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电气火灾监控系统在地铁等轨道交通领域设计技术探讨

发布时间:2015-8-10 14:58:06  作者:固德力安

  电气火灾监控系统在地铁等轨道交通领域设计技术探讨

  【摘要】针对轨道交通设施的特点,阐述了电气火灾监控系统覆盖范围电气火灾监控系统构成、信息采集方式、信息传输方式等内容,通过工程典型案例,提出经济实用的设计方案。

  【关键词】电气火灾监控系统  应用范围  信息采集  信息传输方式  传输介质  点位分配  系统结构

  0 引言

  在各种灾害中,火灾是最经常、最普遍的威胁公众安全和社会发展的灾害之一。在设计项目中对火灾的预防与控制是维护公众安全的一个重要标志。轨道交通作为公众聚集场所,一旦发生火灾难以施救,往往容易造成恶性事故,所以加强对轨道交通公众聚集场所的消防安全管理工作非常重要。

  近年来,电气火灾事故的发生率居高不下,相关部门已经把“预防电气火灾事故”的工作提上议事日程。电气火灾监控系统的设计以及应用也愈显重要,并已开始应用到民建、公路、医院、学校、轻轨及地铁等各个领域。

  轨道交通设施中的电气设备密度大、负荷重。电气设备和电气线路在运行使用时,由于各种原因,容易存在事故隐患。这些事故隐患如不及时发现排除,就容易发生电气火灾事故。在车站站厅、站台,控制中心等大型公共建筑设施中人员密集,一旦发生电气火灾事故将会导致严重的人员伤亡及财产损失,后果不堪设想。

  因此,预防轨道交通电气火灾事故的发生,查找事故隐患,保证其运营设施中电气设备的安全运行,是轨道交通工程设计单位和有关部门及全社会应关注重视的问题。

  本文将根据项目的使用性质、重要程度及投资条件等情况,对电气火灾检测系统设计中需要解决的主要问题进行梳理、探讨,以期能为工程设计人员提供帮助或参考。

  1 电气火灾监控系统覆盖范围的确定

  系统覆盖范围的确定原则上要根据项目的使用性质、重要性及发生火灾的危险性、投资情况综合考虑。

  对于地下轨道交通项目,由于机电设备密集,用电负荷很大,更重要的是发生火灾时人员疏散和救援困难,早期预防尤为重要。在投资允许的情况下,建议采用全覆盖方案。所谓全覆盖应该是覆盖变电所设施、末端配电设施、电缆夹层、电缆通道及主要的电缆桥架等容易发生电过热的场所。

  对于地上轨道交通项目,由于机电设备相对于地下站较少、用电负荷不大,更重要的是发生火灾时的人员疏散和救援相对难度较小。在这种情况下,建议采用部分覆盖方案。所谓部分覆盖为至少覆盖变电所设施、电缆夹层及电缆通道等容易发生电过热的场所。

  2 电气火灾监控系统构成内容的确定

  系统覆盖内容的确定原则上也要根据项目的使用性质、重要性及发生火灾的危险性、投资情况综合考虑确定。

  电气火灾监控系统一般可以包括以下几个组成部分:电气火灾检测设备,也叫主机;电气火灾探测设备,也叫传感器。

  电气火灾探测设备又分为剩余电流式电气火灾探测器、测温式电气火灾探测器、线型感温探测器。根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-2008),电气火灾监控系统应包括上述部分或全部监控装置。

  同样的道理,对于地下轨道交通项目,早期预防尤为重要,在投资允许的情况下,建议包括上述全部监控装置,我们可以称其为大系统。对于地上轨道交通项目,由于机电设备相对较少,用电负荷不大,更重要的是发生火灾时的人员疏散和救援相对难度较小,在这种情况下,建议采用部分内容构成,我们可以称其为小系统。

  电气火灾监控系统的发展初期,由于只研发了探测设备,而没有处理主机设备,当时的方案基本上是将火灾探测器通过继电器握手的方式接入FAS系统,现在轨道交通项目一般都是组成专门的电气火灾监控系统。

  3 信息采集手段的选择

  信息采集手段一个是要适应所采集的物理量,一个是要适应采集环境或场所。

  3.1 剩余电流式电气火灾探测器

  对于剩余电流式电气火灾信息,通常就是剩余电流互感器加采集模块,一般一个采集模块可以带4~16个剩余电流互感器,以8个为代表配置。采集模块具有与系统联网的端口和为数不多的I/O接点。在轨道交通项目中,由于电气火灾系统一般不动作与跳闸,也很少直接联动其他设备,所以I/O接点用的较少。

  3.2 点式测温式电气火灾探测器(见图1)

点式温度传感器布点示意图.jpg

  用于配电装置的测温式电气火灾探测器通常由点式温度

  3.3 线型感温探测器

  用于配电线路的测温式电气火灾探测器,需要选择线型感温探测器。线型感温探测器分为感温电缆和感温光纤。感温电缆需要和专门的采集模块配套使用,一般是一对一配套。感温电缆存在检测范围小、

