的電流，其相量形式如下：

    在圖1 中，將三相導(dǎo)線及N線全部穿過剩余電流互感器，檢測的電流為，而剩余電流為，即：

    由于二次電流大小與一次電流呈一定的比例關(guān)系，就可以通過測量剩余電流互感器二次側(cè)的電流來測量一次側(cè)的剩余電流。根據(jù)檢測到的剩余電流大小,探測器可通過預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出各種指令,或切斷電源,或發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。

圖1　剩余電流檢測

    上海安科瑞股份有限公司生產(chǎn)的ARCM200/300剩余電流式電氣火災(zāi)探測器產(chǎn)品采用32位MCU實(shí)現(xiàn)，功能主要包括多路剩余電流和溫度測量、報(bào)警、顯示、存儲(chǔ)、人機(jī)交互和通訊等�；�本工作原理如下：

圖2　硬件設(shè)計(jì)原理框圖

    剩余電流互感器將感應(yīng)出來的信號(hào)傳輸?shù)绞Ｓ嚯娏鞑杉�模塊，經(jīng)過信號(hào)的轉(zhuǎn)換濾波后MCU利用片內(nèi)AD模塊對(duì)各個(gè)通道的信號(hào)量進(jìn)行AD采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，完成信號(hào)的精確測量，再按設(shè)置的保護(hù)參數(shù)，進(jìn)行報(bào)警保護(hù)處理。同時(shí)MCU根據(jù)探測器的狀態(tài)，來控制LED數(shù)碼管顯示、數(shù)據(jù)計(jì)算\存儲(chǔ)、外部通訊、鍵盤菜單操作、繼電器開關(guān)動(dòng)作、蜂鳴器報(bào)警等工作。

    三、算法描述

    傳統(tǒng)的剩余電流檢測方法為：電流互感器為傳感器件，由它提取的剩余電流信號(hào)，經(jīng)放大、AC/DC變換、A/D變換、CPU處理后，送往報(bào)警器、顯示器、信號(hào)輸出。該方法中，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電流的測量需要經(jīng)過放大器，AC/DC變換，最后才到A/D采樣測量，轉(zhuǎn)換復(fù)雜，增加了故障節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也增加了成本。

    ARCM200/300探測器，采用交流采樣技術(shù)，直接對(duì)互感器過來的剩余電流信號(hào)采樣，保持信號(hào)的真實(shí)性。通過MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，從而達(dá)到精確測量剩余電流信號(hào)的目的，并通過特定程序算法，保證了探測器及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠進(jìn)行報(bào)警保護(hù)。其運(yùn)用的主要技術(shù)手段如下：

    1）頻率濾波

    現(xiàn)代用電設(shè)備中變頻器及非線性負(fù)載越來越多，電網(wǎng)諧波含量急劇增加，在供電電纜中造成了高頻泄漏電流，這些泄漏電流可以達(dá)到幾十到幾百毫安。IEC60479標(biāo)準(zhǔn)中說明了在50/60HZ時(shí)的保護(hù)最為關(guān)鍵。故有必要將泄漏電流的高頻成分濾除，從而減少了諧波電流和瞬時(shí)電流引起的誤動(dòng)。

    ARCM200/300中利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中的數(shù)字濾波技術(shù)，將采樣得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波計(jì)算處理，達(dá)到濾除信號(hào)中高頻部分的目的。

    2）測量真有效值（方均根值）。

    在考慮頻率濾波的情況下，可準(zhǔn)確測量剩余電流信號(hào)的RMS真有效值，使動(dòng)作的判據(jù)更加準(zhǔn)確，減少不正常的拒報(bào)警。 　　

    四、實(shí)現(xiàn)功能及性能：

    ARCM200/300實(shí)現(xiàn)了以下功能：

    1）剩余電流/溫度測量�？梢詫�(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)控1～4路剩余電流，其中J1型可以監(jiān)測3路溫度。剩余電流正常測量范圍在10mA～3000mA，精度可達(dá)到1級(jí)，溫度測量范圍可從-10℃ 到 120℃之間，精度±1℃。

