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(wèn)題。
近年來(lái)，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)是最常見(jiàn)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)警提醒工作人員去消除這些隱患。國(guó)家也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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??；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(guò)程中無(wú)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(lái)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)到消除火災(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(guò)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(guò)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(guò)測(cè)量剩余電流互感器二次側(cè)的電流來(lái)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(guò)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(lái)的信號(hào)傳輸?shù)绞Ｓ嚯娏鞑杉K，經(jīng)過(guò)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)的精確測(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(lái)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(guò)放大器，AC/DC變換，最后才到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(guò)來(lái)的剩余電流信號(hào)采樣，保持信號(hào)的真實(shí)性。通過(guò)MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，從而達(dá)到精確測(cè)量剩余電流信號(hào)的目的，并通過(guò)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(lái)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(shuō)明了在50/60HZ時(shí)的保護(hù)最為關(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)量真有效值（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真有效值，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?？梢詫?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(shuō)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 。
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