淺談電氣火災監控系統在地鐵供配電系統中的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】在地鐵車站供配電系統中使用電氣火災監控系統對監控設備工況、預防電氣火災十分重要，地鐵公司作為企業，還需充分考慮前期建設成本的投入及今后運營費用高低。因此，認真分析電氣火災監控系統在地鐵供配電系統中的使用顯得十分必要。首先簡述電氣火災監控系統組成及其作用，在分析應用電氣火災監控系統必要性的基礎上，從技術與經濟實用兩方面分析電氣火災監控系統在地鐵供配電系統中應用方案。
【關鍵詞】地鐵供配電：電氣火災；剩余電流；熱平衡；火災監控；技術經濟分析
1電氣火災監控系統的設備組成及其作用
國家頒布實施的GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》新增了電氣火災監控系統內容，規定：地下公共建筑(含地鐵)應設置電氣火災監控系統，且電氣火災監控系統由下列部分或全部監控裝置組成：電氣火災監控設備(監控主機)、剩余電流式電氣火災監控探測器、測溫式電氣火災監控探測器、線型感溫火災探測器。
（1）電氣火災監控設備(監控主機)的作用：實時接收來自線型光纖差定溫火災探測器、藍牙測溫式電氣火災探測器、剩余電流式電氣火災探測器發來的正常信息、故障信息、災害信息，并對其進行快速處理和管理。
（2）剩余電流式電氣火災監控探測器的作用：從測量電線電纜的泄漏電流人手，以達到檢測電線電纜中的火線、零線對地線的絕緣水平。
（3）測溫式電氣火災監控探測器的作用：以探測電氣設備接頭異常發熱為基本原則，設置在電容器接頭、變壓器接頭、母線接頭、開關觸點等發熱部位。以實現對電氣設備安裝工藝、產品質量等異常情況的長期監測。
（4）線型感溫火災探測器的作用：用于電纜橋架、電纜夾層等處線型電氣設備絕緣擊穿發熱而引起的火災報警。
2應用電氣火災監控系統的必要性
電氣火災監控系統是為了預防供配電設備由于剩余電流打火或電氣連接處過熱引起火災而設置的專用監控系統，是對配電回路的安裝工藝、設備質量以及防止意外事故發生的長期實時監測，其特點是先期預警。
(1)根據實際運行經驗，配電設備的火災發生主要由4個方面原因引起：①線路絕緣老化、漏電火災；②短路火災；③長期過負荷使用；④壓接施工不規范，接觸電阻過大。對于①、②方面，絕大部分可以通過測量剩余電流。來獲得預警信息，及時處理，可避免出現火災事故；③、④方面可通過實時測量開關端子的溫度及時發現并處理，以避免事故發生。
(2)電力電纜故障絕大多數是由于施工不規范、機械損壞、電纜接頭壓接不緊、加熱不充分、絕緣受潮、環境惡劣、化學物質侵蝕等原因引起電纜絕緣降低而被擊穿起火，此類電纜故障具有隱蔽性，不可預見。采用剩余電流監測裝置可準確判斷電纜絕緣下降情況，能夠較好地預防電力電纜起火的事故發生。
(3)部分城市地鐵的低壓配電系統主開關使用抽出式斷路器，在經過多年插拔后，其插接處的接觸電阻會有所增加，使用溫升會提高，溫升值是否已達到危險狀況，需要由溫度探測器來監測。若地鐵供配電設備發生火災停電，車站照度將瞬間下降很大，造成乘客緊急逃生困難。因此，在地鐵低壓配電系統中使用質量可靠、性能穩定的電氣火災監控系統是十分必要的。
3主要監控裝置的設置
在地鐵低壓配電系統中使用電氣火災監控系統監控低壓配電設備工況十分重要，但地鐵公司需充分考慮前期建設成本的投入及今后運營費用高低。因此，從技術經濟學角度，認真分析電氣火災監控系統在地鐵低壓配電系統中的使用十分必要。
3.1測溫式電氣火災監控探測器
測溫式電氣火災監控探測器的作用是探測電氣設備接頭異常發熱，探測器設置在電容器接頭、變壓器接頭、母線接頭、開關觸點等發熱部位，以實現對電氣設備安裝工藝、產品質量等異常情況的長期監測。
根據熱平衡原理，載流導體的發熱過程可用公式：
(1)
公式(1)中r為溫升；P為單位長度導體自身消耗功率，約等于I2R；K為導體周圍介質的綜合散熱系數，空調房環境取大值；S為單位長度導體散熱面積；t為通電時間；T為單位長度導體的熱時間常數。
對其安裝位置的選擇，建議如下。
（1）從使用負荷方面考慮，建議在每日有效工作時間超過4h、實際運行電流大于100A的負載開關上安裝藍牙溫度探測器。
根據公式(1)計算可知，運行電流小于100A的開關在28℃環境內正常安裝時，其溫升是很小的。從深圳地鐵的實際運行情況看，正常安裝的冷水機組回路(額定功210kW)長期運行，其負荷開關端子溫度顯示為50℃左右，需重點監控；其他設備，如綜合監控回路(額定容量120kVA)、應急電源(EPS)照明回路(額定容量80kVA)開關端子運行溫度(30℃)和室溫相近。
（2）從安裝位置方面考慮，測溫式電氣火災監控探測器宜安裝在靠近開關與底座插接處的位置。
