ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(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(jiǎn)述了ARCM200剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)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。
關(guān)鍵字：剩余電流；電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器；亞運(yùn)會(huì)

　　近年來，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，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(shì)，給國(guó)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zui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(cè)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)警提醒工作人員去這些隱患。 國(guó)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(cè)器的設(shè)計(jì)原理，及在廣州亞運(yùn)會(huì)海心沙場(chǎng)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：電火花與電弧；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(cè)線路中剩余電流的裝置，來實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)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(cè)器。探測(cè)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(cè)，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(cè)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(cè)量剩余電流互感器二次側(cè)的電流來測(cè)量一次側(cè)的剩余電流。根據(jù)檢測(cè)到的剩余電流大小,探測(cè)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(cè)

　　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(cè)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(cè)量、報(bào)警、顯示、存儲(chǔ)、人機(jī)交互和通訊等。基本工作原理如下：

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K，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)的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量需要經(jīng)過放大器，AC/DC變換，zui后才到A/D采樣測(cè)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(cè)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)到測(cè)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(cè)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)zui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(cè)量真值（方均根值）。
　　在考慮頻率濾波的情況下，可準(zhǔn)確測(cè)量剩余電流信號(hào)的RMS真值，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(cè)量。可以實(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(cè)3路溫度。剩余電流正常測(cè)量范圍在10mA～3000mA，精度可達(dá)到1級(jí)，溫度測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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zui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(cè)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(chǎng)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(chǎng)將成為廣州市zui大的公眾廣場(chǎng)和廣州市未來城市慶典活動(dòng)中心。

圖3　海心沙場(chǎng)館外觀圖

　　海心沙場(chǎng)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?jī)?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?jī)?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(cè)器。ARCM200/300在亞運(yùn)會(huì)項(xiàng)目中一舉包攬了海心沙場(chǎng)館內(nèi)5個(gè)低壓變電房的所有剩余電流式火災(zāi)探測(cè)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(chǎng)應(yīng)用圖

　　在這個(gè)項(xiàng)目中主要用于檢測(cè)剩余電流、溫度以及485通訊組網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場(chǎng)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，zui終由方便管理人員通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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）分開，且N線不能重復(fù)接地。
　　該類產(chǎn)品裝置的接線正確，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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器動(dòng)作電流設(shè)定值。
　　解決方法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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zui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(cè)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(cè)器誤動(dòng)作或不動(dòng)作，甚至裝置儀器的損壞。
　　信號(hào)線接入嚴(yán)格按照探測(cè)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牢固可靠，互感器信號(hào)需使用屏蔽雙絞線，傳輸長(zhǎng)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(cè)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(chǎng)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。

　　文章來源于：《電氣時(shí)代》2011年1期。

參考文獻(xiàn)
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