电气火灾监控系统设计方案-消防电气火灾解决方案
电气火灾监控系统
摘要：电气火灾监控系统的基本组成应包括：电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器等三个*基本产品种类所组成。
1 电气火灾的成因及现状
电气火灾一般是指由于电气线路、用电设备及供配电设备出现故障性释放的热能，如高温、电弧、电火花以及非故障性释放的能量;如电热器具的炽热表面，在具备燃烧条件下引燃本体或其它可燃物而造成的火灾，也包括由雷电和静电引起的火灾。本文中的电气火灾主要包括以下四个方面：漏电火灾，短路火灾，过负荷火灾，接触电阻过大火灾。
根据《中国火灾统计年鉴》显示：火灾事故中，电气火灾居首位，且所占比例呈上升趋势，造成的损失十分惨重。事实上，电气火灾已成为消防安全的主要致灾因素，不仅次数多、损失大，而且多年来一直居高不下。
二十世纪八十年代末，一些发达国家开始强制安装电气火灾监控系统，起到了立竿见影的效果，其电气火灾占总火灾的比例由原来的30%下降到了2%.由此可见，电气火灾监控系统的应用可以有效预防电气火灾的发生，保护人民生命财产安全。
2 相关标准
近年来，国家为了加大电气火灾监控防范的力度，相继制订或修改了一批相关标准规范，加强对电气火灾的预防。主要有：
GB14287.1-2005：电气火灾监控设备
GB14287.2-2005：剩余电流式电气火灾监控探测器
GB14287.3-2005：测温式电气火灾监控探测器
GB50016-2006：建筑设计防火规范
GB50116-2008：火灾自动报警系统设计规范
GB16838-2005：消防电子产品环境试验方法及严酷等级
GB50054-2011：低压配电设计规范
3 电气火灾监控系统构成
根据国标GB 14287—2005《电气火灾监控系统》的要求，电气火灾系统由电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器等三个*基本产品种类所组成。
电气火灾监控设备：能接收来自电气火灾监控探测器的报警信号，发出声、光报警信号和控制信号，指示报警部位，记录并保存报警信息的装置。
剩余电流式电气火灾监控探测器：探测被保护线路中的剩余电流值，当电流值超出预警后可发出声光报警信息。
测温式电气火灾监控探测器：探测被保护线路中的温度值，当电流值超出预警后可发出声光报警信息。
3.1 剩余电流式电气火灾监控探测器又由监控探测器和剩余电流互感器(分对插式、闭合式两种)所组成;测温式电气火灾监控探测器由监控探测器和测温传感器所组成。
3.2剩余电流式电气火灾监控系统采用分层分布式结构，由站控管理层、网络通讯层和现场设备层组成。系统拓扑图如左图所示：各电气火灾监控探测器通过屏蔽双绞线 RS485接口，采用MODBUS通讯协议总线型连接接入通讯服务器，然后通过五类线TCP/TP协议进入工业交换机，然后通过光缆到达监控主机。
a)现场设备层主要是连接网络中用于电参量采集测量的各类型的仪表和保护装置等，也是构建该监控系统必要的基本组成元素。不仅肩负着采集数据的重任，同时也是执行后台控制命令的终端元件。
b)通讯控制层主要是由通讯服务器、接口转换器件及总线网络等组成。该层是数据信息交换的桥梁，不同的接口转换器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太网等各种接口，组网方式灵活，支持点对点的通讯、现场总线网络、以太网等类型的组态网络。通讯服务器主要用于直接对现场仪器仪表转达上位机的各种控制命令，并负责对现场仪器仪表回送的数据信息进行采集、分类和存储等工作，如电压/电流等电参量、输入开关量状态、修改仪表内部参数或各种控制继电器断开/闭合的操作命令等;微机保护装置主要是为保证上位机的正常工作，避免网络中不稳定信号对其造成的干扰或破坏;接口转换器件则是由于现场仪表或其它系列的装置与上位机的通讯接口存在差异，需要进行转换方可进行数据交换。
c)管理测控层是针对监控网络的管理人员，该层直接面向用户。该层也是系统的*MOQF2上层部分，主要是由电气火灾监控系统软件和必要的硬件设备如计算机、打印机、UPS等。其中软件部分具有良好的人机交互界面，通过数据传输协议读取前置机采集的现场各类数据信息，自动经过计算处理，以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况，并可接受管理人员的操作命令，实时发送并检测操作的执行状况，以保证供用电单位的正常工作。
4 电气火灾监控系统特点和工作原理
