吴春红
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定
摘要：本文简述了电气火灾监控系统的组成原理，分析了电气火灾监控系统在应用中的设计依据和相关规范。最后通过安科瑞剩余电流式电气火灾监控系统在邹城市体育中心项目的实例介绍，阐述了电气火灾监控系统功能的实现及其重要意义。
关键词： 电气火灾；监控系统；Acrel-6000/B；邹城市体育中心
0 前言
电气火灾一般是指由于电气线路、用电设备及供配电设备出现故障性释放的热能，如高温、电弧、电火花以及非故障性释放的能量;如电热器具的炽热表面，在具备燃烧条件下引燃本体或其它可燃物而造成的火灾，也包括由雷电和静电引起的火灾。电气火灾主要包括以下四个方面：漏电火灾，短路火灾，过负荷火灾，接触电阻过大火灾。
公安部消防局《中国火灾统计年鉴》显示：2010年火灾事故中，电气火灾居首位，且所占比例呈上升趋势，造成的损失十分惨重。事实上，电气火灾已成为消防安全的主要致灾因素，不仅次数多、损失大，而且多年来一直居高不下。
电气火灾事故所占比例逐年增高，令人堪忧。对于严峻的电气火灾形势，早期预测、预警、预报则成消防工作的重中之重，从源头上杜绝电气火灾的发生成了关注的焦点。预防和有效遏制电气火灾的任务已经迫在眉睫。国家有关部门相继制订或修改了有关标准规范，要求在建筑中设置电气火灾监控报警系统。
1 参考标准
近年来，国家为了加大电气火灾监控防范的力度，相继制订或修改了一批相关标准规范，加强对电气火灾的预防。主要有：
1.1是GB50045-95(2005版)《高层民用建筑设计防火规范》，其中在条文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。
1.2是GB50016-2006《建筑设计防火规范》，在条文11.2.7里规定: 下列场所宜设置剩余电流动作电气火灾监控系统。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、学校等等。
1.3国家标准《建筑电气火灾预防要求和检测方法》有关条文也明确要求“应在电源进线端设置自动切断电源或报警的剩余电流动作保护器”。
1.4电气火灾监控系统的产品应满足:GB14287.1-2005《电气火灾监控设备》、 GB14287.2-2005《剩余电流式电气火灾监控探测器》、GB14287.3-2005《测温式电气火灾监控探测器》
1.5电气火灾监控系统的安装和运行应满足GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》
1.6电气火灾监控系统的供电应满足GB50052《供配电系统设计规范》的要求
1.7电气火灾监控系统的设计应满足《电气火灾监控系统的设计方法》的要求(暂行规定)
2 系统组成
根据国家标准GB14287-2005《电气火灾监控系统》以及相关规范《电气火灾监控系统的设计方法》(暂行规定)，则电气火灾监控系统的基本组成应包括：电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器等三个最基本产品种类所组成。
2.1 剩余电流式电气火灾监控探测器又由监控探测器和剩余电流互感器(分对插式、闭合式两种)所组成；测温式电气火灾监控探测器由监控探测器和测温传感器所组成。
2.2 剩余电流式电气火灾监控系统采用分层分布式结构，由站控管理层、网络通讯层和现场设备层组成。各电气火灾监控探测器通过屏蔽双绞线RS485接口，采用MODBUS通讯协议总线型连接通过屏蔽双绞线直接接入电气火灾监控主机。
2.2.1现场设备层主要是连接网络中用于电参量采集测量的各类型的仪表和保护装置等，也是构建该监控系统必要的基本组成元素。不仅肩负着采集数据的重任，同时也是执行后台控制命令的终端元件。
2.2.2通讯控制层主要是由通讯服务器、接口转换器件及总线网络等组成。该层是数据信息交换的桥梁，不同的接口转换器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太网等各种接口，组网方式灵活，支持点对点的通讯、现场总线网络、以太网等类型的组态网络。通讯服务器主要用于直接对现场仪器仪表转达上位机的各种控制命令，并负责对现场仪器仪表回送的数据信息进行采集、分类和存储等工作，如电压/电流等电参量、输入开关量状态、修改仪表内部参数或各种控制继电器断开/闭合的操作命令等；微机保护装置主要是为保证上位机的正常工作，避免网络中不稳定信号对其造成的干扰或破坏；接口转换器件则是由于现场仪表或其它系列的装置与上位机的通讯接口存在差异，需要进行转换方可进行数据交换。
