再谈电气火灾监控系统（ACS-E）的设置

-1-再谈电气火灾监控系统（ACS-E）的设置广东省潮州市MS电子技术应用研究所麦时豪【提要】本文是《电气火灾监控系统（ACS-E）的设置》的续篇。电气火灾监控系统设计的主要内容是：探测器的布点设置、探测器的选型和安装、监控主机和监控系统网络拓扑及结构。本文重点阐述笔者对电气火灾监控系统中剩余电流式电气火灾监控探测器布点设置的经验体会电气火灾监控探测器的定义国家标准GB14287-2005《电气火灾监控系统》第一部分的3.3中，“电气火灾监控探测器”（Detectorsforelectricfireprotection）被定义为：“探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数变化的探测器”。GB14287-2005规定：电气火灾监控探测器以探测参数区分有“剩余电流式电气火灾监控探测器”（GB14287-2005第二部分）和“测温式电气火灾监控探测器”（GB14287-2005第三部分）两种；以工作方式区分有独立式探测器（具有监控报警功能的探测器）和非独立式探测器两类。可见，剩余电流和温度在GB14287-2005中被认为是电气火灾技术防范的重点。事实上，接地电弧性短路、设备或连接点温度过高是电气火灾发生的主要原因。基于电气火灾监控探测器的定义，剩余电流式电气火灾监控探测器的任务仅在于防范电气火灾，与GB16917-1997所规范的RCBO（剩余电流动作断路器，即“漏电开关”）在防护功能、技术参数、结构要求等方面有很大区别。RCBO更侧重于人身安全的防护。两者应当配合使用，但不能相互替代。对电流、电压及其他电力参数的计量监控和故障防护，现有的电工器件已十分成熟。在电气火灾监控探测器上添加这些功能（例如GB50045-94（2005版）《高规》的“过电流探测”），笔者认为只是扩展性的，并非必要。当然，如果在某些场合用户确实需要同时具备过电流、异常电压报警，则又另当别论。几个相关的概念在讨论剩余电流式电气火灾监控探测器的设置之前，有必要先弄清以下概念：“剩余电流”：交流供电线路相线（La、Lb、Lc）与中性线N的电流的矢量和。当没有发生单相接地故障时，无论三相负载平衡与否，此矢量和的理论值为零（实际上还存在着线路与设备的正常泄漏电流）；当发生接地故障时，剩余电流为接地故障电流和正常泄漏电流的矢量和。“零序电流”：交流供电线路相线（La、Lb、Lc）的电流的矢量和。当没有发生接地故障时，此矢量和的理论值等于中性线N电流的值。当发生接地故障时，零序电流为相线（La、Lb、Lc）的电流、接地故障电流和正常泄漏电流三者的矢量和；这时，它与中性线N电流是不相等的。“正常泄漏电流”：在无绝缘故障的情况下，从设备的带电部件流入大地的电流。这种电流往往是由非纯阻性的阻抗引起的，是某些设备固有的工作特性决定的、在一定范围内允许的。“接地故障电流”：由于绝缘故障或通过非预期负载而流入大地的电流。通俗习惯称为“漏电电流”。这种电流是相线对地发生电弧性短路而产生的。一般认为，在非可燃物质环境下，100mA以下尚不构成火灾危险。“剩余电流互感器”：探测供电线路剩余电流的互感器，它的一次回路是相线（La、Lb、Lc）和中性线N。即相线和中性线同时、同向穿过窗口。剩余电流互感器的主要要求是mA级的高精度、40A以上的抗过载能力。“零序电流互感器”：探测供电线路零序电流的互感器，它的一次回路是相线（La、Lb、Lc）。即所有相线同时、同向穿过窗口。如果用于单相，效果与普通电流互感器（C.T）相同。剩余电流式电气火灾监控探测器的任务是要正确检测出供电线路和设备的接地故障电流并及时发出报警，实际上所探测的是被保护区域的剩余电流。目前剩余电流式探测器基本上都采用剩余电流互感器作为探测元件。GB14287.2-2005《剩余电流式电气火灾监控探测器》中规定的测试方法，就是针对这种互感器型式的。如果误为“零序电流互感器”，则是概念上的混淆。