ARCM系列電氣火災監(jiān)控探測器的設計和應用

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：本文對電氣火災的產(chǎn)生原因進行了分析，列出了電氣火災監(jiān)控防范的相關標準。簡述了ARCM200剩余電流式電氣火災探測器的設計原理以及該產(chǎn)品在2010年廣州亞運會海心沙項目系統(tǒng)中的實際應用。并分析了電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應用中應注意的問題。
關鍵字：剩余電流；電氣火災監(jiān)控探測器；亞運會

　　近年來，我國國民經(jīng)濟的高速增長，各行業(yè)用電量的大幅度增加，同時伴隨著電氣火災也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。而接地故障火災是zui常見的多發(fā)電氣火災。為避免接地故障引發(fā)的火災，在建筑電氣中已開始廣泛使用電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)能準確監(jiān)測電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能發(fā)現(xiàn)電氣火災的火災隱患，及時報警提醒工作人員去這些隱患。 國家也頒布了相應的標準來規(guī)范電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，例如《建筑設計防火規(guī)范》GB50016-2006，《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045-2005，《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)》GB 14287等。本文介紹了ARCM系列電氣火災監(jiān)控探測器的設計原理，及在廣州亞運會海心沙場館中實際應用。

一、電氣火災分析
　　電氣火災的發(fā)生有以下原因：電火花與電??；電氣設備或電氣線路上產(chǎn)生高溫導致；由于線路端子導線與端子接觸不良產(chǎn)生的危險高溫。
　　數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)電氣火災的引發(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，導致絕緣性能降低，從而在帶電導線和大地、電氣設備金屬外殼間產(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)，放電電弧達到一定程度時（幾百毫安的剩余電流電弧產(chǎn)生的局部高溫可達2000℃以上），高溫引燃周圍的可燃物而引起火災。而配電系統(tǒng)中的電流保護器在微弱的放電打火過程中無法動作，而發(fā)生動作切斷電源時火災已經(jīng)發(fā)生，未能在火災發(fā)生前及時切斷。
　　這類電氣火災的引發(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，來實時地監(jiān)測配電系統(tǒng)的絕緣情況，繼而實現(xiàn)該類電氣火災的提前預警，達到火災隱患的目的。

二、原理描述
　　電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)中主要的元件為剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器。探測器通過剩余電流互感器實現(xiàn)對剩余電流信號的檢測，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等于流回的電流，其相量形式如下：

　　
　　在圖1 中，將三相導線及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,探測器可通過預先設定的程序發(fā)出各種指令,或切斷電源,或發(fā)出報警信號等。

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探測器產(chǎn)品采用32位MCU實現(xiàn)，功能主要包括多路剩余電流和溫度測量、報警、顯示、存儲、人機交互和通訊等?；竟ぷ髟砣缦拢?/p>

圖2　硬件設計原理框圖

　　剩余電流互感器將感應出來的信號傳輸?shù)绞Ｓ嚯娏鞑杉K，經(jīng)過信號的轉(zhuǎn)換濾波后MCU利用片內(nèi)AD模塊對各個通道的信號量進行AD采樣，并進行相應的數(shù)學運算，完成信號的測量，再按設置的保護參數(shù)，進行報警保護處理。同時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)計算\存儲、外部通訊、鍵盤菜單操作、繼電器開關動作、蜂鳴器報警等工作。

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，經(jīng)放大、AC/DC變換、A/D變換、CPU處理后，送往報警器、顯示器、信號輸出。該方法中，實現(xiàn)對剩余電流的測量需要經(jīng)過放大器，AC/DC變換，zui后才到A/D采樣測量，轉(zhuǎn)換復雜，增加了故障節(jié)點，同時也增加了成本。
　　ARCM200/300探測器，采用交流采樣技術，直接對互感器過來的剩余電流信號采樣，保持信號的真實性。通過MCU對數(shù)據(jù)進行計算處理，從而達到測量剩余電流信號的目的，并通過特定程序算法，保證了探測器及時、準確和可靠進行報警保護。其運用的主要技術手段如下：
　　1）頻率濾波
　　現(xiàn)代用電設備中變頻器及非線性負載越來越多，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到幾十到幾百毫安。IEC60479標準中說明了在50/60HZ時的保護zui為關鍵。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電流引起的誤動。
　　ARCM200/300中利用數(shù)字信號處理技術中的數(shù)字濾波技術，將采樣得到的一系列數(shù)據(jù)進行濾波計算處理，達到濾除信號中高頻部分的目的。
　　2）測量真值（方均根值）。
　　在考慮頻率濾波的情況下，可準確測量剩余電流信號的RMS真值，使動作的判據(jù)更加準確，減少不正常的拒報警。

四、實現(xiàn)功能及性能：
　　ARCM200/300實現(xiàn)了以下功能：
　　1）剩余電流/溫度測量?？梢詫崿F(xiàn)同時監(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，精度可達到1級，溫度測量范圍可從-10℃ 到 120℃之間，精度±1℃。
　　2）可編程報警設置。動作電流和動作延時可靈活調(diào)整，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實際情況進行參數(shù)設定。并能夠非常容易的適用于分級保護的場合。報警功能的一些說明：
　　額定動作電流值I△n設定范圍：20～1000mA,也可設為OFF，以關閉剩余電流保護 ；預警電流為＞0.8I△n，報警動作電流為＞0.95I△n；
　　溫度報警設定范圍：50℃～120℃，也可設為OFF，以關閉溫度通道保護；
　　動作時間可設定范圍：0.1S～60.0S 。
　　3）事件記錄?？捎涗泎ui近10條事件記錄，發(fā)生報警時記錄的報警發(fā)生的事件類型、事件通道、報警設定值、報警實際值及報警時間。
　　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，組建電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。