2.2.3管理测控层是针对监控网络的管理人员，该层直接面向用户。该层也是系统的最上层部分，主要是由电气火灾监控系统软件和必要的硬件设备如计算机、打印机、UPS等。其中软件部分具有良好的人机交互界面，通过数据传输协议读取前置机采集的现场各类数据信息，自动经过计算处理，以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况，并可接受管理人员的操作命令，实时发送并检测操作的执行状况，以保证供用电单位的正常工作。
3系统特点和工作原理
电气火灾监控系统的特点在于剩余电流电监控方面属于先期预报警系统。与传统火灾自动报警系统不同，电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失，而传统火灾自动报警系统是为了减少损失。所以，这就是说为什么不管是新建或是改建工程项目，尤其是已经安装了火灾自动报警系统的单位，仍需要安装电气火灾监控系统的根本原因。
电气火灾监控系统测量剩余电流和温度两个物理量。
剩余电流测量是根据基尔霍夫电流定律：在同一时刻，电路中流入和流出一个节点的电流矢量和为零。以TN-S系统为例，将A/B/C/N同时穿过剩余电流互感器，当系统未发生漏电时，流入和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，其大小等于从大地流走的电流即漏电流。此漏电信号通过剩余电流互感器的二次接线传输至电气火灾探测器，经运算放大、A/D转换后送入CPU，经过一系列算法后，对变化的幅值进行分析、判断，并与报警设定值进行比较，若超出定值则发出声光报警信号并上送至后台电气火灾监控设备。
温度测量采用温度传感器，一般采用Pt100传感器进行测量。该种类型的温度传感器测温稳定、量程范围大，适合在现场监测线缆温度和环境温度使用。当温度发生变化时，Pt100自身阻值发生同比例变化，将该电阻信号传输到电气火灾探测器，经过一系列信号转化和运算后，将最终结果同温度报警定值进行比较，若超出定值则发出声光报警信号并上送至后台电气火灾监控设备。
4 系统设计注意事项和方法
4.1 电气火灾监控系统主要监测剩余电流和温度两类对象，在设计时应注意的基本要点
4.1.1关于剩余电流
由于剩余电流监测的原理采用了基尔霍夫电流定律，所以，对所应用的低压配电系统形式有一定要求。目前，可以应用剩余电流互感器的低压配电系统有：TT系统，IT系统，TN-S系统，不能使用在TN-C系统中。对将要设计安装电气火灾监控系统的用户，不管是新工程或旧工程改造项目，首先要调查核实该用户低压配电系统的系统接地形式是什么，否则，设计安装剩余电流互感器的点位进行检测是根本无法施行的。
关于AC220V单相供电系统，剩余电流互感器只要套住L/N两根电源线即可，但要求中性线N此后不容许再接地。对于AC380V三相供电系统，由于有三相三线制、三相四线制、三相五线制等使用状况，则根据具体情况将剩余电流互感器同时套住A/B/C三相电源线，或同时套住A/B/C/N线。同理，要求中性线N此后不许再接地，保护线PE不得穿过互感器。
在系统接地的形式为TN-C型时工业自动化网，必须将其改造为TN-S型、TN-C-S型或局部TT型系统后，才可以安装剩余电流检测装置。
4.1.2关于温度
温度测量与系统接地的形式无关，主要考虑包括线缆在内的低压配电装置中关键部位的温度，一般在二级保护的线路中应用。温度探头Pt100可采用接触式布置法，当被检测对象为绝缘体时，宜将探测器的温度传感器直接设置在被探测对象的表面。当被检测对象为配电柜内部温度变化时，可采用非接触式布置，靠近发热部件。
4.2 系统设计中的点位分配
根据国家标准GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》4.4条中关于分级保护的规定，安装剩余电流火灾监控装置时，点位分配原则的步骤是：
4.2.1研究分析被控低压AC380V/220V配电线路的相关图纸，将建筑电气的分布情况调查核实，确定配电设备(如配电柜、箱、盘、电缆等重要设备)的位置，把每一个监控探测器分配到相应的配电设备上，以此来确定探测器的数量，避免重设浪费。
4.2.2确定分级保护。为了缩小发生人身电击事故和接地故障切断电源时引起的停电范围，通常在供电线路的不同地点安装三级(或两级)不同容量的剩余电流保护装置，以形成分级保护。根据用电负载及线路情况，一般分两级或三级保护，适用于城镇和农村第一级和第二级保护。
其中，重要线路应包括安防、消防、应急电源、通道照明线路及不容许停电的重要场所。
4.2.3二级保护中，所有开关处都要设置安装剩余电流火灾监控探测器，即在线路的电源端(第一级保护)和分支首端(第二级也称为末端保护)都要安装剩余电流探测器，并接入电气火灾监控系统，只作火灾监控报警用。
4.2.4三级保护中，第三级(即末端保护)开关处应设置剩余电流探测器及动作保护装置，但不接入电气火灾监控系统，为的是防止人身触电。
4.2.5温度检测是以配电设备异常时发热为基本原则而进行的。
1)变压器低压侧出线端子、变压器体温(风温、油温、水温)测试点、负荷开关触头。