根據載流導體的熱平衡原理可知，載流導體的溫升與接觸電阻有很大關系，接觸電阻又與接觸壓力有關。
接觸電阻的經驗公式是：
(2)
公式(2)中：RJ為接觸電阻；F為接觸壓力；KJ為材質系數，一般取0.7～1；n：點接觸取0.5，線接觸取0.7，面接觸取1.0。
開關和底座端子的插接是多段線接觸，正常安裝情況下，螺栓的緊固力要遠大于開關和底座端子的插接力。
（3）在負載開關的一側(如輸出側或輸入側)安裝測溫式電氣火災監控探測器，而無需在負載開關上下兩側都安裝。
負載開關輸入端子與輸出端子間的距離不足1m，銅的熱導率較高，達到393.6W（m.K），當銅材某處異常高溫時，能迅速將熱量傳導至周圍，達到熱平衡。從成本考慮，在負載開關的一側(如輸出側或輸入側)安裝測溫式電氣火災監控探測器，而無需在負載開關上下兩側都安裝。
綜上所述，建議在以下低壓配電設備處使用測溫式電氣火災監控探測器：
（1）低壓配電室內的低壓進線柜斷路器上接口處，3級負荷總開關斷路器下接口處，環控1級、2級負荷饋出回路斷路器下接口處，以及冷水機組回路斷路器下接口處；
（2）環控電控室的進線柜斷路器上接口處，3級負荷進線開關斷路器下接口處，以及隧道風機(TVF風機)低速回路斷路器下接口處。
3.2剩余電流式電氣火災監控探測器
剩余電流式電氣火災監控探測器的主要作用是監測電線、電纜的泄漏電流是否有增大趨勢，以判斷其絕緣狀況是否良好。因此，對其安裝位置的選擇，建議如下。
(1)在密集母線回路，建議安裝剩余電流式電氣火災監控探測器。長距離輸送電力的密集母線槽由于是非標組裝件，其絕緣材料和組裝工藝無法全面保證質量，尤其在接頭處的絕緣處理上。多年運行經驗表明，大多數密集母線槽的故障都是由于接頭處絕緣下降引起，而密集母線槽的接頭數量又多，因此，可安裝剩余電流監測裝置以監測整段密集母線槽絕緣狀況，達到對可能出現的故障預警目的。
(2)進線回路和母聯回路可不安裝剩余電流檢測裝置。剩余電流檢測裝置一般是監控饋出電纜的剩余電流狀況，總進線開關處可不安裝；母聯回路一般處于備用狀態，也不用安裝。
(3)區間隧道水泵供電回路應增加剩余電流檢測裝置。地鐵區間隧道水泵電纜長期通電，且安裝環境惡劣，溫度高，還存在受化學物侵蝕的可能，其絕緣水平下降快，容易出現絕緣受損、擊穿故障，引起火災。因此，需在區間隧道水泵輸出電纜上安裝剩余電流檢測裝置。
(4)站廳、站臺總照明回路應增加剩余電流檢測裝置。因為站廳、站臺照明回路點多面廣，接頭多，且安裝工藝不嚴謹，容易出現絕緣受損、擊穿等事故。建筑火災事故統計表明，發生在建筑物的電氣火災多數是由于插座線路或照明線路過載、老化等引起。因此，實時監測站廳、站臺照明回路的絕緣狀況顯得很有必要。綜上所述，可在以下范圍使用剩余電流檢測裝置：低壓配電室的3級負荷總開關回路，環控l級、2級、3級負荷饋出密集母線回路，區間水泵供電回路，站廳總照明回路，站臺總照明回路，冷水機組回路。
4電氣火災監控系統在深圳地鐵使用情況
深圳地鐵從二期建設開始就在地下車站使用電氣火災監控系統。車站電氣火災預警系統由電氣火災監控主機、剩余電流式電氣火災監控探測器、藍牙測溫式電氣火災監控探測器、數據采集集中器、現場總線及系統軟件等組成，沒有使用線型感溫火災探測器。這套電氣火災監控系統用于車站0.4kV低壓開關柜室、跟隨變電所及環控電控室的重要電氣設備溫度、剩余電流的監測。
4.1藍牙測溫式電氣火災監控探測器
藍牙測溫式電氣火災監控探測器使用范圍是：環控電控室進線柜斷路器上下接口處、3級負荷進線開關斷路器上下接口處、隧道風機(TVF風機)回路斷路器上下接口處、軌道排熱風機(U／O風機)回路斷路器上下接口處、冷水機組回路斷路器上下接口處。探頭溫度設定為超過60℃報警。深圳地鐵使用的測溫式電氣火災監控探測器示意圖
如圖1，說明：①此測溫式電氣火災監控探測器具有藍牙發射功能，與數據采集集中器交換數據；②“溫度探頭”需連接到斷路器A、B、C三相上或下主連接螺栓處，采集A、B、C三相的接口處溫度數據；③需為測溫式電氣火災監控探測器提供220V電源。
圖1 測溫式電氣火災監控探測器示意圖
4.2剩余電流式電氣火災探測器
剩余電流式電氣火災探測器使用范圍：進線回路、3級負荷進線開關回路、TVF風機回路、U/O風機回路、冷水機組回路、照明總回路。剩余電流值設定為超過500mA時報警。
深圳地鐵使用的剩余電流式電氣火災探測器示意圖如圖2。說明：①此剩余電流式電氣火災探測器具有藍牙發射功能，與數據采集集中器交換數據；②“電流互感器”是用于檢測斷路器輸出負載的A、B、C三相電流情況；使用安裝時，需將斷路器輸出的A、B、C三相負載線路從電流互感器中穿過；③需為剩余電流式電氣火災監控探測器提供220V電源。
