基于泄漏電流監(jiān)測的電氣火災監(jiān)控報警系統(tǒng)在地鐵中的應用
摘要:分析了地鐵配電線路泄漏電流引起電氣火災的原因。論述了泄漏電流火災報警系統(tǒng)在地鐵應用的必要性。分析了泄漏電流報警系統(tǒng)的工作原理，介紹了泄漏電流報警系統(tǒng)的硬件組成及軟件實現(xiàn)流程。描述了判斷具體漏電位置的方法。泄漏電流監(jiān)測火災報警系統(tǒng)作為火災提前預警統(tǒng)，可以提早發(fā)現(xiàn)火災隱患，提早消除隱患，有效地避免或減少火災的發(fā)生。
地鐵狹小的運行空間與有限的出入口對防火的要求極高。一旦發(fā)生火災，將給遇險人員的安全疏散及消防員的搶險救生與火災撲救帶來很大困難，嚴重影響市民生命安全和國家財產(chǎn)安全。
圖1為國內外的地鐵火災原因統(tǒng)計?？梢钥闯?，電氣原因引起的火災比例最大，占37%。電流泄漏是電氣火災的主要原因之一，如何防止電流泄漏引起的火災是一個新的課題。
1、泄漏電流引起電氣火災的原因
泄漏電流是由于交流配電線路對地絕緣下降或受損而形成的，也可能由于線路對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)用電設備流動，對地絕緣電阻很大，存在很微小的泄漏電流。當線路或用電設備對地絕緣下降或受損、環(huán)境潮濕時，泄漏電流變大。經(jīng)試驗，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2000℃以上，此時，破損處和鄰近的接地導體產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，從而引燃周圍的可燃物，造成火災事故。
如果對泄漏電流進行全方位監(jiān)視，得到早期報警信息，則可提早發(fā)現(xiàn)隱患，制定防御措施，消除火災隱患，有效避免或減少電氣火災的發(fā)生。由此，基于泄漏電流監(jiān)測的電氣火災報警系統(tǒng)應運而生。目前，該系統(tǒng)已引起國內軌道交通相關單位的高度重視，并有在地鐵中成功應用的案例。
2、泄漏電流報警系統(tǒng)分析
2.1、基本功能
泄漏電流火災報警系統(tǒng)通過對泄漏電流的檢測，準確確定泄漏電流位置，持續(xù)監(jiān)測報警地點，發(fā)出報警信號并上傳至遠端值班室，使值班人員及時發(fā)現(xiàn)，盡早排除故障，從而避免電氣火災發(fā)生。其特點如下：
(1)具有漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和短路瞬時保護功能，可依據(jù)用戶需要組成合適的保護特性?？芍悄茉O定漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和過電流瞬時的預警值。
(2)可顯示并儲存故障發(fā)生點的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時間，以及漏電電流與三相電流值。
(3)可利用通信技術構成監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)信息集中管理與上傳;能實現(xiàn)在線遠程監(jiān)控功能。
(4)可通過監(jiān)測及通信技術組成通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息傳遞與判斷，形成完整的報警系統(tǒng)。
2.2、系統(tǒng)原理
2.2.1、泄漏電流檢測的基本工作原理
泄漏電流檢測的工作原理是基于基爾霍夫電流定律。即在集總電路中，任何時刻，對任意結點，所有流入、流出結點的支路電流的代數(shù)和恒等于零。
檢測漏電流時，通過三相導線和N線穿過一個電流互感器(見圖2)，電路中沒有發(fā)生設備漏電或接地故障時，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，此時二次線圈中的感應電流IL=0，線路正常供電。
一旦電路中發(fā)生設備漏電或故障接地，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，此時二次線圈中有感應電流，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算方法
交流電網(wǎng)泄露電流有效值的計算式為：
式中：
t——信號周期;i——信號周期內的電流值。
式(1)的程序計算處理方法為：
每個周期均分為n段，每段取1個電流值，則有：T=rt，dt=1，各取樣點的電流值為i1，i2…in。
此時式(1)變?yōu)椋?/p>
通過式(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)設定報警值對比，即可實現(xiàn)報警功能的邏輯判斷。
2.2.3、泄漏電流報警系統(tǒng)工作原理
在La、Lb、Lc、Ln四條線路中分別設1個電流互感器。各電流互感器均與數(shù)據(jù)處理裝置連接。為實現(xiàn)電流互感器及數(shù)據(jù)處理裝置的可移動化，電流互感器選用鉗形電流互感器，并將現(xiàn)場報警及顯示裝置作可移動式安裝處理。電流互感器采集電流數(shù)據(jù)，輸出到CPU(中央處理器)計算得出Ia+Ib+Ic+In的值，判斷是否存在漏電現(xiàn)象，并通過設定泄漏電流報警值方式判斷是否達到報警條件。
當發(fā)生泄漏電流報警時，切斷所有負載，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，該線路即為泄漏電流發(fā)生的線路。參見圖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載處自上而下移動，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)。參見圖4。
2.3、硬件組成
泄漏電流監(jiān)測火災報警系統(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轉換器，將采集到的模擬電流量轉化為數(shù)字電流量，并輸出至CPU。
(3)CPU，作為檢測裝置的核心，可實現(xiàn)檢測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，報警輸出，與上位機通信，液晶顯示及按鍵燈等，并實現(xiàn)了安裝方式的可移動化。參見圖5。
2.4、軟件實現(xiàn)流程
軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)：電壓、電流及漏電流的采樣，數(shù)據(jù)處理，報警輸出，按鍵輸入及液晶顯示等。其主要邏輯程序為：通過鉗形電流互感器采集實時數(shù)據(jù)，并發(fā)送至可移動式CPU進行對比邏輯判斷，如果Ia+Ib+Ic+In≥Izd(整定漏電電流報警值)，則線路中有漏電流故障存在，在液晶顯示裝置上輸出報警信息，并提示是否輸出出現(xiàn)漏電流故障線路，同時提示是否已將此回路中的所有負載切除;在切除負載后，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，并將最終報警信息輸出至報警顯示器。其流程圖如圖6所示。
3、結語
基于預防為主，綜合防護的電氣安全理念，針對地鐵運行空間相對封閉及疏散和逃生通道有限，研發(fā)了基于泄漏電流監(jiān)測的電氣火災報警系統(tǒng)。在火災自動報警系統(tǒng)及消防聯(lián)動系統(tǒng)的基礎上，可更早地進行火災預警并將報警信號上傳至監(jiān)控值班室，使值班人員及時發(fā)現(xiàn)故障，采取應急手段消除火災隱患。
該監(jiān)控系統(tǒng)能準確、全天候地監(jiān)測線路中的漏電、電流、溫度等變化，當線路中發(fā)生異常時，可迅速發(fā)出報警信號并準確報出故障點，以便電氣專業(yè)人員及時排查電氣火災隱患，將電氣火災消滅在萌芽狀態(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計單位和各地軌道交通建設管理單位的高度重視，相信隨著我國軌道交通的迅猛發(fā)展，它將有更廣闊的應用前景，在地鐵的運行安全方面發(fā)揮應有的作用。
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