一种新型的电气火灾监控报警系统应用探讨

摘要：电气设计时电源总进线处开关的剩余电流设定值较大，产生少量漏电时供电开关难以动作;而电路中绝缘破损有接地故障时产生的电弧限制了故障电流，使漏电保护器不能动作，但其产生的高温易引起电气火灾,类似的情况下就需要进行泄漏电流的监测和报警。电气火灾监控报警系统能实时监测回路的剩余电流值、箱体的温度，当电流值越限、温度超标时，系统能实现声光报警，并与消防火灾报警系统实现联动。

引言

据《中国火灾统计年鉴》显示，近十年的火灾事故中，电气火灾所占比例在30%以上，且呈逐年上升的趋势，已成为火灾的主要致灾因素，引起巨大的人财物损失。电气火灾产生的主要原因有短路、过载、接触电阻过大、静电等[1]，其中接地性电弧短路是最危险也多发的电气火灾成因，主要是由于故障点接触不良，未被熔融而迸发出电或者电火花。而且发生电弧性短路的故障点阻抗较大，它的短路电流并不大(略大于300mA的电流即可产生电弧)，正常电路中设置的断路器难以动作，而且线路电压低至20V时电弧依然稳定存在，致使电弧难以熄灭。此类电弧温度高达2000-3000度以上，极易引燃周围的可燃物体[2]，因此接地性电弧短路是导致电气火灾最难以防范的原因之一。另外，在电源的总进线处和不允许断电的电气设备，如消防水泵回路和公共场所的疏散照明、消防报警回路的电源等，设计时不设漏电保护开关或者漏电保护开关动作的设定值比较大，产生少量漏电时漏电保护器难以动作，也容易造成触电危险或者火灾危险。这些地方都需要设计电气火灾监控系统，当电流值越限、温度超标时，系统能实现声光报警，并与消防火灾报警系统联动，通知管理人员进行处理。

1 电气火灾监控系统设置原理

电气火灾监控系统EFPS(Electric Fire Prevention System)主要是监测供电线路的剩余电流，依据基尔霍夫电流定律(Kirhhoff's Current Law)进行测量：在同一时刻，电路中流入和流出同一个节点的电流矢量和为零

Ir=IrA+IrB+IrC+IrN=0

以TN-S系统为例，将A/B/C/N同时穿过剩余电流互感器，在设备与线路无任何漏电的理想情况下，从正方向进入和负方向流出剩余电流互感器的电流矢量和为零，此时，剩余电流互感器感应出的二次电流也为0。

当某相发生接地故障时，其对大地发生漏电，此时流入和流出剩余电流互感器的电流矢量和不再为零，大小等于从大地流走的电流即漏电电流。此漏电电流使剩余电流互感器的环形铁芯中产生磁通，其二次侧感应产生电流，该电流与一次侧各相漏电流的矢量和成正比，经过放大处理可视为一次侧各相漏电流的矢量和。在三相电路中，零序剩余电流包括三种成分：三相不平衡电流、分布性电容电流和泄漏电流组成的正常漏电流、故障性漏电流即绝缘击穿后漏电流。 Ir=Iilce+Irb+Ibrce，其中：Iilce固有对地漏电电流;Irb开关后对地漏电流;Ibrce突发性漏电流。



2 电气火灾监控报警系统组成

电气监控报警系统EFPS(Electric Fire Prevention System)系统主要由监控管理层(监控主机IPC和电气火灾监控设备ACDP)、现场探测层(电气火灾探测器RTCM和TS温度探测器)和系统辅助设备(区域监控单元ACDU和协议转换模块PTM)组成，通过工业以太网和RS485总线连接在一起。系统应具有超早期、高智能、小型化、高可靠性和简单实用的特点[3] 。当线路中的漏电电流超过报警设定值时，监控主机发出声光报警信号并指出报警位置[4]，提醒管理人员及时去现场查看确认。同时系统主机将上传数据通过图形、报表、事件记录等形式反映整个系统的运行状态。

2.1 现场探测层

现场探测层主要分为火灾探测器(RTCM)和温度探测器(TS)。电气火灾探测器(RTCM)通过零序互感器负责监测各个回路的剩余电流和温度等电气火灾危险参数，负责监测和实时显示各个回路的剩余电流值，并将剩余电流值的数据传输至系统主机，同时能够设置剩余电流报警限值。同时，可设定地址编码，帮助管理人员精确定位故障位置。针对电弧发出的高温以及配电柜内温度的测量，电气火灾监控系统还可以进行温度监测，主要采用接触式温度探测器或者辐射式温度探测器。



2.2 系统辅助设备

系统辅助设备主要指区域监控单元(ACDU)和协议转换模块(PTM)，区域监控单元(ACDU)可实时存储故障及报警信息，并可对下级火灾探测器的剩余电流报警值和温度报警值等参数进行设定，还可以显示相应的火灾探测器的信息。协议转换模块PTM是Modbus总线和工业以太网之间的桥梁，传输数据时采用了数据压缩技术，有效地解决了数据传输中通信距离和通信速度的悖论问题，在系统容量达到最大时也可以保证数据采集的实时性[5] ，它把基于RS485总线的Modbus RTU 信号转换成基于工业以太网的UDP/IP信号，再传输给监控主机IPC进行处理，也可将监控主机IPC的输出信号转换后传输给火灾探测器[6] 。
                                
2.3 监控管理层

监控主机IPC能显示当前系统中所有的探测器状态，自动显示报警提示信息窗口，提醒并指示报警的具体位置和回路编号。操作人员能发出控制信号，实现远程控制，并自动保存报警及故障事件和操作记录，方便管理人员查询，系统组成如图1。

中国石油大学(华东)工科实验楼E座(如图2)项目是我校实验室的聚集平台，设备众多，用电负荷非常大，专门在其地下室配备了一个配电站，楼上配电柜和配电箱数量很多，根据规范要求配置了电气火灾监控系统。在配电室内设置了温度监测装置，在主要的配电柜内安装了电气火灾探测器(RTCM)，划分了地下室、裙楼和主楼三个区域，使用了3个ACDU区域监控单元，经过PTM协议转换模块连成一体，在消防控制中心设有监控主机，实施远程控制，并与消防控制中心联动。经过一年多的运行，其质量可靠，及时发现了多起剩余电流过大的事故。

系统设备的测试：为了检测系统的动作可靠性和准确性，我们现场制作了带可调电阻和电流表的电灯回路来进行检测。将火线串入电气火灾探测器(RTCM)而零线不串入，调节可调电阻大小电灯亮度随之改变，电流表显示通过电流即漏电电流的大小。通过电流表的读数即可判断出电气火灾探测器的灵敏度和可靠性，通过现场试验验证了该系统性能可靠，反应灵敏。