圖2 剩余電流式電氣火災探測器示意圖
4.3深圳地鐵部分車站使用情況舉例
圖3是深圳地鐵臨海站的一個電氣火災監控系統實時主畫面，在各路進線總開關中安裝了測溫式電氣火災監控探測器；在TVF風機回路、U/O風機回路與冷水機組回路安裝了測溫式電氣火災監控探測器和剩余電流式電氣火災探測器2種監控裝置
圖3 電氣火災監控系統主畫面圖
5安科瑞電氣火災監控云系統架構和硬件選型
安科瑞電氣推出的電氣火災監控云系統采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器和電氣火災探測器、故障電弧探測器和電氣防火限流式保護器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流、剩余電流、故障電弧等）進行不間斷的數據與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給學校管理人員，指導學校實現時間的排查和治理，達到潛在電氣火災隱患，實現“防患于未然”的目的。
用戶可以利用PC、、平板電腦等多種終端實現對平臺的訪問，查詢包括系統信息、實時數據、報記錄等在內的各種信息，使用方便。利用該系統為用戶提供的低成本服務，能有提升企業的消防管理和電氣設備水平，防范重大惡性火災財產損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任的發生。
本系統的整體結構如圖所示：
5.1硬件配置：
平臺服務器：建議按照我方提供配置標準購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置：（如申請阿里云可忽略）
現場硬件配置
方案一：100A以下回路，開口式互感器
方案二：100A以下回路，普通互感器，會增加施工量
方案三：100A以下回路，普通電流互感器，探測器和無線模塊分開，可適用多回路配置針對1個回路，剩余電流互感器根據現場回路電流大小選擇。
5.2運行條件:
1）瀏覽器運行設備：
臺式電腦，、平板等移動端設備。
2）瀏覽器端運行環境：
Windows系統下使用谷歌、火狐、360（速模式）等瀏覽器訪問。
5.3主要技術指標:
數據上傳頻率：2分鐘
通信方式：RS485、2G/3G/4G
并發訪問量：>=10000
歷史數據存儲：>=3年
6安科瑞限流式保護器與智能安全配電裝置介紹
6.1產品概述
6.1.1ASCP200-1型單相電氣防火限流式保護器
電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，大額定電流為63A。可廣泛應用于學校、醫院、商場、賓館、娛樂場所、寺廟、文物建筑、會展、住宅、倉庫、幼兒園、老年人建筑、集體宿舍、電動車充電站及租賃式商場商鋪、批發市場、集貿市場、甲乙丙類危險品庫房等各種用電場所末端干、支路的線路保護。
6.1.2AISD智能安全配電裝置
AISD系列智能安全配電裝置是安科瑞電氣有限公司專門為低壓配電側開發的一款智能安全用電產品，本產品主要針對低壓配電側人身觸電安全事故、線路老化、漏電引起電氣火災等等常見隱患而設計。
產品主要應用于學校、教育機構、醫院、療養院、康復中心、敬老院、酒店娛樂、商場商鋪、企事業單位、家庭電器等各類低壓用電的場合。
6.2產品功能特點
6.2.1ASCP200-1型電氣防火限流式保護器主要功能如下
■短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
■過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3~60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
■表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
■過欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓欠壓或過壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
■配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
■漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
■保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。監控后臺可以是安科瑞Acrel-6000/B電氣火災監控主機，也可以是安科瑞Acrel-6000安全用電管理云平臺，或三方監控軟件或平臺。
