ARCM系列电气火灾监控探测器的设计和应用-电子工程世界

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　　摘要：本文对电气火灾的产生原因进行了分析，列出了电气火灾监控防范的相关标准。简述了ARCM200剩余电流式电气火灾探测器的设计原理以及该产品在2010年广州亚运会海心沙项目系统中的实际应用。并分析了电气火灾监控系统应用中应注意的问题。

　　近年来，我国国民经济的高速增长，各行业用电量的大幅度增加，同时伴随着电气火灾也呈现逐年上升的趋势，给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。而接地故障火灾是最常见的多发电气火灾。为避免接地故障引发的火灾，在建筑电气中已开始广泛使用电气火灾监控系统。电气火灾监控系统能准确监测电气线路的故障和异常状态，能发现电气火灾的火灾隐患，及时报警提醒工作人员去消除这些隐患。国家也颁布了相应的标准来规范电气火灾监控系统，例如《建筑设计防火规范》GB50016-2006，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2005，《电气火灾监控系统》GB 14287等。本文介绍了ARCM系列电气火灾监控探测器的设计原理，及在广州亚运会海心沙场馆中实际应用。

一、电气火灾分析

　　电气火灾的发生有以下原因：电火花与电弧；电气设备或电气线路上产生高温导致；由于线路端子导线与端子接触不良产生的危险高温。

　　数据统计发现电气火灾的引发有一半是由于接地故障造成的。接地故障的发生主要是由于电气线路的绝缘层老化，导致绝缘性能降低，从而在带电导线和大地、电气设备金属外壳间产生剩余电流（又称泄露电流或漏电流），由于接地故障回路阻抗大，往往会产生微小的电弧型放电，电弧放电产生热量加剧线路绝缘老化。绝缘老化、剩余电流、微小放电三者之间产生恶性循环，放电电弧达到一定程度时（几百毫安的剩余电流电弧产生的局部高温可达2000℃以上），高温引燃周围的可燃物而引起火灾。而配电系统中的电流保护器在微弱的放电打火过程中无法动作，而发生动作切断电源时火灾已经发生，未能在火灾发生前及时切断。

　　这类电气火灾的引发是由于非正常的剩余电流所引发的。故需要有专门检测线路中剩余电流的装置，来实时地监测配电系统的绝缘情况，继而实现该类电气火灾的提前预警，达到消除火灾隐患的目的。

二、原理描述：

　　电气火灾监控系统中主要的元件为剩余电流式电气火灾监控探测器。探测器通过剩余电流互感器实现对剩余电流信号的检测，如图1 所示。根据基尔霍夫电流定律 (KCL) 可知从电源端流出的电流会等于流回的电流，其相量形式如下：

　　在图1 中，将三相导线及N线全部穿过剩余电流互感器，检测的电流为

，而剩余电流为

，即：

　　由于二次电流大小与一次电流(

)呈一定的比例关系，就可以通过测量剩余电流互感器二次侧的电流来测量一次侧的剩余电流。根据检测到的剩余电流大小,探测器可通过预先设定的程序发出各种指令,或切断电源,或发出报警信号等。

图１　剩余电流检测

　　上海安科瑞股份有限公司生产的ARCM200/300剩余电流式电气火灾探测器产品采用32位MCU实现，功能主要包括多路剩余电流和温度测量、报警、显示、存储、人机交互和通讯等。基本工作原理如下：

图2 硬件设计原理框图

　　剩余电流互感器将感应出来的信号传输到剩余电流采集模块，经过信号的转换滤波后MCU利用片内AD模块对各个通道的信号量进行AD采样，并进行相应的数学运算，完成信号的精确测量，再按设置的保护参数，进行报警保护处理。同时MCU根据探测器的状态，来控制LED数码管显示、数据计算存储、外部通讯、键盘菜单操作、继电器开关动作、蜂鸣器报警等工作。

三、算法描述

　　传统的剩余电流检测方法为：电流互感器为传感器件，由它提取的剩余电流信号，经放大、AC/DC变换、A/D变换、CPU处理后，送往报警器、显示器、信号输出。该方法中，实现对剩余电流的测量需要经过放大器，AC/DC变换，最后才到A/D采样测量，转换复杂，增加了故障节点，同时也增加了成本。

　　ARCM200/300探测器，采用交流采样技术，直接对互感器过来的剩余电流信号采样，保持信号的真实性。通过MCU对数据进行计算处理，从而达到精确测量剩余电流信号的目的，并通过特定程序算法，保证了探测器及时、准确和可靠进行报警保护。其运用的主要技术手段如下：

　　1频率滤波

　　现代用电设备中变频器及非线性负载越来越多，电网谐波含量急剧增加，在供电电缆中造成了高频泄漏电流，这些泄漏电流可以达到几十到几百毫安。IEC60479标准中说明了在50/60HZ时的保护最为关键。故有必要将泄漏电流的高频成分滤除，从而减少了谐波电流和瞬时电流引起的误动。