如果我们用一个零序电流互感器、再在中性线N上用一个普通电流互感器，然后设法把它们的输出作矢量差，也能探测出剩余电流。这也可作为某些特殊情况下的剩余电流探测方法。-2-剩余电流式探测器的固有缺陷作为电气火灾技术防范的重要手段，剩余电流式电气火灾监控探测器在现实发生的多数情况下可以检测出供电线路和设备的接地故障电流。但是，我们在设计应用中还必须清醒地认识到：由于剩余电流检测的原理所制约，它在三相电路中存在着不可忽视的探测接地故障电流的盲区。在单相电路中，或三相电路里只有一相的相线通过故障阻抗Za接地时（如图1a），在正常泄漏电流可以忽略不计的情况下，剩余电流互感器所探测到的，的确就是接地故障电流。这时，剩余电流式电气火灾监控探测器的作用没有问题。图1接地故障但是，当三相电路有两相或三相同时存在接地故障（如图1b），那么剩余电流互感器探测到的是所有各相的工作电流、接地故障电流和中性线电流的矢量和。由于三相相位差120°，因此探测出来的剩余电流iΔ的值必然小于各相接地故障电流（iΔa、iΔb、iΔc）的代数值之和（见图1c）。例如在特殊情况下，如果三相同时存在相等值的接地故障电流（不论这些电流有多大），剩余电流将为0。这时，剩余电流式电气火灾监控探测器将不能正确检测出这些接地故障电流。如果使用RCBO，则会出现拒动。我们不能因此而否定剩余电流式电气火灾监控探测器的作用。毕竟出现这些情况并不是经常的，况且在预防电气火灾的范畴内，无须非常精确地测出剩余电流的数值。但是，终究存在着漏洞；作为设计和使用者，应该尽量避免这些情况的发生。对交流接地故障电流的探测，除了剩余电流式外，还可以采用其他方式的技术，例如电流鉴相式、电流分离式、复合式等进行弥补或改进，尽量缩小或消除盲区，使之更加可靠有效。这固然需要生产厂家不断研发更为完善的探测器（笔者浅见宜称为“接地故障电流电气火灾监控探测器”），但相关的国家标准也有必要作进一步的补充和规范。剩余电流式电气火灾监控探测器的设置以笔者的经验，循以下步骤可能可以较为合理而快捷地作出剩余电流式电气火灾监控探测器的设置方案。1、取得供配电系统图电气火灾监控系统的监控对象是供配电系统，供配电系统图是电气火灾监控系统的设计基础。不掌握本项目供配电系统的全局，就无法进行合理的设置。供配电系统图应包括高压配电图、低压配电图（干线图和区域图）、配电柜结线图。我们可以从这些图中了解到市电供给的路数、变压器柜和电容补偿柜及转换柜的数量和容量、各节点的电流大小、各段电缆的型号和走向、各配电柜及柜内主要断路器的型号容量以及电缆或铜排的尺寸和结线方式、各区域的用电性质和功率。对于改造项目，即使无法取得原始设计图，也应在业主配合下实地勘察，力求对供配电系统有尽可能详实的了解。2、分析电力线路系统的适用性按照相关规范要求，建设项目的区域低压配电系统应是TN-S系统，即“三相五线制”。在工程实践中，往往从节省投资出发，把供电干线设计成TN-C形式的三相四线，然后以树干形或放射形分布出去。从整个配电系统来看，则成为TN-C-S系统。较老旧的建筑，其低压配电系统多是TN-C系统，即“三相四线制”。剩余电流式电气火灾监控探测器适合安装在TN-S系统或局部TN-C-S系统，及TT系统的场所。要在TN-C系统设置剩余电流式探测器，就必须对原线路进行适当的改造。-3-图2、图3、图4、图5分别是剩余电流式探测器在TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统、TT系统中的安装示意图。图2剩余电流式探测器在TN-S系统中的安装方式图3剩余电流式探测器在TN-C系统中的安装方式图4剩余电流式探测器在TN-C-S系统中的安装方式图5剩余电流式探测器在TT系统中的安装方式不管干线是哪种系统形式，在需要设置剩余电流式探测器的低压配电柜安装时，都应当在配电柜内把出线转换成TN-S系统或TT系统，并且要确保出线的N线不重复接地（笔者将在下一续篇详谈剩余电流式电气火灾监控探测器的安装）。