  误报率较高、报警值固定等缺点。近几年研发的光纤感温探测器由于探测距离长、精确度高、误报率低、报警值可调、且可以探测温度梯度等优点已经得到广泛采用,光纤感温探测器可以直接和监控主机连接,一台主机可以带几公里甚至几十公里的光纤感温探测器。

  感温电缆需要与被保护对象采用接触式蛇形敷设,因为感温电缆采用的是热传导原理。

  感温光纤可以与被保护对象采用接触式蛇形敷设,也可以采用非接触式敷设,因为感温光纤复合了热传导、热对流及热辐射的原理,不同的辐射方式吸引设置不同的报警值。

  4 信息传输方式及传输介质

  这里讲的信息传输指的是电气火灾检测系统内部,采集模块与监控主机之间的信息传输。具体的传输方式有以下几种:

  4.1 总线型传输方式

  对于剩余电流式电气火灾采集模块及点式温度采集模块,一般采用总线与监控主机通信,通常采用双绞线作为传输介质。由于轨道交通项目中电磁环境比较差,通信线路需要与强传感器和采集模块组成,传感器又分接触式和非接触式两种。接触式温度传感器都是绝缘材料封装的,一般敷贴于断路器触头或母排上,非接触式温度传感器一般安装于配电设备的上部。和剩余电流采集模块类似,温度采集模块,一般一个采集模块可以带4~16个剩余电流互感器,以8个为代表配置。采集模块具有与系统联网的端口和为数不多的I/O接点。

  电线路保持足够的距离,采用超五类屏蔽双绞线可以大大提高传输的可靠性,但投资比较高。

  4.2 无线传输方式(见图2)

无线测温系统示意图_副本.jpg

  对于剩余电流式电气火灾采集模块及点式温度采集模块,近几年发展出采用无线技术进行无线传输的方式。这种系统采用无线射频(RadioFrequency)技术和蓝牙(Bluetooth)技术,具有非常强大的传输调制信号功能,即使在有干扰信号和阻断信号的情况下,该系统也可以做到以较高的质量发送并且以较好的灵敏度接收调制信号;采用国际免费915MHzISM频段和调频、跳频技术,使用权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议,高级CRC数据校验、接入控制清单(ACL)和高级加密标准(AES128)的对称密码,防止非法获取数据,具有很高的可靠性、灵活性和安全性。这种传输方式还节省了传输介质的投资。

  4.3 感温光纤系统的传输方式

  感温光纤的特点是,它既是温度敏感元件,也是信息传输介质,两者合二为一。

  5系统组网方式

  一般来讲,一台监控主机可以接出几个总线回路,每个回路可以接若干采集模块,每个模块可以带几个探测器,但这些数据,不同品牌的设备有不同的限制,需要根据产品说明书的要求进行设计。对于一般规模的车站一台主机可以满足要求,当项目规模较大时,可以划分为两个以上的子系统,各子系统上端可以通过计算机通信方式进行联网。

  现在市场上出现了一种可以同时连接剩余电流式电气火灾探测器、蓝牙测温式电气火灾探测器、光纤感温探测器的复合型监控主机,使用起来比较方便。

  6 典型设计案例介绍

  6.1 车站主体及供电系统概述

  一座典型的地铁车站为站厅站台两层,一般车站长度在200m左右,根据其建筑规模、负荷分布情况设置1座降压变电所为动力照明负荷供电。降压变电所设置在重负荷端,便于电缆线路引入、引出;便于设备运输。各车站降压变电所原则上负责整个车站及其两端各半个区间的动力照明负荷的供电。

  在车站的两端各设一处环控电控室,室内设数面环控电控柜(按一级配电箱考虑,并对该系统小负荷供电);在岛式车站中,车站两端设4座照明配电室,每个室内设正常照明总配电箱和一个应急照明电源柜,根据防火分区和各种类型的照明又分二级配电箱,公共区、出口、安全照明、一般房屋及其他照明配电箱的电源分别引自总照明配电箱。在每个设备房间内设有一级配电箱、二级配电箱、检修插座箱等。

  由于车站机电设备密集、用电负荷很大,动力配电采用放射式为主、树干式为辅的供电方式,照明配电采用放射式与树干式相结合的供电方式,变电所出线回路很多,电缆夹层、电缆通道及吊顶内的电气线路密集,容易发生电过热产生火灾。

  6.2  电气火灾系统的覆盖范围及系统点位的配置

  在设计时首先对上述整体低压配电系统的全部相关图纸资料进行全面详细的了解,分析研究被控配电电路,同时清晰了解车站电气的分布,用电设备的分布及一级、二级和末级配电设备情况、具体位置,确定电气火灾检测系统的覆盖范围。