电气火灾监控系统测量剩余电流和温度两个物理量。
剩余电流测量是根据基尔霍夫电流定律：在同一时刻，电路中流入和流出一个节点的电流矢量和为零。以TN-S系统为例(如图1所示)，将A/B/C/N同时穿过剩余电流互感器，当系统未发生漏电时，流入和流出剩余电流互感器的电流矢量和为零，此时，剩余电流互感器感应出的二次电流也为0;当某相对大地发生漏电，此时流入和流出剩余电流互感器的电流矢量和不再为零，其大小等于从大地流走的电流即漏电流。此漏电信号通过剩余电流互感器的二次接线传输至电气火灾探测器，经运算放大、A/D转换后送入CPU，经过一系列算法后，对变化的幅值进行分析、判断，并与报警设定值进行比较，若超出定值则发出声光报警信号并上送至后台电气火灾监控设备。
温度测量采用温度传感器，一般采用Pt100传感器进行测量。该种类型的温度传感器测温稳定、量程范围大，适合在现场监测线缆温度和环境温度使用。当温度发生变化时，Pt100自身阻值发生同比例变化，将该电阻信号传输到电气火灾探测器，经过一系列信号转化和运算后，将*终结果同温度报警定值进行比较，若超出定值则发出声光报警信号并上送至后台电气火灾监控设备。电气火灾监控系统拓扑图见图2。
图2
其基本原理是，当电气设备中的电流、温度等参数发生异常或突变时，终端探测头(如剩余电流互感器、温度传感器等)利用电磁场感应原理、温度效应的变化对该信息进行采集，并输送到监控探测器里，经放大、A/D转换、CPU对变化的幅值进行分析、判断，并与报警设定值进行比较，一旦超出设定值则发出报警信号，同时也输送到监控设备中，再经监控设备进一步识别、判定，当确认可能会发生火灾时，监控主机发出火灾报警信号，点亮报警指示灯，发出报警音响，同时在液晶显示屏上显示火灾报警等信息。值班人员则根据以上显示的信息，迅速到事故现场进行检查处理，并将报警信息发送到集中控制台。
4.1电气火灾监控系统与传统火灾自动报警系统的区别
电气火灾监控系统的特点在于剩余电流电监控方面属于先期预报警系统。与传统火灾自动报警系统不同，电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失，而传统火灾自动报警系统是为了减少损失。所以，这就是说为什么不管是新建或是改建工程项目，尤其是已经安装了火灾自动报警系统的单位，仍需要安装电气火灾监控系统的根本原因。
5 系统设计注意事项和方法
5.1 电气火灾监控系统主要监测剩余电流和温度两类对象，在设计时应注意的基本要点
(1)关于剩余电流
由于剩余电流监测的原理采用了基尔霍夫电流定律，所以，对所应用的低压配电系统形式有一定要求。目前，可以应用剩余电流互感器的低压配电系统有：TT系统，IT系统，TN-S系统，不能使用在TN-C系统中。对将要设计安装电气火灾监控系统的用户，不管是新工程或旧工程改造项目，首先要调查核实该用户低压配电系统的系统接地形式是什么，否则，设计安装剩余电流互感器的点位进行检测是根本无法施行的。
关于AC220V单相供电系统，剩余电流互感器只要套住L/N两根电源线即可，但要求中性线N此后不容许再接地。对于AC380V三相供电系统，由于有三相三线制、三相四线制、三相五线制等使用状况，则根据具体情况将剩余电流互感器同时套住A/B/C三相电源线，或同时套住A/B/C/N线。同理，要求中性线N此后不许再接地，保护线PE不得穿过互感器。
在系统接地的形式为TN-C型时工业自动化网，必须将其改造为TN-S型、TN-C-S型或局部TT型系统后，才可以安装剩余电流检测装置。
(2)关于温度
温度测量与系统接地的形式无关，主要考虑包括线缆在内的低压配电装置中关键部位的温度，一般在二级保护的线路中应用。温度探头Pt100可采用接触式布置法，当被检测对象为绝缘体时，宜将探测器的温度传感器直接设置在被探测对象的表面。当被检测对象为配电柜内部温度变化时，可采用非接触式布置，靠近发热部件。
5.2 系统设计中的点位分配
根据国家标准GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》4.4条中关于分级保护的规定，安装剩余电流火灾监控装置时，点位分配原则的步骤是：
(1)研究分析被控低压AC380V/220V配电线路的相关图纸，将建筑电气的分布情况调查核实，确定配电设备(如配电柜、箱、盘、电缆等重要设备)的位置，把每一个监控探测器分配到相应的配电设备上，以此来确定探测器的数量，避免重设浪费。