-4-3、布点设置剩余电流式电气火灾监控探测器的设置原则是，应配置在低压配电系统末级配电柜进线或出线端，监控该级至终端用户的线路和设备。所谓“末级配电柜”，是指位于配电系统某一路分支线到若干个终端用户之间的配电柜；例如楼层配电柜、场所区域配电柜、功能专区配电柜、设备专用配电柜等等。以图6（此图仅为简略示意图）所示的某工程低压配电系统为例。在这个系统中，各个二次配电柜可以认为是“末级配电柜”。这些二次柜原则上都应设置剩余电流探测器。图6某工程低压配电系统示意图在供电末级正常泄漏电流不大于200mA，且上一级的正常泄漏电流不大于500mA，仍符合设置剩余电流探测器条件时，宜在其上一级供电配电柜处也设置，这样可以对两级之间的线路和设备实施监控保护。例如“-2FZ”、“-1FZ”，最好也设置。而“AK1”的下级柜很多，“AC1”是较大的动力负载，它们的正常泄漏电流很可能超过500mA，如果竖井内电缆防护及安装良好，则不一定设置。对于一级及以上保护级别的对象，例如“1FZ”、“2FZ”是人流密集的商场的楼层总柜，应安排设置，与“1F1”、“2F1”……等下级柜配合组成两级探测监控。在以上分析的基础上，于系统图上初步标示出需要设置剩余电流探测器的配电柜。4、复查精简根据供配电系统图设计的各配电柜的负载性质、功率、保护配置，核查是否确有必要设置剩余电流探测器。例如，“18FK”的负载是中央空调机组，该机组配套的控制箱已安装RCBO并有报警装置，这里就可精简。使用安全电压供电的电气设备、一般环境条件下使用的具有加强绝缘（双重绝缘）的电气设备、使用隔离变压器且二次侧为不接地系统供电的电气设备，可不安装剩余电流探测器。一次配电柜二次配电柜终端配电箱BT变压器柜CB电容补偿柜-2FZ-2层总配电柜-2F1-2层动力1……-2F2-2层动力2……-2F3-2层照明……-1FZ-1层总配电柜-1F1-1层动力……-1F2-1层车库……XF消防电源柜XF1消防控制室……XF2消防动力……1FZ1层总配电柜1F1,1F2,1F3,1F41层商场分区……2FZ2层总配电柜2F1,2F2,2F32层商场分区……AK1A幢总配电柜3F03层住宅……3F13层平台……4F0～17F04～17层住宅……AC1A幢动力柜18FTA幢电梯18FKA幢中央空调AK2B幢总配电柜…………-5-复查精简这一步骤不可或缺。笔者认为，电气火灾监控系统中探测器在必要的地方一定要设，但应当力求少而精，尽量使每个探测器充分发挥作用，减少构成监控系统的探测器数量。这对提高投资效能、保证系统可靠性、方便运行管理都是必要的。5、设置探测器参数剩余电流式探测器的基本参数是报警电流值和控制断路器脱扣的延迟时间。⑴报警电流值报警电流设定值不宜小于被保护电气线路和设备正常运行时的泄漏电流最大值的2倍，但不应大于1O00mA。被保护电气线路和设备正常运行时的泄漏电流值，在供电系统设计时就应根据该线路和设备的产品国标基本确定下来，并以此为依据，设计报警电流值。例如，某区域设计有100个照明点，全部使用国家推广的节能照明灯具，每个合格电子镇流节能灯的标准泄漏电流极值是0.5mA。加上其他用电器，估算该区域正常运行时的泄漏电流将有80mA，那么该区域配电柜的剩余电流式探测器的报警电流值应设计为150～200mA。虽然报警电流值还需要在现场具体设定，但如果发现实际的泄漏电流比设计估算的正常泄漏电流大很多，就要注意是否有不合格设备或错误施工（如线路绝缘不良、共零、TN-S系统N线重复接地等）。报警电流的设计值有助于防止将故障泄漏电流当成正常泄漏电流，从而埋下隐患。两级或多级探测监控的报警电流值应设计为具选择特性，即上游探测器的报警电流设计值至少是下游探测器中最大的报警电流设计值的1.5倍，但不应大于1O00mA。⑵断路器脱扣的延迟时间电气火灾监控是前期预警系统，出现漏电报警后只要能及时处理，不致于立刻发生火灾。一般情况下，探测器只用于报警，尤其是用于消防电源线路。有些一旦断电可能造成更大损失的场所，例如图6的1、2层商场、“XF”、“XF1”、“XF2”、“