2)各配电柜(箱)的进出母线接点、自动开关(断路器、刀开关)触头、大电流导线集中部位、线缆驳接点。
3)母联柜主接点、刀开关触头。
4)补偿电容器接线端子、转换开关触头。
5)根据点位安装总数，再选择相应的壁挂、立式或琴台。
5 系统参数的配置
5.1 报警值设置范围
依据国家标准GB14287.2-2005中的规定，剩余电流式电气火灾监控探测器的报警值设置范围在20~1000mA之间。按此要求，一般把电源总进线处的剩余电流动作值定为400~800mA，电源分支线路上的剩余电流动作值定为100~400mA.一般在实际现场，设置剩余电流式电气火灾监控探测器的报警值，具体地说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，且不大于1000mA。电气火灾探测器的报警设定值应考虑配电系统及用电设备的正常泄漏电流。
5.2 关于电缆温升报警设定参考，根据《电力电缆设计规范》对电缆有关温度的规定
5.2.1 60℃以上高温场所应按经受高温及其持续时间和绝缘类型要求，选用耐热聚氯乙烯、交联聚乙烯或乙丙橡皮绝缘等耐热型电缆100℃以上高温环境宜选用矿物绝缘电缆。高温场所不宜选用普通聚氯乙烯绝缘电缆。
5.2.2电缆持续允许载流量的环境温度应按使用地区的气象温度多年平均值确定，并应符合规定。在户内电缆沟敷设时，环境温度为场所最热月的日最高温度平均值另加5℃.
5.2.3电缆所承受温升与敷设及散热条件有关。
6 系统设计实例
邹城市体育中心坐落在邹城市区北部，邹城岗山之阳，占地480亩，是山东重要的体育场馆之一。邹城市体育中心北部为体育广场，场内建有400米塑胶跑道及标准化足球场，西侧为罗马柱看台，南北两侧为欧式半圆形通透回廊，可容纳2万余人。邹城市体育中心南部为邹城体育馆，馆高3层，总面积1万多平方米，共设置3380个观众席，可进行多种体育项目训练、比赛，承接大型经贸、演出、集会等活动，是一座现代化、高档次、多功能场馆。东部为群众健身区、娱乐区，西部为体育训练区、游览观赏区。邹城市体育中心依山而建，总体布局错落有致，场馆与山体交相辉映，自然风光秀美，人文景观独特，建筑构建精巧，中心场馆壮观，是邹城重要的体育活动中心和标志性建筑。另外，还建设了与体育馆相配套的竞技训练馆一处。
邹城市体育中心电气火灾监控系统由电气火灾监控装置Acrel-6000/B、漏电火灾探测器ARCM300-J1、漏电流互感器AKH-0.66L组成。
Acrel-6000电气火灾监控系统是本公司自主研发的用于接收剩余电流式电气火灾探测器等现场设备信号，以实现对被保护电气线路的报警、监视、控制、管理的运行于计算机的工业级硬件/软件系统。本系统应用于大型商场、生活小区、生产基础、办公大楼、商场酒店等区域的消防控制中心，对分散在建筑内的探测器进行遥测、遥调、遥控、遥信，方便实现监控与管理。本系统采用标准的Modbus现场总线将具有通信功能的探测器相互连接起来，当现场保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号，能指示报警部位并保存报警信息。
临港百润时代广场现场共有ARCM300-J1剩余电流式火灾探测器43只，安装于楼层配电箱进线处。现场火灾探测器采用总线方式接至消控中心的Acrel-6000/B壁挂式电气火灾监控系统。本系统具有安装运输方便、性价比高、维护方便等优点。
1.电源：
① 额定工作电压AC220V（-15% ～ +10%）
② 备用电源：主电源欠压或停电时，维持监控设备工作时间 ≥4小时
2.工作制：
24小时工作制
3.通讯方式：
RS485总线通讯，Modbus-RTU通信协议，传输距离1km，可通过中继器延长通讯传输距离
4.监控容量：
① 监控设备最高可监控200个监控单元（探测器）
② 可配接ARCM系列监控探测器
5.监控报警项目：
① 剩余电流故障（漏电）：故障单元属性（部位、类型）
② 温度报警（超温）： 故障单元属性（部位、类型）
③ 电流故障（过流）： 故障单元属性（部位、类型）
监控报警响应时间： ≤30s
监控报警声压级（A计权）：≥70dB／1m
监控报警光显示：红色LED指示灯，红色光报警信号应保持，直至手动复位
监控报警声信号：可手动消除，当再次有报警信号输入时，能再次启动
6.故障报警项目：
① 监控设备与探测器之间的通讯连接线发生断路或短路
② 监控设备主电源欠压或断电
③ 给电池充电的充电器与电池之间的连接线发生断路或短路
故障报警响应时间：≤100s
监控报警声压级（A计权）：≥70dB／1m
监控报警光显示：黄色LED指示灯，黄色光报警信号应保持至故障排除
故障报警声信号：可手动消除，当再次有报警信号输入时，能再次启动
故障期间，非故障回路的正常工作不受影响
7.控制输出：
报警控制输出：1组常开无源触点，容量：AC250V 3A或DC30V 3A
8.自检项目：
