基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用
摘要:分析了地鐵配電線路泄漏電流引起電氣火災(zāi)的原因。論述了泄漏電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在地鐵應(yīng)用的必要性。分析了泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)的工作原理，介紹了泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)的硬件組成及軟件實(shí)現(xiàn)流程。描述了判斷具體漏電位置的方法。泄漏電流監(jiān)測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)作為火災(zāi)提前預(yù)警統(tǒng)，可以提早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，提早消除隱患，有效地避免或減少火災(zāi)的發(fā)生。
地鐵狹小的運(yùn)行空間與有限的出入口對(duì)防火的要求極高。一旦發(fā)生火災(zāi)，將給遇險(xiǎn)人員的安全疏散及消防員的搶險(xiǎn)救生與火災(zāi)撲救帶來(lái)很大困難，嚴(yán)重影響市民生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全。
圖1為國(guó)內(nèi)外的地鐵火災(zāi)原因統(tǒng)計(jì)。可以看出，電氣原因引起的火災(zāi)比例最大，占37%。電流泄漏是電氣火災(zāi)的主要原因之一，如何防止電流泄漏引起的火災(zāi)是一個(gè)新的課題。
1、泄漏電流引起電氣火災(zāi)的原因
泄漏電流是由于交流配電線路對(duì)地絕緣下降或受損而形成的，也可能由于線路對(duì)地等效電容的存在而產(chǎn)生較小的泄漏電流。正常情況下，配電線路電流在相線和零線經(jīng)用電設(shè)備流動(dòng)，對(duì)地絕緣電阻很大，存在很微小的泄漏電流。當(dāng)線路或用電設(shè)備對(duì)地絕緣下降或受損、環(huán)境潮濕時(shí)，泄漏電流變大。經(jīng)試驗(yàn)，300mA的集中泄漏電流就可能形成電弧，該漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2000℃以上，此時(shí)，破損處和鄰近的接地導(dǎo)體產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，從而引燃周圍的可燃物，造成火災(zāi)事故。
如果對(duì)泄漏電流進(jìn)行全方位監(jiān)視，得到早期報(bào)警信息，則可提早發(fā)現(xiàn)隱患，制定防御措施，消除火災(zāi)隱患，有效避免或減少電氣火災(zāi)的發(fā)生。由此，基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，該系統(tǒng)已引起國(guó)內(nèi)軌道交通相關(guān)單位的高度重視，并有在地鐵中成功應(yīng)用的案例。
2、泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)分析
2.1、基本功能
泄漏電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)泄漏電流的檢測(cè)，準(zhǔn)確確定泄漏電流位置，持續(xù)監(jiān)測(cè)報(bào)警地點(diǎn)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并上傳至遠(yuǎn)端值班室，使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡早排除故障，從而避免電氣火災(zāi)發(fā)生。其特點(diǎn)如下：
(1)具有漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)功能，可依據(jù)用戶需要組成合適的保護(hù)特性?？芍悄茉O(shè)定漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的預(yù)警值。
(2)可顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間，以及漏電電流與三相電流值。
(3)可利用通信技術(shù)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息集中管理與上傳;能實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
(4)可通過(guò)監(jiān)測(cè)及通信技術(shù)組成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞與判斷，形成完整的報(bào)警系統(tǒng)。
2.2、系統(tǒng)原理
2.2.1、泄漏電流檢測(cè)的基本工作原理
泄漏電流檢測(cè)的工作原理是基于基爾霍夫電流定律。即在集總電路中，任何時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)，所有流入、流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零。
檢測(cè)漏電流時(shí)，通過(guò)三相導(dǎo)線和N線穿過(guò)一個(gè)電流互感器(見(jiàn)圖2)，電路中沒(méi)有發(fā)生設(shè)備漏電或接地故障時(shí)，三相四線電源的電流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0，則在電流互感器中產(chǎn)生的磁通矢量和等于零，此時(shí)二次線圈中的感應(yīng)電流IL=0，線路正常供電。
