电气火灾监测系统在地铁车站应用的研究

刘丽萍

(广州地铁设计研究院有限公司,510010,广州∥工程师)

据消防局《中国火灾统计年鉴》的统计,我国电气事故引起的火灾约占火灾总数的30%,在所有火灾起因中占首位。如何对电气火灾进行有效的防范,已成为国家相关部门越来越重视的问题。

电气火灾监测系统属于先期预报警系统,是针对火灾的早期预防,为消除火灾隐患而设置的。国家有关部门相继制订或修改了有关标准规范,对建筑中设置电气火灾监测系统提出了更明确的要求。但是,目前该系统尚未在国内各城市地铁中应用实施。地铁在新线建设中是否可考虑设置该系统,如何设置。本文对此进行了研究。

1 背景

1.1 电气火灾介绍

电气火灾主要是由泄漏电流、相间短路、元件或电缆超负荷等这三大原因引起的。

相间短路、元件或电缆的超负荷,最终将会反映到导体发热,致使导体温度升高,最终达到着火点后起火;电流泄漏故障一般由绝缘受损、环境潮湿等引起,当线路上产生的泄漏电流(或称“剩余电流”)达到300～500 mA时,破损处将和邻近的接地导体产生火花放电现象,从而引燃周围的可燃物,造成火灾事故。即使周围没有易燃物,泄漏电流产生的火花放电可以加速绝缘的受损面积,使得受损点周围的绝缘层迅速炭化,变为易燃物体而被点燃起火。因此,对泄漏电流和温度非正常升高情况进行监视、早期预防,就可以有效避免电气火灾的发生。

1.2 有关规范的相关要求

1)国内有关标准和规范对电气火灾监测系统的要求已日渐明确,均建议采用。JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》同旧版相比,增加的相关一节指出:“除住宅外,火灾自动报警系统保护对象分级为一级的建筑物配电线路宜设置此系统。”GB 50016—2006《建筑设计防火规范》,在 11.2.7条里规定:“下列场所宜设置剩余电流动作电气火灾监测系统。这些场所包括各种类型的影剧院、馆所、仓库、住宅小区、医院、商店、学校等。”GB 50045—2005《高层民用建筑设计防火规范》的条文调整后,将剩余电流火灾报警系统也正式纳入了电气防火的范畴,在其条文9.5.1里规定:“高层建筑内火灾危险性大、人员密集等场所宜设置漏电火灾报警系统。”

2)发达国家早已广泛应用此系统来防范接地电弧火灾。例如:日本标准《内线规程》第19021条就规定建筑面积150 m2以上的旅馆、饭店、公寓、集体宿舍、住宅等建筑物的电源进线处都必须安装作用于报警的剩余电流保护装置[1];国际电工标准IEC 364—4—48.2和 IEC 364—5—53对装用剩余电流保护装置也都有明确的具体要求。

1.3 地铁车站配电系统现状

地铁车站根据负荷的重要性不同将电力负荷分为三级,对于不同类型的负荷也采用不同的配电形式。为保证高可靠性,配电形式多为放射式配电。

1)一般动力照明负荷设置就地电源箱,由变电所放射式配电;

2)各类风机、空调器等环控设备,由变电所馈出总电源输给环控电控柜,再由环控电控柜统一放射式配电至设备;

3)冷水水泵、冷却塔等冷水系统的制冷设备由变电所馈出总电源输给冷水机房电控柜,再由冷水机房电控柜统一配电至设备。

由于以放射式配电为主,其电缆数量较多,并广泛分布于管井、走廊、设备机房等各处,众多电源箱也遍布地下各个设备房内。由于环境潮湿,部分设备、管线的位置又较隐蔽,难以检修,故很容易产生故障隐患。有效的办法应该是:针对恶劣环境、内部故障隐患难以发现的就地电源箱、长距离缆线等相对薄弱的环节,进行电气火灾监测保护,出现问题时使维护人员能够准确定位故障所在处,及时清除火灾隐患。

