电气火灾监控系统的设计与应用

吴 穹

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

0 引言

电气火灾产生的主要原因有过载、短路、雷电、漏电、谐波电流、误操作、接触不良、电气线路设计负荷与使用负荷不匹配以及设备自身因素等，其中由漏电引起的电气火灾占据了很大部分[1]。为了有效监测漏电流，需要设置电气火灾监控系统，当系统监测到漏电流达到预警值时立即报警，避免漏电流引起电气火灾。

1 电气火灾监控系统的组成概述

《电气火灾监控系统设计、施工及验收规范》（DBJ 20—2012）中对电气火灾监控系统的定义是：当被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、控制信号并能指示报警部位的系统。电气火灾监控系统主要由3 个部分组成，即电气火灾监控系统主机、电气火灾监控器以及电气火灾传感器。电气火灾监控系统主机负责接收、记录电气火灾监控器上传的报警信号，同时发布报警信息，提醒值班人员进行检查[2]。电气火灾监控器负责接收电气火灾探测器的信号并进行现场报警，同时将采集到的信号及报警信息上传至电气火灾监控系统主机[3]。电气火灾传感器负责采集所监控回路的剩余电流、温度、故障电弧及过电流信号，并通过系统总线将信号上传至电气火灾监控器。

电气火灾监控系统主要通过电气火灾传感器对所监控回路进行信号采集，按照采集信号类型的不同可分为剩余电流式电气火灾传感器、测温式电气火灾传感器、故障电弧探测器以及电流传感器。利用基尔霍夫电流定律，通过剩余电流式电气火灾传感器测量剩余电流，其工作原理如图1 所示。

根据图1，A，B，C，N 这4 根电缆同时垂直穿过同一个剩余电流互感器。正常情况下，A，B，C 三相电流的矢量和与N 相电流大小相等方向相反，此时PE 线中的电流为0，也就是漏电流为0。根据电磁感应定律，此时A，B，C，N 各相在剩余电流互感器中的感应电流相互抵消，流过剩余电流互感器的电流为0。当配电线路中某些原因导致A，B，C某相或中性线中有电流泄露到大地时，则A，B，C 三相电流的矢量和与N 相电流大小不相等，此时流过剩余电流互感器中的电流矢量和不为0，也就是剩余电流不为0。根据此原理，可通过剩余电流互感器中电流的大小来间接分析配电线路中的漏电情况[4]。我国低压配电系统中存在着不同的接地系统，受检测原理的限制，剩余电流式电气火灾传感器并不适用于所有的情况[5]。在设置剩余电流式电气火灾探测器时，应根据配电系统的不同进行区别对待。剩余电流式电气火灾传感器所适用的接地系统如图2 所示。

图1 剩余电流式电气火灾传感器测量原理

图2 剩余电流式电气火灾传感器适用的接地系统

由于回路中的漏电流会引起温度升高，温度达到一定程度时会引起火灾，因此可以通过监测回路中的温度来预防电气火灾的发生。测温式电气火灾传感器可以通过其内部的热敏元件来测量回路温度，并将信号上传至电气火灾监控系统。测温式电气火灾传感器监测的主要部位为设备外壳、电缆、配电柜（箱）体等，温度监测采用直接接触方式，覆盖A，B，C，N 四相。

故障电弧主要由电气设备的老化、线路连接松动、线路绝缘层破损等因素引起，通常伴随着大量热量的产生，极易引起火灾。故障电弧探测器通过实时监测回路中电压、电流波形的变化来监测故障电弧的发生[6]。实际应用中，配电线路中或多或少都会存在固有漏电。由于固有漏电的存在会直接影响报警的准确性，在固有漏电大到一定程度时甚至会引起系统的误报警，因此可以尽量将测量点设置在末端或是根据计算调整漏电流的报警阀值，从而消除固有漏电的影响。

2 电气火灾监控系统设计方案与实现

2.1 电气火灾监控系统组成方式设计

在实际应用中，电气火灾监控系统主要有以下几种组成方式。

（1）电气火灾监控系统主机+电气火灾监控器+剩余电流式电气火灾探测器+测温式电气火灾探测器，此方式可以同时完成对回路中剩余电流与温度的监测。

（2）电气火灾监控系统主机+电气火灾监控器+测温式电气火灾探测器+电弧故障探测器，此方式可以监测回路中的温度和故障电弧。

（3）在所需要监控的点数不超过8 个时，可不设置集中的主机，采用独立式监控器独自成系统或接入火灾自动报警系统中。

（4）同一项目可根据负荷类型的不同采用合适的电气火灾探测器组合，例如照明负荷可采用电弧故障探测器+测温式探测器，动力负荷可采用剩余电流式探测器+测温式探测器。

2.2 电气火灾探测器位置设计

电气火灾探测器可以设置在低压柜出线、楼层配电箱、末端配电箱等位置，实际设计时有以下方案。

（1）只安装于配电室低压柜出线位置，成本最低。但是在有漏电流产生时，此方案只能确定是某主回路漏电，无法定位发生漏电故障或高温隐患的大体位置。

（2）只安装于楼层配电箱位置，能够定位楼层中的漏电故障、高温隐患。该方案比第一种方案准确度高，但是无法确定具体是哪一支路漏电，无法检测配电室到竖井间的漏电。

（3）只安装于末端配电箱，可以定位支路中的漏电故障、高温隐患。该方案精度高于前两种方案，但是无法检测配电室到竖井间、竖井到支路间的漏电。

（4）在配电室低压柜出线、楼层配电箱、末端配电箱均设置电气火灾探测器，形成分级保护。此方案覆盖全面，能够精准定位火灾隐患位置，但是成本过高。在实际设计过程中，一般会灵活选用前3 种方案进行组合，从而达到成本与测量精度的最佳平衡。

2.3 电气火灾监控系统主机位置设计

由于电气火灾监控系统也是火警系统的一部分，因此电气火灾监控系统主机可以安装在消防控制室内[7]。电气火灾监控系统主机将报警信息和故障信息上传至消防控制室的图形显示装置或火灾报警控制器，消防控制室内24 h 均有人值班，便于第一时间发现报警信息并及时处理故障。

除此之外，由于电气火灾监控系统主要监测的是配电线路中的漏电情况，而且电气火灾监控系统的探测器和传感器一般由开关柜厂家成套提供，因此电气火灾监控系统主机还可以安装在变电所内，由变电所内的值班人员进行管理。

2.4 电气火灾监控系统报警阀值设计

根据国家规范，电气火灾监控系统的报警值需连续可调。在实际设计中，剩余电流的动作报警阀值一般设置在300 mA，温度报警值一般按照电缆最高耐温的70%～80%进行设定[8]。

2.5 电气火灾监控系统的实现

电气火灾监控系统能够实现集中管理和可视化监控，对分散在建筑物内的监控器与探测器进行遥控、遥测等操作[9-13]。当现场配电线路中的被探测参数超过报警阈值时，电气火灾监控系统会发出报警信号和控制信号，并且在主机报警界面上指示报警部位，如图3 所示。与此同时，系统会自动保存报警信息，以便后续分析总结。

图3 电气火灾监控系统监测界面

3 结语

电气火灾监控系统通过多种探测器实现对配电线路的实时监测，提前发现电气方面的火灾隐患，从而有效避免电气火灾的发生，保护人们的人身财产安全。随着科技的发展，物联网技术也越来越多地应用于电气火灾监控系统中，促使电气火灾监控系统变得越来越智能化。