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泄漏电流监测电气火灾监控报警系统在地铁中的应用
基于泄漏电流监测的电气火灾监控报警系统在地铁中的应用
摘要:分析了地铁配电线路泄漏电流引起电气火灾的原因。论述了泄漏电流火灾报警系统在地铁应用的必要性。分析了泄漏电流报警系统的工作原理，介绍了泄漏电流报警系统的硬件组成及软件实现流程。描述了判断具体漏电位置的方法。泄漏电流监测火灾报警系统作为火灾提前预警统，可以提早发现火灾隐患，提早消除隐患，有效地避免或减少火灾的发生。
地铁狭小的运行空间与有限的出入口对防火的要求极高。一旦发生火灾，将给遇险人员的安全疏散及消防员的抢险救生与火灾扑救带来很大困难，严重影响市民生命安全和国家财产安全。
图1为国内外的地铁火灾原因统计。可以看出，电气原因引起的火灾比例*大，占37%。电流泄漏是电气火灾的主要原因之一，如何防止电流泄漏引起的火灾是一个新的课题。
1、泄漏电流引起电气火灾的原因
泄漏电流是由于交流配电线路对地绝缘下降或受损而形成的，也可能由于线路对地等效电容的存在而产生较小的泄漏电流。正常情况下，配电线路电流在相线和零线经用电设备流动，对地绝缘电阻很大，存在很微小的泄漏电流。当线路或用电设备对地绝缘下降或受损、环境潮湿时，泄漏电流变大。经试验，300mA的集中泄漏电流就可能形成电弧，该漏电弧产生的局部高温可达2000℃以上，此时，破损处和邻近的接地导体产生火花放电现象，从而引燃周围的可燃物，造成火灾事故。
如果对泄漏电流进行全方位监视，得到早期报警信息，则可提早发现隐患，制定防御措施，消除火灾隐患，有效避免或减少电气火灾的发生。由此，基于泄漏电流监测的电气火灾报警系统应运而生。目前，该系统已引起国内轨道交通相关单位的高度重视，并有在地铁中成功应用的案例。
2、泄漏电流报警系统分析
2.1、基本功能
泄漏电流火灾报警系统通过对泄漏电流的检测，准确确定泄漏电流位置，持续监测报警地点，发出报警信号并上传至远端值班室，使值班人员及时发现，尽早排除故障，从而避免电气火灾发生。其特点如下：
(1)具有漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和短路瞬时保护功能，可依据用户需要组成合适的保护特性。可智能设定漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和过电流瞬时的预警值。
(2)可显示并储存故障发生点的线路地址、故障类型、故障发生时间，以及漏电电流与三相电流值。
(3)可利用通信技术构成监控系统，实现信息集中管理与上传;能实现在线远程监控功能。
(4)可通过监测及通信技术组成通信网络，实现信息传递与判断，形成完整的报警系统。
2.2、系统原理
2.2.1、泄漏电流检测的基本工作原理
泄漏电流检测的工作原理是基于基尔霍夫电流定律。即在集总电路中，任何时刻，对任意结点，所有流入、流出结点的支路电流的代数和恒等于零。
检测漏电流时，通过三相导线和N线穿过一个电流互感器(见图2)，电路中没有发生设备漏电或接地故障时，三相四线电源的电流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0，则在电流互感器中产生的磁通矢量和等于零，此时二次线圈中的感应电流IL=0，线路正常供电。
一旦电路中发生设备漏电或故障接地，如出现故障漏电电流，，三相四线电源的电流相量和将不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0，则在电流互感器中的磁通矢量和也不等于零，此时二次线圈中有感应电流，即IL≠0。从而可以判断系统中存在泄漏电流。
2.2.2、交流电网泄漏电流有效值的计算方法
交流电网泄露电流有效值的计算式为：
式中：
t——信号周期;i——信号周期内的电流值。
式(1)的程序计算处理方法为：
每个周期均分为n段，每段取1个电流值，则有：T=rt，dt=1，各取样点的电流值为i1，i2…in。
此时式(1)变为：
通过式(2)，在50Hz的交流线路中取合适的，即可算出泄漏电流的有效值。将有效值的大小与系统设定报警值对比，即可实现报警功能的逻辑判断。
2.2.3、泄漏电流报警系统工作原理
在La、Lb、Lc、Ln四条线路中分别设1个电流互感器。各电流互感器均与数据处理装置连接。为实现电流互感器及数据处理装置的可移动化，电流互感器选用钳形电流互感器，并将现场报警及显示装置作可移动式安装处理。电流互感器采集电流数据，输出到CPU(中央处理器)计算得出Ia+Ib+Ic+In的值，判断是否存在漏电现象，并通过设定泄漏电流报警值方式判断是否达到报警条件。
当发生泄漏电流报警时，切断所有负载，系统比较Ia、Ib、Ic、In并输出泄漏电流有效值*大的
线路编号，该线路即为泄漏电流发生的线路。参见图3。
确定泄漏电流发生的线路后，将钳形电流互感器从电源端口处向负载处自上而下移动，即可判断出具体的漏电位置，为检修人员处理故障提供依据。参见图4。
2.3、硬件组成
泄漏电流监测火灾报警系统硬件由以下部分组成：
(1)钳形电流互感器，用于采集线路电流值。
(2)AD转换器，将采集到的模拟电流量转化为数字电流量，并输出至CPU。
(3)CPU，作为检测装置的核心，可实现检测装置的各种控制功能，包括三相电压、三相电流、泄漏电流的采样，数据处理，报警输出，与上位机通信，液晶显示及按键灯等，并实现了安装方式的可移动化。参见图5。
2.4、软件实现流程
软件系统主要实现：电压、电流及漏电流的采样，数据处理，报警输出，按键输入及液晶显示等。其主要逻辑程序为：通过钳形电流互感器采集实时数据，并发送至可移动式CPU进行对比逻辑判断，如果Ia+Ib+Ic+In≥Izd(整定漏电电流报警值)，则线路中有漏电流故障存在，在液晶显示装置上输出报警信息，并提示是否输出出现漏电流故障线路，同时提示是否已将此回路中的所有负载切除;在切除负载后，按下输出漏电流故障线路的按键，系统判断Ia、Ib、Ic、In中的*大值(即存在泄漏电流故障的电流值)，并在液晶显示屏上输出此条线路，并将*终报警信息输出至报警显示器。其流程图如图6所示。
3、结语
基于预防为主，综合防护的电气安全理念，针对地铁运行空间相对封闭及疏散和逃生通道有限，研发了基于泄漏电流监测的电气火灾报警系统。在火灾自动报警系统及消防联动系统的基础上，可更早地进行火灾预警并将报警信号上传至监控值班室，使值班人员及时发现故障，采取应急手段消除火灾隐患。
该监控系统能准确、全天候地监测线路中的漏电、电流、温度等变化，当线路中发生异常时，可迅速发出报警信号并准确报出故障点，以便电气专业人员及时排查电气火灾隐患，将电气火灾消灭在萌芽状态，将损失减少到*低限度。
该系统已得到轨道交通消防设计单位和各地轨道交通建设管理单位的高度重视，相信随着我国轨道交通的迅猛发展，它将有更广阔的应用前景，在地铁的运行安全方面发挥应有的作用。
参考文献
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