  具体到本案例,车站设置一套电气火灾监控系统(主机设置在综合控制或消防值班室内),车站的电气火灾探测器设置在低压配电室的低压开关柜的出线端以及二级配电箱的入线端。

  该布点方案基本覆盖了变电所低压配电柜、干线电缆、一二级配电箱,包括:照明配电室中一、二级配电箱,设备房间一级配电箱,二级配电柜(环控柜),竖井中电缆等配电系统的主干部分,属于准全覆盖方案。

  具体布点情况是,在低压配电室的低压出线回路、防火区域照明配电箱进线处及建筑物内人员密集的(如站厅、站台、出入口等)公共场所的配电箱内总开关输出端等处设置电气火灾探测器。

  变电所低压开关柜及二级配电箱重点配置电气火灾探测器报警点,所有开关处都要设置安装剩余电流火灾监控探测器,即在线路的电源端(第一级保护)和第一分支端都要安装剩余电流探测器。

  末端配电箱是配电系统的最后一级,影响范围相对较小,可以根据具体用电设备及防护要求有选择地设置电气火灾探测器。

  我们的体会是,电气火灾监控系统作为电气火灾防范的预报警系统,应本着实用保护的方针,将建筑物分类、保护对象分级、供电区域列档次,分清主次,重点设防,平时和事故时均可实时监控和一般性监控。电气火灾监控探测器设在配电室低压开关柜的出线端以及二级配电箱的入线端,保护目标明确且有效,这样的布置方式也可以有效地监控轨道交通车站全部范围,基本全方位地对车站电气火灾起到了预防的功效,同时在一定程度上简化了电气火灾监控点的设计数量,节约了投资。相反,如果不加选择地在每级配电箱设置监测点,就一个标准地铁车站来讲,电气火灾系统的投资约增加3倍以上,这不但增加投资方的资金投入,也造成了不必要的浪费,且实施起来非常繁复,后期施工复杂,不利于高品质的施工。

  6.3  电气火灾检测系统的组成内容

  该案例设置了探测头剩余电流互感器、点式温度传感器。由于投资限制,没有设置线型温度探测器,虽不属于大系统,但也不是小系统,是一个适度规模的系统。

  6.4 系统的传输方式(见图3、4)

电气火灾监控系统原理图_副本.jpg

电气火灾监控系统示意图_副本.jpg

  该案例采用了总线传输方式,即通过监控探测器(终端探测头)采集配电柜(箱)内导电母线中的剩余电流信号,经内置单片机系统分析处理后,应用二总线通信方式,与消防控制室或值班室里的电气火灾监控主机连接,监控主机对上传信号进行分析、判断,决定是否报警及发出联动控制命令,二总线采用了两根1.0~1.5m2的塑铜线,传输距离较长,技术成熟,误报漏报率较低。

  这种系统分工明确,结构简单,成本少,故障率偏低,不含电源控制开关,不串入配电系统,只通过剩余电流互感器(或测温探头)采集信号,性能稳定可靠。可以预见,这种与低压配电系统相对独立的系统形式,将是今后电气火灾监控系统产品的主要发展方向。

  6.5 电气工程设计中应该注意的问题

  在电气工程设计中设置电气火灾监控系统时,应严格执行国家相关技术规程、规范;设备选型应选用专业实力雄厚厂商制造的性能稳定可靠、技术先进成熟、人机界面操作简单、实用方便的产品。根据项目情况及资金状况,系统中设置监测点位置越靠近终端,且级数越多越精确,成本越高。所以设计时要考虑项目及资金情况,平衡设置监测点的数量、产品档次、安全保障以及它们与成本之间的关系。一般监测点设置在低压柜、配电箱中,这样既能保证基本功能,还能节省设备投资及布线成本。

  电气火灾监控系统由于跨专业性强,监测数据较为精密,且各探测器分部较为分散,这就要求在设计中做到各个环节的接口衔接标识清晰、完整,为顺利地安装调试提供先决条件,提高系统的稳定性,保证系统在日后运行中的安全稳定。

  7 结束语

  电气火灾监控系统可靠性好,灵敏度高,动作速度快,预防火灾的作用非常有效。鉴于它在查找电气火灾事故隐患方面的独特功能,因而在欧美等发达国家得到了普遍使用,国内现在也正在逐步推广,并在一些已建成的铁路、地铁设计建设项目中,得到了初步的应用。随着人们对电气火灾监控系统认识的不断加深,电气火灾监控系统将以它有效的防火功能,更多地被应用到相关的电气工程设计方案中。

  参考文献

  [1]地铁设计规范[S].GB50157-2003.

  [2]建筑设计防火规范[S].GB50016-2006.

  [3]低压电气装置的设计安装和检验[M].北京:中国电力出版社,2007.

  [4]民用建筑电气设计规范[S].JGJ16-2008.


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