一旦電路中發(fā)生設(shè)備漏電或故障接地，如出現(xiàn)故障漏電電流，，三相四線電源的電流相量和將不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0，則在電流互感器中的磁通矢量和也不等于零，此時(shí)二次線圈中有感應(yīng)電流，即IL≠0。從而可以判斷系統(tǒng)中存在泄漏電流。
2.2.2、交流電網(wǎng)泄漏電流有效值的計(jì)算方法
交流電網(wǎng)泄露電流有效值的計(jì)算式為：
式中：
t——信號(hào)周期;i——信號(hào)周期內(nèi)的電流值。
式(1)的程序計(jì)算處理方法為：
每個(gè)周期均分為n段，每段取1個(gè)電流值，則有：T=rt，dt=1，各取樣點(diǎn)的電流值為i1，i2…in。
此時(shí)式(1)變?yōu)椋?/p>
通過(guò)式(2)，在50Hz的交流線路中取合適的，即可算出泄漏電流的有效值。將有效值的大小與系統(tǒng)設(shè)定報(bào)警值對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的邏輯判斷。
2.2.3、泄漏電流報(bào)警系統(tǒng)工作原理
在La、Lb、Lc、Ln四條線路中分別設(shè)1個(gè)電流互感器。各電流互感器均與數(shù)據(jù)處理裝置連接。為實(shí)現(xiàn)電流互感器及數(shù)據(jù)處理裝置的可移動(dòng)化，電流互感器選用鉗形電流互感器，并將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警及顯示裝置作可移動(dòng)式安裝處理。電流互感器采集電流數(shù)據(jù)，輸出到CPU(中央處理器)計(jì)算得出Ia+Ib+Ic+In的值，判斷是否存在漏電現(xiàn)象，并通過(guò)設(shè)定泄漏電流報(bào)警值方式判斷是否達(dá)到報(bào)警條件。
當(dāng)發(fā)生泄漏電流報(bào)警時(shí)，切斷所有負(fù)載，系統(tǒng)比較Ia、Ib、Ic、In并輸出泄漏電流有效值最大的
線路編號(hào)，該線路即為泄漏電流發(fā)生的線路。參見(jiàn)圖3。
確定泄漏電流發(fā)生的線路后，將鉗形電流互感器從電源端口處向負(fù)載處自上而下移動(dòng)，即可判斷出具體的漏電位置，為檢修人員處理故障提供依據(jù)。參見(jiàn)圖4。
2.3、硬件組成
泄漏電流監(jiān)測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件由以下部分組成：
(1)鉗形電流互感器，用于采集線路電流值。
(2)AD轉(zhuǎn)換器，將采集到的模擬電流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電流量，并輸出至CPU。
(3)CPU，作為檢測(cè)裝置的核心，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置的各種控制功能，包括三相電壓、三相電流、泄漏電流的采樣，數(shù)據(jù)處理，報(bào)警輸出，與上位機(jī)通信，液晶顯示及按鍵燈等，并實(shí)現(xiàn)了安裝方式的可移動(dòng)化。參見(jiàn)圖5。
2.4、軟件實(shí)現(xiàn)流程
軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)：電壓、電流及漏電流的采樣，數(shù)據(jù)處理，報(bào)警輸出，按鍵輸入及液晶顯示等。其主要邏輯程序?yàn)椋和ㄟ^(guò)鉗形電流互感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至可移動(dòng)式CPU進(jìn)行對(duì)比邏輯判斷，如果Ia+Ib+Ic+In≥Izd(整定漏電電流報(bào)警值)，則線路中有漏電流故障存在，在液晶顯示裝置上輸出報(bào)警信息，并提示是否輸出出現(xiàn)漏電流故障線路，同時(shí)提示是否已將此回路中的所有負(fù)載切除;在切除負(fù)載后，按下輸出漏電流故障線路的按鍵，系統(tǒng)判斷Ia、Ib、Ic、In中的最大值(即存在泄漏電流故障的電流值)，并在液晶顯示屏上輸出此條線路，并將最終報(bào)警信息輸出至報(bào)警顯示器。其流程圖如圖6所示。
3、結(jié)語(yǔ)
基于預(yù)防為主，綜合防護(hù)的電氣安全理念，針對(duì)地鐵運(yùn)行空間相對(duì)封閉及疏散和逃生通道有限，研發(fā)了基于泄漏電流監(jiān)測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可更早地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警并將報(bào)警信號(hào)上傳至監(jiān)控值班室，使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，采取應(yīng)急手段消除火災(zāi)隱患。
該監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確、全天候地監(jiān)測(cè)線路中的漏電、電流、溫度等變化，當(dāng)線路中發(fā)生異常時(shí)，可迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)并準(zhǔn)確報(bào)出故障點(diǎn)，以便電氣專業(yè)人員及時(shí)排查電氣火災(zāi)隱患，將電氣火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，將損失減少到最低限度。
該系統(tǒng)已得到軌道交通消防設(shè)計(jì)單位和各地軌道交通建設(shè)管理單位的高度重視，相信隨著我國(guó)軌道交通的迅猛發(fā)展，它將有更廣闊的應(yīng)用前景，在地鐵的運(yùn)行安全方面發(fā)揮應(yīng)有的作用。
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