電氣火災監控系統ACS-E的設置方案詳細分析

電氣火災監控探測器的定義

    國度標準GB14287-2005《電氣火災監控系統》**部分的3.3中，“電氣火災監控探測器”（Detectorsforelectricfireprotection）被定義為：“探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數變化的探測器”。

    GB14287-2005規定：電氣火災監控探測器以探測參數區分有“剩余電流式電氣火災監控探測器”（GB14287-2005第二部分）和“測溫式電氣火災監控探測器”（GB14287-2005第三部分）兩種；以工作方式區分有獨立式探測器（具有監控報警功能的探測器）和非獨立式探測器兩類。

    可見，剩余電流和溫度在GB14287-2005中被認為是電氣火災技術防范的重點。事實上，接地電弧性短路、設備或連接點溫度過高是電氣火災發生的主要原因。

    基于電氣火災監控探測器的定義，剩余電流式電氣火災監控探測器的任務僅在于防范電氣火災，與GB16917-1997所規范的RCBO（剩余電流動作斷路器，即“漏電開關”）在防護功能、技術參數、結構要求等方面有很大區別。RCBO更側重于人身安全的防護。兩者應當配合使用，但不能相互替代。

    對電流、電壓及其他電力參數的計量監控和故障防護，現有的電工器件已十分成熟。在電氣火災監控探測器上添加這些功能（例如GB50045-94（2005版）《高規》的“過電流探測”），筆者認為只是擴展性的，并非必要。當然，如果在某些場合用戶確實需要同時具備過電流、異常電壓報警，則又另當別論。

    幾個相關的概念

    在討論剩余電流式電氣火災監控探測器的設置之前，有必要先弄清以下概念：

    “剩余電流”：交流供電線路相線（La、Lb、Lc）與中性線N的電流的矢量和。當沒有發生單相接地故障時，無論三相負載平衡與否，此矢量和的理論值為零（實際上還存在著線路與設備的正常泄漏電流）；當發生接地故障時，剩余電流為接地故障電流和正常泄漏電流的矢量和。

    “零序電流”：交流供電線路相線（La、Lb、Lc）的電流的矢量和。當沒有發生接地故障時，此矢量和的理論值等于中性線N電流的值。當發生接地故障時，零序電流為相線（La、Lb、Lc）的電流、接地故障電流和正常泄漏電流三者的矢量和；這時，它與中性線N電流是不相等的。

    “正常泄漏電流”：在無絕緣故障的情況下，從設備的帶電部件流入大地的電流。這種電流往往是由非純阻性的阻抗引起的，是某些設備固有的工作特性決定的、在一定范圍內允許的。

    “接地故障電流”：由于絕緣故障或通過非預期負載而流入大地的電流。通俗習慣稱為“漏電電流”。這種電流是相線對地發生電弧性短路而產生的。一般認為，在非可燃物質環境下，100mA以下尚不構成火災危險。

    “剩余電流互感器”：探測供電線路剩余電流的互感器，它的一次回路是相線（La、Lb、Lc）和中性線N。即相線和中性線同時、同向穿過窗口。剩余電流互感器的主要要求是mA級的高精度、40A以上的抗過載能力。

    “零序電流互感器”：探測供電線路零序電流的互感器，它的一次回路是相線（La、Lb、Lc）。即所有相線同時、同向穿過窗口。如果用于單相，效果與普通電流互感器（C.T）相同。

    剩余電流式電氣火災監控探測器的任務是要正確檢測出供電線路和設備的接地故障電流并及時發出報警，實際上所探測的是被保護區域的剩余電流。目前剩余電流式探測器基本上都采用剩余電流互感器作為探測元件。GB14287.2-2005《剩余電流式電氣火災監控探測器》中規定的測試方法，就是針對這種互感器型式的。如果誤為“零序電流互感器”，則是概念上的混淆。

    如果我們用一個零序電流互感器、再在中性線N上用一個普通電流互感器，然后設法把它們的輸出作矢量差，也能探測出剩余電流。這也可作為某些特殊情況下的剩余電流探測方法。

    剩余電流式探測器的固有缺陷

    作為電氣火災技術防范的重要手段，剩余電流式電氣火災監控探測器在現實發生的多數情況下可以檢測出供電線路和設備的接地故障電流。但是，我們在設計應用中還必須清醒地認識到：由于剩余電流檢測的原理所制約，它在三相電路中存在著不可忽視的探測接地故障電流的盲區。

    在單相電路中，或三相電路里只有一相的相線通過故障阻抗Za接地時，在正常泄漏電流可以忽略不計的情況下，剩余電流互感器所探測到的，的確就是接地故障電流。這時，剩余電流式電氣火災監控探測器的作用沒有問題。