① 指示灯检查：报警、故障、运行、主电源、备用电源指示灯
② 显示屏检查
③ 音响器件检查
自检耗时 ≤60s
9.事件记录：
① 记录内容：记录类型、发生时间、探测器编号、区域、故障描述，可存储记录不少于2万条
② 记录查询：根据记录的日期、类型等条件查询
10.操作分级：
① 日常值班级：实时状态监视、事件记录查询
② 监控操作级：实时状态监视、事件记录查询、探测器远程复位、设备自检
③ 系统管理级：实时状态监视、事件记录查询、探测器远程复位、设备自检，监控设备系统参数查询、监控设备各模块单独检测、操作员添加与删除
11.使用环境条件：
① 工作场所：消防控制室内、有人值班的变配电所（配电室）、有人值班的房间内墙壁上
② 工作环境温度：0℃～40℃
③ 工作环境相对湿度：5%～95%RH
④ 海拔高度：≤2500m
基本功能
1.监控报警功能：
监控设备能接收多台探测器的漏电、温度信息，报警时发出声光报警信号，同时设备上红色“报警”指示灯亮，显示屏指示报警部位及报警类型，记录报警时间，声光报警一直保持，直至按显示屏“复位”按钮远程对探测器实现复位。对于声音报警信号也可以使用显示屏“消声”按钮手动消除。
2.故障报警功能
通讯故障报警：当监控设备与所接的任一台探测器之间发生通讯故障时，监控画面中相应的探测器显示故障提示，同时设备上的黄色“故障”指示灯亮，并发出故障报警声音。
电源故障报警：当主电源或备用电源发生故障时，监控设备也发出声光报警信号并显示故障信息，可进入相应的界面查看详细信息并可解除报警声响。
3.自检功能
检查设备中所有状态指示灯、显示屏、喇叭是否正常。
4.报警记录存储查询功能
当发生漏电、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。
5.电源功能
当主电源发生停电、欠压等故障时，监控设备可自动切换到备用电源工作，当主电源恢复正常供电时，自动切回到主电源，切换过程中保证监控设备连续平稳运行。
6.对探测器控制功能
通过监控软件操作，可对连接到本设备的所有探测器进行远程复位控制。
7.权限控制功能
为确保监控系统的安全运行，监控设备软件操作权限分为三级，不同级别的操作员具有不同的操作权限。
系统组网结构
1）站控管理层
站控管理层针对电气火灾监控系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如触摸屏、UPS电源等组成。监测系统软件对现场各类数据信息计算、分析、处理，并以图形、数显、声音、指示灯等方式反应现场运情况。
监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。
UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。
后台监控设备设置在一层消控中心。
2）网络通讯层
通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线，以RS485接口，MODBUS通讯协议实现现场设备与上位机的实时通讯。
3）现场设备层
现场设备层是数据采集终端，主要为ARCM300-J1剩余式电气火灾监控探测器。ARCM300 型剩余电流式电气火灾监控探测器，是针对 0.4kV 以下的TT、TN 系统设计的，通过对配电回路的剩余电流、导线温度、过电流、过电压等火灾危险参数实施监控和管理，从而预防电气火灾的发生，并实现了对多种电力参数的实时监测，为能耗管理提供精确的数据。产品采用先进的微控制器技术，集成度高，体积小巧，安装方便，集智能化，数字化，网络化于一身，是建筑电气火灾预防监控、系统绝缘老化预估等的理想选择。产品符合 GB14287.2-2005《电气火灾监控系统 第2部分：剩余电流式电气火灾监控探测器》的标准要求。
现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传采集的数据。测量探测器担负着最基层的数据采集任务，其监测的数据必须完整、准确并实时传送至监控主机。便于运行人员监控现场设备运行状态，故障报警等情况，有效预防火灾事故发生。
该系统自投运以来，运行良好，在预防电气火灾方面发挥了重要作用，获得了客户对产品和公司的认可与信赖。
参考文献
[1].任致程
周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4
[2].周中.电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用[J].现代建筑电气 2010.
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作者简介：吴春红，女 本科
任职单位：现任职于安科瑞电气股份有限公司
联系电话：021-69156319 18702111910