    2）可編程報(bào)警設(shè)置。動(dòng)作電流和動(dòng)作延時(shí)可靈活調(diào)整，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。并能夠非常容易的適用于分級(jí)保護(hù)的場合。報(bào)警功能的一些說明：

    額定動(dòng)作電流值I△n設(shè)定范圍：20～1000mA,也可設(shè)為OFF，以關(guān)閉剩余電流保護(hù) ；預(yù)警電流為＞0.8I△n，報(bào)警動(dòng)作電流為＞0.95I△n；

    溫度報(bào)警設(shè)定范圍：50℃～120℃，也可設(shè)為OFF，以關(guān)閉溫度通道保護(hù)；

    動(dòng)作時(shí)間可設(shè)定范圍：0.1S～60.0S 。

    3）事件記錄。可記錄最近10條事件記錄，發(fā)生報(bào)警時(shí)記錄的報(bào)警發(fā)生的事件類型、事件通道、報(bào)警設(shè)定值、報(bào)警實(shí)際值及報(bào)警時(shí)間。

    4）RS-485通訊接口，采用兼容Modbus-RTU協(xié)議，可將監(jiān)測到的各種信息上傳，組建電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

    五、應(yīng)用案例

    廣州亞運(yùn)會(huì)開、閉幕式將在位于珠江新城南端珠江上的海心沙廣場舉行。海心沙島北望珠江新城中央商務(wù)區(qū)，南望廣州新電視塔，西鄰二沙島，總用地面積17.6萬平方米，綠地率達(dá)到65%，可容納2萬名觀眾。海心沙廣場將成為廣州市最大的公眾廣場和廣州市未來城市慶典活動(dòng)中心。

圖3　海心沙場館外觀圖

    海心沙場館內(nèi)配電系統(tǒng)共有兩個(gè)一級(jí)高壓房、四個(gè)二級(jí)高壓房及專變房、五個(gè)低壓配電房共同組成。在一級(jí)、二級(jí)高壓房內(nèi)使用的電能儀表為安科瑞公司的ACR220ELH型號(hào)諧波表。在低壓配電房內(nèi)使用ACR320EL/ACR220EL網(wǎng)絡(luò)多功能儀表。低壓配電系統(tǒng)為TN-C-S系統(tǒng)，適合使用安科瑞公司生產(chǎn)的ARCM200/300剩余電流式漏電火災(zāi)探測器。ARCM200/300在亞運(yùn)會(huì)項(xiàng)目中一舉包攬了海心沙場館內(nèi)5個(gè)低壓變電房的所有剩余電流式火災(zāi)探測器，共545個(gè)。ARCM200和ARCM300安裝方式分別為嵌入式面板安裝和導(dǎo)軌式安裝；剩余電流互感器安裝于配電柜內(nèi)，各個(gè)回路電纜的A、B、C、N線穿過剩余電流互感器，PE線不穿過剩余電流互感器。

圖4　現(xiàn)場應(yīng)用圖

    在這個(gè)項(xiàng)目中主要用于檢測剩余電流、溫度以及485通訊組網(wǎng)�，F(xiàn)場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場設(shè)備層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場智能設(shè)備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器轉(zhuǎn)換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終由方便管理人員通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場狀況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖5　系統(tǒng)一次圖

    六、常見故障分析

    1）接線錯(cuò)誤引發(fā)的誤動(dòng)作或拒動(dòng)作

    ARCM200/300主要應(yīng)用于0.4kV TT 和 TN-S ，TN-C-S交流系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)有一點(diǎn)直接接地,系統(tǒng)中性線(N線)和保護(hù)線(PE線)必須分開，且N線不能重復(fù)接地。