2 电气火灾监测系统的方案介绍

2.1 产品原理与组成

目前,对电气火灾早期判断的技术主要是以剩余电流(即泄漏电流)和温度探测为主要的监测依据。现以此为基础进行研究。

2.1.1 电气火灾报警系统的系统构成

电气火灾监测系统一般由剩余电流检测元件、温度探测器、现场处理设备和集中监测(控)设备等组成(如图1所示)。

图1 电气火灾监测系统的构成框图

2.1.2 剩余电流检测器与温度探测器

剩余电流检测器的工作原理是基于基尔霍夫电流定律,即电路内任意点的电流矢量和等于零。检测剩余电流时,让三相导线和中性线穿过一个电流互感器。当未发生接地故障时,无论三相负荷是否平衡,电流矢量和均为零;当发生接地故障时,故障电流会经过故障点流入大地,使电流互感器中电流矢量和不为零,此电流值即为剩余电流值。低压配电系统的接地形式决定了剩余电流检测元件是否能正常工作[2]。地铁车站中一般采用的是TN-S接地系统。图2为此系统的剩余电流检测示意图。TNS接地系统的剩余电流检测器的额定值在 30～1 000 mA连续可调。温度探测是由固定在母线、电缆接头处的温度传感器实现,可分为内置或外置式,温度在55℃～140℃时连续可调。

图2 TN-S接地系统剩余电流检测示意图

2.1.3 现场处理设备

现场处理设备接收剩余电流检测元件及温度探测器的信号,对信号进行放大、变换、分析、比较等处理后,一方面传输至现场报警显示模块,用于现场报警指示,另一方面传输至剩余电流火灾报警系统的集中监测设备。目前,部分产品已能将剩余电流检测器与现场处理设备合为一体设置,更便于工程实施与运营维护。

2.1.4 集中监测设备

集中监测设备通过总线实时收集各个现场处理设备的信号,对信号进行比较、分类等处理后,将相应信息送往报警、显示、控制信号输出、存储、打印等设备,实现集中显示、控制、记录等功能。集中监测设备可以分为监测单元与监测主机两种。监测单元主要用于有限数量、有限距离的少量探测器的连接与管理,适用于小型系统;监测主机则具有更强大的处理功能,可通过监测单元连接更多探测器,适用于中大型系统,并具备人性化管理软件及打印、拷贝等功能,能够储存12个月的报警信息记录,便于站级管理。

2.2 电气火灾监测系统方案

国际电工标准IEC 1200253[3]例举了图3所示的两个建筑物内剩余电流探测器的装用方案。图3(a)为二级探测器的方案。二级探测器动作时都用于切断电源,适用于无电气人员管理的小型建筑物。图3(b)为三级探测器的方案。其第三级,也即电源进线处一级的动作电流为1 A,延时可为1 s,一般动作时用于报警,以避免切断电源引起大面积停电,适用于有电气人员管理的大型建筑物。

图3 剩余电流探测器设置示意

结合地铁车站配电系统的特点,应考虑设置保护较为全面的三级探测器方案,同时考虑对地铁运营保障的需求,探测器发现故障后仅报警而不动作。为节省投资,二、三级探测器可根据需要而有选择性地设置,主要考虑的保护对象是处在环境相对恶劣的中长距离缆线及节点较多且长期满载运行的配电箱。对电气火灾监测系统的具体设置建议如下。

2.2.1 探测器的设置

1)在变电所0.4 kV总进线处设置第一级剩余电流探测器,配置4组温度探测器,对全部低压系统实现总保护。

2)在变电所0.4 k V常用重要回路馈线处设置第二级剩余电流探测器,配置1组温度探测器,对变电所馈出线电缆进行保护。

3)在各长期满载运行负荷的配电箱总进线处可选择设置加强的第三级剩余电流探测器,配置1组温度探测器,对电源箱及其馈出线路进行保护。

4)对环控电控柜风机馈线回路、冷水电控柜部分馈线回路设置第三级剩余电流探测器,配置1组温度探测器,对电控柜馈出线路进行保护。

探测器的监测对象如表1所示。

表1 探测器的监测对象表

根据有关规定,剩余电流保护装置的额定剩余不动作电流应不小于被保护电气线路和设备的正常运行时泄漏电流最大值的2倍。一般第二级剩余电流阙值在200～400 mA,第一级剩余电流阙值在400～800 mA范围内,可以根据被保护线路及设备的实际情况进行调整。当剩余电流超过额定值时,输出报警信号至上级监测系统并指示报警部位,提醒安全防护中心人员及时检查报警的配电线路。三级剩余探测器之间在额定电流值与时间上相互配合,可以保证上下级保护范围的选择性。

