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ARCM系列電氣火災監控探測器的設計和應用
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：本文對電氣火災的產生原因進行了分析，列出了電氣火災監控防范的相關標準。簡述了ARCM200剩余電流式電氣火災探測器的設計原理以及該產品在2010年廣州亞運會海心沙項目系統中的實際應用。并分析了電氣火災監控系統應用中應注意的問題。
關鍵字：剩余電流;電氣火災監控探測器;亞運會
近年來，我國國民經濟的高速增長，各行業用電量的大幅度增加，同時伴隨著電氣火災也呈現逐年上升的趨勢，給國民經濟和人民生命財產造成巨大損失。而接地故障火災是最常見的多發電氣火災。為避免接地故障引發的火災，在建筑電氣中已開始廣泛使用電氣火災監控系統。電氣火災監控系統能準確監測電氣線路的故障和異常狀態，能發現電氣火災的火災隱患，及時報警提醒工作人員去消除這些隱患。 國家也頒布了相應的標準來規范電氣火災監控系統，例如《建筑設計防火規范》GB50016-2006，《高層民用建筑設計防火規范》GB50045-2005，《電氣火災監控系統》GB 14287等。本文介紹了ARCM系列電氣火災監控探測器的設計原理，及在廣州亞運會海心沙場館中實際應用。
一、電氣火災分析
電氣火災的發生有以下原因：電火花與電弧;電氣設備或電氣線路上產生高溫導致;由于線路端子導線與端子接觸不良產生的危險高溫。
數據統計發現電氣火災的引發有一半是由于接地故障造成的。接地故障的發生主要是由于電氣線路的絕緣層老化，導致絕緣性能降低，從而在帶電導線和大地、電氣設備金屬外殼間產生剩余電流(又稱泄露電流或漏電流)，由于接地故障回路阻抗大，往往會產生微小的電弧型放電，電弧放電產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生惡性循環，放電電弧達到一定程度時(幾百毫安的剩余電流電弧產生的局部高溫可達2000℃以上)，高溫引燃周圍的可燃物而引起火災。而配電系統中的電流保護器在微弱的放電打火過程中無法動作，而發生動作切斷電源時火災已經發生，未能在火災發生前及時切斷。
這類電氣火災的引發是由于非正常的剩余電流所引發的。故需要有專門檢測線路中剩余電流的裝置，來實時地監測配電系統的絕緣情況，繼而實現該類電氣火災的提前預警，達到消除火災隱患的目的。
二、原理描述：
電氣火災監控系統中主要的元件為剩余電流式電氣火災監控探測器。探測器通過剩余電流互感器實現對剩余電流信號的檢測，如圖1 所示。根據基爾霍夫電流定律 (KCL) 可知從電源端流出的電流會等于流回的電流，其相量形式如下：
在圖1 中，將三相導線及N線全部穿過剩余電流互感器，檢測的電流為 ，而剩余電流為 ，即：
由于二次電流大小與一次電流( )呈一定的比例關系，就可以通過測量剩余電流互感器二次側的電流來測量一次側的剩余電流。根據檢測到的剩余電流大小,探測器可通過預先設定的程序發出各種指令,或切斷電源,或發出報警信號等。
圖1 剩余電流檢測
上海安科瑞股份有限公司生產的ARCM200/300剩余電流式電氣火災探測器產品采用32位MCU實現，功能主要包括多路剩余電流和溫度測量、報警、顯示、存儲、人機交互和通訊等。基本工作原理如下：
圖2 硬件設計原理框圖
剩余電流互感器將感應出來的信號傳輸到剩余電流采集模塊，經過信號的轉換濾波后MCU利用片內AD模塊對各個通道的信號量進行AD采樣，并進行相應的數學運算，完成信號的精確測量，再按設置的保護參數，進行報警保護處理。同時MCU根據探測器的狀態，來控制LED數碼管顯示、數據計算\存儲、外部通訊、鍵盤菜單操作、繼電器開關動作、蜂鳴器報警等工作。
三、算法描述
傳統的剩余電流檢測方法為：電流互感器為傳感器件，由它提取的剩余電流信號，經放大、AC/DC變換、A/D變換、CPU處理后，送往報警器、顯示器、信號輸出。該方法中，實現對剩余電流的測量需要經過放大器，AC/DC變換，最后才到A/D采樣測量，轉換復雜，增加了故障節點，同時也增加了成本。