    該類產(chǎn)品裝置的接線必須正確，接線錯(cuò)誤可能導(dǎo)致裝置報(bào)警誤動(dòng)作，也可能導(dǎo)致拒動(dòng)作。接線前應(yīng)分清電網(wǎng)系統(tǒng)中的相線、N線、PE線。相線及N線必須一同穿過剩余電流互感器，PE線不能穿過互感器。例如，在系統(tǒng)中，如N線未與相線一起穿過互感器，一旦三相不平衡，即發(fā)生誤動(dòng)作，互感器后方的N線與其他回路的N線連接或接地，或后方的相線與其他之路的同相相線連接，接通負(fù)載時(shí)，也會(huì)造成誤動(dòng)作。

    很多項(xiàng)目中，在系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)剩余電流值過大而出現(xiàn)報(bào)警，很大一部分均是由此類情況造成。如PE線同N線及相線一起穿過互感器，會(huì)造成探測器拒動(dòng)作。

    解決方法：排查互感器下方接線錯(cuò)誤情況，查看系統(tǒng)中PE線與N線是否嚴(yán)格區(qū)分開來。

    2）由于接線問題以外引發(fā)的動(dòng)作

    ①絕緣惡化。線路對(duì)地絕緣被破壞，導(dǎo)致有剩余電流產(chǎn)生超過報(bào)警閾值，探測器報(bào)警。

    解決方法：該類情況，確實(shí)有隱患存在，應(yīng)當(dāng)盡快檢修故障線路，防患于“未燃”。

    ②大型設(shè)備啟動(dòng)。大型設(shè)備啟動(dòng)瞬時(shí)，存在對(duì)地泄漏電流，引起裝置報(bào)警動(dòng)作。

    解決方法：為防止該類情況誤動(dòng)作發(fā)生, 應(yīng)將探測裝置的脫扣時(shí)間增大。

    ③ 負(fù)載側(cè)正常剩余電流超過探測器動(dòng)作電流設(shè)定值。

    解決方法：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，正確設(shè)置動(dòng)作電流大小。

    動(dòng)作電流值的確定，往往要根據(jù)現(xiàn)場回路后負(fù)載的正常剩余電流的值來確定。實(shí)際應(yīng)用的電力系統(tǒng)，不同回路的正常剩余電流往往是不同的。例如，探測器動(dòng)作電流值設(shè)定為100mA，一般像臺(tái)式計(jì)算機(jī)正常的剩余電流為3～4mA,如果后面接幾十臺(tái)計(jì)算機(jī),并帶有其他一些設(shè)備，則有可能引發(fā)誤動(dòng)作，所以可使用增大動(dòng)作電流值的辦法解決該類問題。

    ④分級(jí)保護(hù)應(yīng)用原則。系統(tǒng)應(yīng)用中常有分級(jí)保護(hù)，常見2～3級(jí)，上下級(jí)的選擇性原則：

    動(dòng)作電流方面，上級(jí)設(shè)備的設(shè)置必須最少是下級(jí)設(shè)備的兩倍；

    脫扣時(shí)間方面，上級(jí)設(shè)備的延遲時(shí)間應(yīng)大于下一級(jí)剩余電流保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間，且動(dòng)作時(shí)間差不得小于0.2s。

    3）裝置使用不當(dāng)造成的誤動(dòng)作或不動(dòng)作

    使用ARCM200/300探測器時(shí)，剩余電流互感器型號(hào)選擇不正確或調(diào)換使用其他廠家生產(chǎn)的互感器，溫度傳感器，可能會(huì)造成探測器誤動(dòng)作或不動(dòng)作，甚至裝置儀器的損壞。

    信號(hào)線接入必須嚴(yán)格按照探測器接線圖接線，否則會(huì)造成裝置不能工作。剩余電流互感器安裝固定必須牢固可靠，互感器信號(hào)需使用屏蔽雙絞線，傳輸長度不能超過3m。

    七、結(jié)束語

    上海安科瑞股份有限公司的ARCM200/300可以實(shí)時(shí)監(jiān)測配電系統(tǒng)剩余電流，溫度等信息，通過ModBus總線組建電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時(shí)、可靠地給海心沙場館運(yùn)行維護(hù)工程師提供準(zhǔn)確信息，杜絕電氣火災(zāi)的發(fā)生，為亞運(yùn)保駕護(hù)航。<