6.2.2AISD智能安全配電裝置主要功能如下
■供電穩定性。負載端發生單相接地故障，裝置報警，系統可持續供電，不會切斷電源。
■供電安全性。裝置可以把系統的漏電流限制在很小的級別，人體無意觸碰到供電線路，不會造成觸電事故。
■限流滅弧。系統發生短路故障，裝置能快速切斷電源，不會出現電弧火花。
■過載保護。裝置監測到系統過載，可以及時切斷電源，避免因過載引起線路故障。
■電壓監測。裝置實時監測系統電壓，發生過、欠壓時，發出報警信號，可以設置是否切斷電源。
■報警功能。在系統發生短路、過載、欠壓等異常時，裝置發出聲光報警信號，提醒相關人員。
■事件記錄。裝置存儲30條事件記錄，可供用戶查詢。
■通訊功能。裝置配置RS485通訊接口，Modbus-RTU協議，可以遠程讀取相關數據。可選配無線通訊模塊，無線方式將數據發送到云平臺。
6.3產品技術參數
表1ASCP200-1型電氣防火限流式保護器
表2AISD智能安全配電裝置主要功能如下
6.4產品使用注意事項
6.4.1ASCP200-1型單相電氣防火限流式保護器
在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。
ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環境溫度和通風散熱。
為確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。
保護器內部帶有交流電，嚴禁非專業人士擅自打開產品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。
當保護器因超溫而發生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。
6.4.2AISD智能安全配電裝置
在選用智能安全配電裝置時，裝置的額定容量應該與后方用電設備的額定容量保持一致。例如，當智能安全配電裝置的額定容量為3kVA時，后方用電設備的額定容量應不超過3kVA，嚴禁將其使用于額定容量不匹配的配電線路中。
智能安全配電裝置器采用壁掛式安裝，可以裸機掛墻安裝，也可以落地安裝，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環境溫度和通風散熱。
接線時應按接線圖操作，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致裝置工作不正常，應確保裝置相應端子接線擰緊壓實。
嚴禁非專業人士擅自打開產品外殼。
7安科瑞中線安防保護器產品介紹及選型
7.1中性線定義及危害
中性線的定義：三相電的星形接法是把每一相電源或負載的一端都接在中性點上，將中性點引出的這條線叫中性線，這樣就形成三相四線制或者五線制。也可不引出，形成三相三線制。現在的低壓配電線路，采用多的是三相四線制，其中的三條線路分別用A、B、C代表三相，另一條中性線用N代表。
在三相四線制或五線制供電系統運行過程中，中性線引發火災事故主要通過三種途徑：
A.中性線長期過載導致中性線絕緣層老化，使得絕緣層燃燒引發火災；
B.中性線故障使中性線開路，導致三相電嚴重不平衡，燒毀電氣設備引發火災。
C.中性線老化使線路局部過熱，導致中性線絕緣層老化，使得絕緣層燃燒引發火災。
7.2產品型號及尺寸
7.2.1產品型號
7.2.2模塊接口示意 
7.2.3產品尺寸
7.2.3產品尺寸
7.3技術參數
8總結電氣火災監控系統在深圳地鐵使用效果
電氣火災監控系統在深圳地鐵二期工程車站使用至今，準確預警出數起因配電安裝質量問題引起的溫度報警，效果十分明顯。
該系統在實際應用中，檢測到海月站3級負荷總開關K1端子溫度達65℃，經現場維保人員檢查，發現是3級負荷總開關K1開關B相與底座端子結合不緊密，接觸電阻過大，致使該端子發熱，經現場處理，恢復正常。另外，還檢測出赤灣一蛇口區間水泵電力電纜絕緣破壞，剩余電流式電氣火災監控探測器探測到剩余電流值達到600mA，立刻發出了報警信號，經現場維保人員及時處理后避免了故障升級。
參考文獻
[1]盧贛生.深圳地鐵集團運營總部客運一分公司.廣東深圳51805.
[2]機械工程手冊余電機工程手冊編輯委員會.電氣工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，1987.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊，2020.06版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