    但是，當三相電路有兩相或三相同時存在接地故障，那么剩余電流互感器探測到的是所有各相的工作電流、接地故障電流和中性線電流的矢量和。由于三相相位差120°，因此探測出來的剩余電流iΔ的值必然小于各相接地故障電流（iΔa、iΔb、iΔc）的代數值之和（見圖1c）。例如在特殊情況下，如果三相同時存在相等值的接地故障電流（不論這些電流有多大），剩余電流將為0。這時，剩余電流式電氣火災監控探測器將不能正確檢測出這些接地故障電流。如果使用RCBO，則會出現拒動。

    我們不能因此而否定剩余電流式電氣火災監控探測器的作用。畢竟出現這些情況并不是經常的，況且在預防電氣火災的范疇內，無須非常精確地測出剩余電流的數值。但是，終究存在著漏洞；作為設計和使用者，應該盡量避免這些情況的發生。

    對交流接地故障電流的探測，除了剩余電流式外，還可以采用其他方式的技術，例如電流鑒相式、電流分離式、復合式等進行彌補或改進，盡量縮小或消除盲區，使之更加可靠有效。這固然需要生產廠家不斷研發更為完善的探測器（筆者淺見宜稱為“接地故障電流電氣火災監控探測器”），但相關的國度標準也有必要作進一步的補充和規范。

    剩余電流式電氣火災監控探測器的設置

    以筆者的經驗，循以下步驟可能可以較為合理而快捷地作出剩余電流式電氣火災監控探測器的設置方案。

    1、取得供配電系統圖

    電氣火災監控系統的監控對象是供配電系統，供配電系統圖是電氣火災監控系統的設計基礎。不掌握本項目供配電系統的全局，就無法進行合理的設置。

    供配電系統圖應包括高壓配電圖、低壓配電圖（干線圖和區域圖）、配電柜結線圖。我們可以從這些圖中了解到市電供給的路數、變壓器柜和電容補償柜及轉換柜的數量和容量、各節點的電流大小、各段電纜的型號和走向、各配電柜及柜內主要斷路器的型號容量以及電纜或銅排的尺寸和結線方式、各區域的用電性質和功率。

    對于改造項目，即使無法取得原始設計圖，也應在業主配合下實地勘察，力求對供配電系統有盡可能詳實的了解。

    2、分析電力線路系統的適用性

    按照相關規范要求，建設項目的區域低壓配電系統應是TN-S系統，即“三相五線制”。在工程實踐中，往往從節省投資出發，把供電干線設計成TN-C形式的三相四線，然后以樹干形或放射形分布出去。從整個配電系統來看，則成為TN-C-S系統。

    較老舊的建筑，其低壓配電系統多是TN-C系統，即“三相四線制”。

    剩余電流式電氣火災監控探測器適合安裝在TN-S系統或局部TN-C-S系統，及TT系統的場所。要在TN-C系統設置剩余電流式探測器，就必須對原線路進行適當的改造。

    不管干線是哪種系統形式，在需要設置剩余電流式探測器的低壓配電柜安裝時，都應當在配電柜內把出線轉換成TN-S系統或TT系統，并且要確保出線的N線不重復接地（筆者將在下一續篇詳談剩余電流式電氣火災監控探測器的安裝）。

    3、布點設置

    剩余電流式電氣火災監控探測器的設置原則是，應配置在低壓配電系統末級配電柜進線或出線端，監控該級至終端用戶的線路和設備。

    所謂“末級配電柜”，是指位于配電系統某一路分支線到若干個終端用戶之間的配電柜；例如樓層配電柜、場所區域配電柜、功能專區配電柜、設備專用配電柜等等。

    在供電末級正常泄漏電流不大于200mA，且上一級的正常泄漏電流不大于500mA，仍符合設置剩余電流探測器條件時，宜在其上一級供電配電柜處也設置，這樣可以對兩級之間的線路和設備實施監控保護。例如“-2FZ”、“-1FZ”，**也設置。而“AK1”的下級柜很多，“AC1”是較大的動力負載，它們的正常泄漏電流很可能超過500mA，如果豎井內電纜防護及安裝良好，則不一定設置。