2.2.2 监测设备的设置

1)根据设备数量与距离情况,在车站每端1～6处设置监测单元,实现本区域探测器的参数设置与信息传输。

2)每个车站集中设置监测主机1处,连接所有监测单元,实现对本站所有监测探测器的各种管理功能,并通过上层监测系统将相关信息上传控制中心。

2.3 电气火灾监测系统产品的选型

目前国内电气火灾监测系统各种产品的区别主要在监测探测器上。监测探测器的结构类型主要有多功能漏电开关型、分离型和组合型等三种。另外根据其使用原理,又可分为剩余电流探测器和电弧探测器。

2.3.1 多功能漏电开关型探测器

该型监测探测器的特点是:除了自身应有的剩余电流探测、温度探测、报警功能外,又扩展了多项功能,如过电流、过电压、延时送电、防雷、欠压、组网实现远程集中监测等功能。这是一种包含主回路用电开关功能的多功能式漏电开关产品。

该类型产品的优点是:保护功能多,内置电流互感器、剩余电流互感器(包括温度传感器),接线少,整体度高;而由此产生的缺点是结构复杂、故障率偏高,特别是信号的监测、探测、分析、处理、报警、通信、联动接口等电路与ABC三相主电(或单相)回路的间隔距离太近,易遭受强电磁场的干扰,降低了产品性能的稳定可靠性。

2.3.2 分离型探测器

此种类型的探测器是把集中监测设备与探测器(包括终端探测头剩余电流互感器、温度传感器)分离配置。

通过探测器采样配电柜(箱)内导电母线中的电流和漏电流信号,经内置单片机系统分析处理后,应用总线通信约定,上报集中监测设备。这种分离型探测器分工明确、结构简单、成本少、故障率偏低,不含电源控制开关,不串入配电系统,只通过剩余电流互感器(或测温探头)取样信号,其性能稳定可靠;不足之处是探测器仅采集数据,无显示、设置参数等功能,有些产品甚至在监测探测器与终端探测头之间也需要敷设信号线及2芯脱扣控制线。

2.3.3 组合型探测器

组合型探测器是在普通探测器上增加了集中监测设备的部分功能。它与分离型相比,不仅能满足对泄漏电流与非正常温升的监测,探测器本身还可以实现数据处理功能,并通过设备自带的液晶屏实现测量结果的显示和参数的设置等功能。

组合型探测器的优点是末端探测器更易于维护人员的操作与设置,缺点是造价较高。

2.3.4 电弧式探测器

电弧是导致电气火灾最直接的原因。当线路绝缘老化、过负荷、接触不良而出现电弧,但泄漏电流不是很大还没达到设定值时,泄漏电流探测器可能无法动作报警,此时电弧探测器就可以起到很好的保护作用。其原理是:短路时,电弧的弧声、电流、弧光都有较大变化,尤其是弧声更有超前变化的特征(详见图4)。电弧式探测器采用Duffing振子数字模型技术,能精确描述弧声的特征,判断电弧的产生,预报火灾的发生。这种探测器的优点是可以覆盖泄漏电流的保护死角,缺点是目前国内生产厂家较少、应用尚不广泛。

图4 短路时电弧的弧声、弧光、电流波形图

综上所述,为保证电气火灾监测系统的可靠性,建议其探测器选用可靠、成熟的分离型探测器或组合型探测器。

2.4 投资分析

不同电气火灾监测系统的性能与造价比较见表2。

表2 采用分离型探测器与组合型探测器的电气火灾监测系统的对比分析

3 结语

地铁车站低压供配电系统的特点为结构繁杂、节点分散、隐患不易察觉(多为设备内部故障)。这是运营人员维护的难点所在,即使知道有故障隐患,排查工作量也相当大。设置电气火灾监测系统可以对消除线路、配电箱处因短路、绝缘破损等引起的火灾隐患起到有效的作用,同时也提高了对低压配电系统管理维护自动化的程度。所以,有条件时应在地铁车站中设置电气火灾监测系统。

[1]王厚余.电气火灾防范对建筑物电气装置设计安装和检验的要求[J].消防技术与产品信息,2003,9(9):19.

[2]吴桂清,黄璐,戴瑜兴,等.剩余电流火灾报警系统的设计原理及应用[J].低压电器,2008,2(2):12.

[3]IEC1200253开关和控制设备的选用和安装[S].

[4]宁卫国,李晓晖.漏电火灾报警系统的设计与安装[J].消防技术与产品信息,2006,8(8):8.