ARCM200/300探測器，采用交流采樣技術，直接對互感器過來的剩余電流信號采樣，保持信號的真實性。通過MCU對數據進行計算處理，從而達到精確測量剩余電流信號的目的，并通過特定程序算法，保證了探測器及時、準確和可靠進行報警保護。其運用的主要技術手段如下：
1頻率濾波
現代用電設備中變頻器及非線性負載越來越多，電網諧波含量急劇增加，在供電電纜中造成了高頻泄漏電流，這些泄漏電流可以達到幾十到幾百毫安。IEC60479標準中說明了在50/60HZ時的保護最為關鍵。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電流引起的誤動。
ARCM200/300中利用數字信號處理技術中的數字濾波技術，將采樣得到的一系列數據進行濾波計算處理，達到濾除信號中高頻部分的目的。
2測量真有效值(方均根值)。
在考慮頻率濾波的情況下，可準確測量剩余電流信號的RMS真有效值，使動作的判據更加準確，減少不正常的拒報警。
四、實現功能及性能：
ARCM200/300實現了以下功能：
1剩余電流/溫度測量。可以實現同時監控1～4路剩余電流，其中J1型可以監測3路溫度。剩余電流正常測量范圍在10mA～3000mA，精度可達到1級，溫度測量范圍可從-10℃ 到 120℃之間，精度±1℃。
2可編程報警設置。動作電流和動作延時可靈活調整，可根據現場環境的實際情況進行參數設定。并能夠非常容易的適用于分級保護的場合。報警功能的一些說明：
額定動作電流值I△n設定范圍：20～1000mA,也可設為OFF，以關閉剩余電流保護 ;預警電流為>0.8I△n，報警動作電流為>0.95I△n;
溫度報警設定范圍：50℃～120℃，也可設為OFF，以關閉溫度通道保護;
動作時間可設定范圍：0.1S～60.0S 。
3事件記錄。可記錄最近10條事件記錄，發生報警時記錄的報警發生的事件類型、事件通道、報警設定值、報警實際值及報警時間。
4RS-485通訊接口，采用兼容Modbus-RTU協議，可將監測到的各種信息上傳，組建電氣火災監控系統。
五、應用案例
廣州亞運會開、閉幕式將在位于珠江新城南端珠江上的海心沙廣場舉行。海心沙島北望珠江新城中央商務區，南望廣州新電視塔，西鄰二沙島，總用地面積17.6萬平方米，綠地率達到65%，可容納2萬名觀眾。海心沙廣場將成為廣州市最大的公眾廣場和廣州市未來城市慶典活動中心。
圖3 海心沙場館外觀圖
海心沙場館內配電系統共有兩個一級高壓房、四個二級高壓房及專變房、五個低壓配電房共同組成。在一級、二級高壓房內使用的電能儀表為安科瑞公司的ACR220ELH型號諧波表。在低壓配電房內使用ACR320EL/ACR220EL網絡多功能儀表。低壓配電系統為TN-C-S系統，適合使用安科瑞公司生產的ARCM200/300剩余電流式漏電火災探測器。ARCM200/300在亞運會項目中一舉包攬了海心沙場館內5個低壓變電房的所有剩余電流式火災探測器，共545個。ARCM200和ARCM300安裝方式分別為嵌入式面板安裝和導軌式安裝;剩余電流互感器安裝于配電柜內，各個回路電纜的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 現場應用圖
在這個項目中主要用于檢測剩余電流、溫度以及485通訊組網。現場系統網絡結構：現場設備層——網絡通訊層——站控管理層。也即是：先將現場智能設備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設備聯網服務器轉換成TCP/IP以太網與監控主機進行數據交換，最終由方便管理人員通過監測系統軟件了解及掌握現場狀況，并進行實時監測。
圖5 系統一次圖
常見故障分析
1接線錯誤引發的誤動作或拒動作
ARCM200/300主要應用于0.4kV TT 和 TN-S ，TN-C-S交流系統中，電力系統有一點直接接地,系統中性線(N線)和保護線(PE線)必須分開，且N線不能重復接地.