    對于一級及以上保護級別的對象，例如“1FZ”、“2FZ”是人流密集的商場的樓層總柜，應安排設置，與“1F1”、“2F1”……等下級柜配合組成兩級探測監控。

    在以上分析的基礎上，于系統圖上初步標示出需要設置剩余電流探測器的配電柜。

    4、復查精簡

    根據供配電系統圖設計的各配電柜的負載性質、功率、保護配置，核查是否確有必要設置剩余電流探測器。

    例如，“18FK”的負載是中央空調機組，該機組配套的控制箱已安裝RCBO并有報警裝置，這里就可精簡。

    使用安全電壓供電的電氣設備、一般環境條件下使用的具有加強絕緣（雙重絕緣）的電氣設備、使用隔離變壓器且二次側為不接地系統供電的電氣設備，可不安裝剩余電流探測器。

    復查精簡這一步驟不可或缺。筆者認為，電氣火災監控系統中探測器在必要的地方一定要設，但應當力求少而精，盡量使每個探測器充分發揮作用，減少構成監控系統的探測器數量。這對提高投資效能、保證系統可靠性、方便運行管理都是必要的。

    5、設置探測器參數

    剩余電流式探測器的基本參數是報警電流值和控制斷路器脫扣的延遲時間。

    ⑴報警電流值

    ??正常運行時的泄漏電流**值的2倍，但不應大于1O00mA。

    被保護電氣線路和設備正常運行時的泄漏電流值，在供電系統設計時就應根據該線路和設備的產品國標基本確定下來，并以此為依據，設計報警電流值。例如，某區域設計有100個照明點，全部使用國度推廣的節能照明燈具，每個合格電子鎮流節能燈的標準泄漏電流極值是0.5mA。加上其他用電器，估算該區域正常運行時的泄漏電流將有80mA，那么該區域配電柜的剩余電流式探測器的報警電流值應設計為150～200mA。

    雖然報警電流值還需要在現場具體設定，但如果發現實際的泄漏電流比設計估算的正常泄漏電流大很多，就要注意是否有不合格設備或錯誤施工（如線路絕緣不良、共零、TN-S系統N線重復接地等）。報警電流的設計值有助于防止將故障泄漏電流當成正常泄漏電流，從而埋下隱患。

    兩級或多級探測監控的報警電流值應設計為具選擇特性，即上游探測器的報警電流設計值至少是下游探測器中知名的報警電流設計值的1.5倍，但不應大于1O00mA。

    ⑵斷路器脫扣的延遲時間

    電氣火災監控是前期預警系統，出現漏電報警后只要能及時處理，不致于立刻發生火災。一般情況下，探測器只用于報警，尤其是用于消防電源線路。

    如要求發生接地故障時必須自動切斷保護對象的供電，則應注意上下級的動作時間配合，以免造成大范圍的停電。例如圖6中各樓層配電柜“3F0～17F0”，它們的負載分別是本層的若干終端用戶（住宅、寫字樓或其他），各終端用戶配電箱均裝有剩余動作電流30mA、動作時間0.1秒的RCBO。為避免一戶發生嚴重漏電導致整層斷電，樓層配電柜的探測器的脫扣信號輸出延遲時間應設計為0.5秒。同樣，若“-2F1”、“-2F2”設計脫扣時間為0.5秒，則“-2FZ”應設計為1秒。

    在需要自動切斷供電或通過監控主機遙控斷電的場合，配電系統設計時應選擇配備有能與探測器脫扣信號輸出配合的分勵脫扣器的斷路器。如果只需要遙控斷電，可把探測器脫扣信號輸出的延遲時間設為無限長。

    6、確定探測器供電方式

    目前電氣火災監控探測器有兩種供電方式：集中供電和現場供電。

    集中供電方式是由監控設備（主機、區域控制器）或專用整流器（消防電源）產生不高于24V的直流電源，通過專用電源線向系統內所有探測器供電，這和火災自動報警系統的“二總線”方式相同。它的優點是不管現場是否停電，探測器照樣能工作；而且24V是安全電壓，不會出現人身危險。這用于火災自動報警系統里的煙感、溫感探測器等是很合適的。它的缺點是一旦專用電源或導線發生問題，相當數量甚至全部的探測器都停止工作。另外，目前電氣火災監控探測器的靜態工作電流比煙感、溫感探測器大數倍，假如為10mA，250個監控點則需要電流2.5A以上，為保證末端電壓，專用電源線的單線截面就要有1.5mm平方米，造成布線困難、投資增加。

    現場供電方式是探測器在各自的配電柜內，從斷路器的進線端就近取得交流電源。它的優點是無需專用整流器和專用電源線，系統網絡只有通訊線，布線較方便，投資較節省，甚至可以采用無線通訊或載波通訊。它的缺點是配電柜上游斷電便停止工作。

    筆者認為，現場供電方式的缺點無關大局。因為沒電便不會發生電氣火災，即使此地的電氣火災探測器暫時停止工作也沒有關系。顯然現場供電方式更適合于電氣火災監控系統