五、應用案例
　　廣州亞運會開、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，綠地率達到65%，可容納2萬名觀眾。海心沙廣場將成為廣州市zui大的公眾廣場和廣州市未來城市慶典活動中心。

圖3　海心沙場館外觀圖

　　海心沙場館內(nèi)配電系統(tǒng)共有兩個一級高壓房、四個二級高壓房及專變房、五個低壓配電房共同組成。在一級、二級高壓房內(nèi)使用的電能儀表為安科瑞公司的ACR220ELH型號諧波表。在低壓配電房內(nèi)使用ACR320EL/ACR220EL網(wǎng)絡多功能儀表。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探測器。ARCM200/300在亞運會項目中一舉包攬了海心沙場館內(nèi)5個低壓變電房的所有剩余電流式火災探測器，共545個。ARCM200和ARCM300安裝方式分別為嵌入式面板安裝和導軌式安裝；剩余電流互感器安裝于配電柜內(nèi)，各個回路電纜的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)場應用圖

　　在這個項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)絡結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場設備層——網(wǎng)絡通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場智能設備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器轉(zhuǎn)換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交換，zui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，并進行實時監(jiān)測。

圖5　系統(tǒng)一次圖

六、常見故障分析
　　1）接線錯誤引發(fā)的誤動作或拒動作
　　ARCM200/300主要應用于0.4kV TT 和 TN-S ，TN-C-S交流系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)有一點直接接地,系統(tǒng)中性線（N線）和保護線（PE線）分開，且N線不能重復接地。
　　該類產(chǎn)品裝置的接線正確，接線錯誤可能導致裝置報警誤動作，也可能導致拒動作。接線前應分清電網(wǎng)系統(tǒng)中的相線、N線、PE線。相線及N線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，接通負載時，也會造成誤動作。
　　很多項目中，在系統(tǒng)試運行時出現(xiàn)剩余電流值過大而出現(xiàn)報警，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，會造成探測器拒動作。
　　解決方法：排查互感器下方接線錯誤情況，查看系統(tǒng)中PE線與N線是否嚴格區(qū)分開來。
　　2）由于接線問題以外引發(fā)的動作
　?、俳^緣惡化。線路對地絕緣被破壞，導致有剩余電流產(chǎn)生超過報警閾值，探測器報警。
　　解決方法：該類情況，確實有隱患存在，應當盡快檢修故障線路，防患于“未燃”。
　?、诖笮驮O備啟動。大型設備啟動瞬時，存在對地泄漏電流，引起裝置報警動作。
　　解決方法：為防止該類情況誤動作發(fā)生, 應將探測裝置的脫扣時間增大。
　?、?nbsp;負載側(cè)正常剩余電流超過探測器動作電流設定值。
　　解決方法：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，正確設置動作電流大小。
　　動作電流值的確定，往往要根據(jù)現(xiàn)場回路后負載的正常剩余電流的值來確定。實際應用的電力系統(tǒng)，不同回路的正常剩余電流往往是不同的。例如，探測器動作電流值設定為100mA，一般像臺式計算機正常的剩余電流為3～4mA,如果后面接幾十臺計算機,并帶有其他一些設備，則有可能引發(fā)誤動作，所以可使用增大動作電流值的辦法解決該類問題。
　　④分級保護應用原則。系統(tǒng)應用中常有分級保護，常見2～3級，上下級的選擇性原則：
　　動作電流方面，上級設備的設置zui少是下級設備的兩倍；
　　脫扣時間方面，上級設備的延遲時間應大于下一級剩余電流保護裝置的動作時間，且動作時間差不得小于0.2s。
　　3）裝置使用不當造成的誤動作或不動作
　　使用ARCM200/300探測器時，剩余電流互感器型號選擇不正確或調(diào)換使用其他廠家生產(chǎn)的互感器，溫度傳感器，可能會造成探測器誤動作或不動作，甚至裝置儀器的損壞。
　　信號線接入嚴格按照探測器接線圖接線，否則會造成裝置不能工作。剩余電流互感器安裝固定牢固可靠，互感器信號需使用屏蔽雙絞線，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可以實時監(jiān)測配電系統(tǒng)剩余電流，溫度等信息，通過ModBus總線組建電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時、可靠地給海心沙場館運行維護工程師提供準確信息，杜絕電氣火災的發(fā)生，為亞運保駕護航。

　　文章來源于：《電氣時代》2011年1期。

參考文獻
[1] GB14287—2005，電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)[S]
[2] GB13955—2005，剩余電流動作保護裝置安裝和運行[S]
[3] GB50045-95（2005版），高層民用建筑設計防火規(guī)范[S]
[4] GB50026-2006，建筑設計防火規(guī)范[S]

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