該類產品裝置的接線必須正確，接線錯誤可能導致裝置報警誤動作，也可能導致拒動作。接線前應分清電網系統中的相線、N線、PE線。相線及N線必須一同穿過剩余電流互感器，PE線不能穿過互感器。例如，在系統中，如N線未與相線一起穿過互感器，一旦三相不平衡，即發生誤動作，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，接通負載時，也會造成誤動作。
很多項目中，在系統試運行時出現剩余電流值過大而出現報警，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，會造成探測器拒動作。
解決方法：排查互感器下方接線錯誤情況，查看系統中PE線與N線是否嚴格區分開來。
2由于接線問題以外引發的動作
(1)絕緣惡化。線路對地絕緣被破壞，導致有剩余電流產生超過報警閾值，探測器報警。
解決方法：該類情況，確實有隱患存在，應當盡快檢修故障線路，防患于“未燃”。
(2)大型設備啟動。大型設備啟動瞬時，存在對地泄漏電流，引起裝置報警動作。
解決方法：為防止該類情況誤動作發生, 應將探測裝置的脫扣時間增大。
(3)負載側正常剩余電流超過探測器動作電流設定值。
解決方法：根據現場實際情況，正確設置動作電流大小。
動作電流值的確定，往往要根據現場回路后負載的正常剩余電流的值來確定。實際應用的電力系統，不同回路的正常剩余電流往往是不同的。例如，探測器動作電流值設定為100mA，一般像臺式計算機正常的剩余電流為3～4mA,如果后面接幾十臺計算機,并帶有其他一些設備，則有可能引發誤動作，所以可使用增大動作電流值的辦法解決該類問題。
(4).分級保護應用原則。系統應用中常有分級保護，常見2～3級，上下級的選擇性原則：
動作電流方面，上級設備的設置必須最少是下級設備的兩倍;
脫扣時間方面，上級設備的延遲時間應大于下一級剩余電流保護裝置的動作時間，且動作時間差不得小于0.2s。
3裝置使用不當造成的誤動作或不動作
使用ARCM200/300探測器時，剩余電流互感器型號選擇不正確或調換使用其他廠家生產的互感器，溫度傳感器，可能會造成探測器誤動作或不動作，甚至裝置儀器的損壞。
信號線接入必須嚴格按照探測器接線圖接線，否則會造成裝置不能工作。剩余電流互感器安裝固定必須牢固可靠，互感器信號需使用屏蔽雙絞線，傳輸長度不能超過3m。
六、結束語
上海安科瑞股份有限公司的ARCM200/300可以實時監測配電系統剩余電流，溫度等信息，通過ModBus總線組建電氣火災監控系統，能夠及時、可靠地給海心沙場館運行維護工程師提供準確信息，杜絕電氣火災的發生，為亞運保駕護航。
參考文獻
1) GB14287—2005，電氣火災監控系統[S]
2) GB13955—2005，剩余電流動作保護裝置安裝和運行[S]
3) GB50045-95(2005版)，高層民用建筑設計防火規范[S]
4) GB50026-2006，建筑設計防火規范[S]
作者：裴善勇 聯系電話：15827180236 研究方向：電氣火災監控 郵箱：423647716@qq.com
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