(2)确定分级保护。为了缩小发生人身电击事故和接地故障切断电源时引起的停电范围，通常在供电线路的不同地点安装三级(或两级)不同容量的剩余电流保护装置，以形成分级保护。根据用电负载及线路情况，一般分两级或三级保护，适用于城镇和农村第一级和第二级保护。
其中，重要线路应包括安防、消防、应急电源、通道照明线路及不容许停电的重要场所。
(3)二级保护中，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)和分支首端(第二级也称为末端保护)都要安装剩余电流探测器，并接入电气火灾监控系统汉阳科技版权所有，只作火灾监控报警用。
(4)三级保护中，第三级(即末端保护)开关处应设置剩余电流探测器及动作保护装置，但不接入电气火灾监控系统，为的是防止人身触电。
(5)温度检测是以配电设备异常时发热为基本原则而进行的，具体检测点参考现场实际情况。
1)变压器低压侧出线端子、变压器体温(风温、油温、水温)测试点、负荷开关触头。
2)各配电柜(箱)的进出母线接点、自动开关(断路器、刀开关)触头、大电流导线集中部位、线缆驳接点。
3)母联柜主接点、刀开关触头。
4)补偿电容器接线端子、转换开关触头。
(6)根据点位安装总数，再选择相应的壁挂、立式或琴台。
6 系统参数的配置
6.1 电气火灾监控系统报警值设置范围
依据国家标准GB14287.2-2005中的规定，剩余电流式电气火灾监控探测器的报警值设置范围在20~1000mA之间。按此要求，一般把电源总进线处的剩余电流动作值定为400~800mA，电源分支线路上的剩余电流动作值定为100~400mA.一般在实际现场，设置剩余电流式电气火灾监控探测器的报警值，具体地说应不小于被保护电气线路和设备的正常运行时泄漏电流*大值的2倍，且不大于1000mA.
电气火灾探测器的报警设定值应考虑配电系统及用电设备的正常泄漏电流，固有漏电流的估算见下表。
6.2 关于电缆温升报警设定参考，根据《电力电缆设计规范》对电缆有关温度的规定
(1)60℃以上高温场所应按经受高温及其持续时间和绝缘类型要求，选用耐热聚氯乙烯、交联聚乙烯或乙丙橡皮绝缘等耐热型电缆100℃以上高温环境宜选用矿物绝缘电缆。高温场所不宜选用普通聚氯乙烯绝缘电缆。
(2)电缆持续允许载流量的环境温度应按使用地区的气象温度多年平均值确定，并应符合规定。在户内电缆沟敷设时，环境温度为场所*热月的日*高温度平均值另加5℃.
(3)电缆所承受温升与敷设及散热条件有关。
7 系统应用实例
民用机场中心变电站是整个机场安全可靠运行的重要保障，一旦机场中心变电站发生故障，会对正在进近降落的飞机造成极大的安全隐患，使机场航站楼、控制塔台、导航台站中断供电，严重扰乱机场秩序、影响飞机及乘客的生命财产安全。某民用机场改扩建工程中心变电站及航站楼配电室采用电气火灾自动报警系统，该系统由监控软件gdZ201、lfs200系列电气火灾监控设备、lfj-201系列电气火灾探测器和传感器共同组成。应用于0.4kV低压配电系统中，用来监测IT、TN-S及TT系统中的剩余电流、温度等重要参数。如果被监测参数值超过告警定值，可发出声光告警与保护信号，同时切断问题所在回路的断路器，以消除电气火灾隐患。该系统还可接收消防系统的联动信号，进行消防联动控制。该系统是*新一代的计算机综合自动化火灾监控管理系统，其功能强大，全面性、针对性、可操作性和稳定性均得到进一步的提升和完善，是一套集电气火灾监控、管理操作及综合信息自动化为一体的现代化监控管理信息系统。具有稳定性高、可靠性好、实时性强、兼容扩展性突出、人机界面友好及易操作维护等特点。
电气火灾监控系统可以完成剩余电流和温度采集、报警管理、曲线分析、报表生成、告警打印、用户管理等多种实用功能，从而加强了电气火灾系统的可靠性、易用性和有效性。整个系统集保护、测量、控制、报警、远传等功能为一体，控制技术与网络技术相结合，实现数据共享。全天候监控。
系统结构采用“系统后台主站层——通讯间隔层——现场设备层”的分层分布式设计思想，各个系统层详细介绍如下：
现场设备层：具体包括：电气火灾监控探测器，剩余电流互感器，温度传感器等。负责采集现场的各类数据和信息状态，发送给通讯网络层;同时也作为执行单元，执行通讯网络层下发的各类指令。
通讯间隔层：负责与现场设备层的各类装置进行通讯，采集各类装置的数据、参数，进行处理后集中打包传输到主站层;同时作为中转单元，接受后台主站层下发的指令，转发给现场设备层各类装置。
后台主站层位于消防中控室内，具体包括：安装有电气火灾监控软件的电气火灾监控设备(内含：键盘、鼠标)等相关外设。负责将通讯网络层上传的数据解包，进行集中管理和分析，执行相关操作，负责整个电气火灾系统的整体监控。