ARCM200/300中利用数字信号处理技术中的数字滤波技术，将采样得到的一系列数据进行滤波计算处理，达到滤除信号中高频部分的目的。

　　2测量真有效值（方均根值）。

　　在考虑频率滤波的情况下，可准确测量剩余电流信号的RMS真有效值，使动作的判据更加准确，减少不正常的拒报警。

四、实现功能及性能：

　　ARCM200/300实现了以下功能：

　　1剩余电流/温度测量。可以实现同时监控1～4路剩余电流，其中J1型可以监测3路温度。剩余电流正常测量范围在10mA～3000mA，精度可达到1级，温度测量范围可从-10℃ 到 120℃之间，精度±1℃。

　　2可编程报警设置。动作电流和动作延时可灵活调整，可根据现场环境的实际情况进行参数设定。并能够非常容易的适用于分级保护的场合。报警功能的一些说明：额定动作电流值I△n设定范围：20～1000mA,也可设为OFF，以关闭剩余电流保护；预警电流为＞0.8I△n，报警动作电流为＞0.95I△n；温度报警设定范围：50℃～120℃，也可设为OFF，以关闭温度通道保护；动作时间可设定范围：0.1S～60.0S 。

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　　3事件记录。可记录最近10条事件记录，发生报警时记录的报警发生的事件类型、事件通道、报警设定值、报警实际值及报警时间。

　　4RS-485通讯接口，采用兼容Modbus-RTU协议，可将监测到的各种信息上传，组建电气火灾监控系统。

五、应用案例

　　广州亚运会开、闭幕式将在位于珠江新城南端珠江上的海心沙广场举行。海心沙岛北望珠江新城中央商务区，南望广州新电视塔，西邻二沙岛，总用地面积17.6万平方米，绿地率达到65%，可容纳2万名观众。海心沙广场将成为广州市最大的公众广场和广州市未来城市庆典活动中心。

图3 海心沙场馆外观图

　　海心沙场馆内配电系统共有两个一级高压房、四个二级高压房及专变房、五个低压配电房共同组成。在一级、二级高压房内使用的电能仪表为安科瑞公司的ACR220ELH型号谐波表。在低压配电房内使用ACR320EL/ACR220EL网络多功能仪表。低压配电系统为TN-C-S系统，适合使用安科瑞公司生产的ARCM200/300剩余电流式漏电火灾探测器。ARCM200/300在亚运会项目中一举包揽了海心沙场馆内5个低压变电房的所有剩余电流式火灾探测器，共545个。ARCM200和ARCM300安装方式分别为嵌入式面板安装和导轨式安装；剩余电流互感器安装于配电柜内，各个回路电缆的A、B、C、N线穿过剩余电流互感器，PE线不穿过剩余电流互感器。

图4 现场应用图

　　在这个项目中主要用于检测剩余电流、温度以及485通讯组网。现场系统网络结构：现场设备层——网络通讯层——站控管理层。也即是：先将现场智能设备接入就地的Modbus总线，再将Modbus总线通过串口设备联网服务器转换成TCP/IP以太网与监控主机进行数据交换，最终由方便管理人员通过监测系统软件了解及掌握现场状况，并进行实时监测。

图5 系统一次图

常见故障分析

　　1接线错误引发的误动作或拒动作

　　ARCM200/300主要应用于0.4kV TT 和 TN-S ，TN-C-S交流系统中，电力系统有一点直接接地,系统中性线(N线)和保护线(PE线)必须分开，且N线不能重复接地.

　　该类产品装置的接线必须正确，接线错误可能导致装置报警误动作，也可能导致拒动作。接线前应分清电网系统中的相线、N线、PE线。相线及N线必须一同穿过剩余电流互感器，PE线不能穿过互感器。例如，在系统中，如N线未与相线一起穿过互感器，一旦三相不平衡，即发生误动作，互感器后方的N线与其他回路的N线连接或接地，或后方的相线与其他之路的同相相线连接，接通负载时，也会造成误动作。

　　很多项目中，在系统试运行时出现剩余电流值过大而出现报警，很大一部分均是由此类情况造成。如PE线同N线及相线一起穿过互感器，会造成探测器拒动作。

　　解决方法：排查互感器下方接线错误情况，查看系统中PE线与N线是否严格区分开来。

　　2由于接线问题以外引发的动作

　　(1)绝缘恶化。线路对地绝缘被破坏，导致有剩余电流产生超过报警阈值，探测器报警。

　　解决方法：该类情况，确实有隐患存在，应当尽快检修故障线路，防患于“未燃”。

　　(2)大型设备启动。大型设备启动瞬时，存在对地泄漏电流，引起装置报警动作。

　　解决方法：为防止该类情况误动作发生, 应将探测装置的脱扣时间增大。

　　(3)负载侧正常剩余电流超过探测器动作电流设定值。

　　解决方法：根据现场实际情况，正确设置动作电流大小。

　　动作电流值的确定，往往要根据现场回路后负载的正常剩余电流的值来确定。实际应用的电力系统，不同回路的正常剩余电流往往是不同的。例如，探测器动作电流值设定为100mA，一般像台式计算机正常的剩余电流为3～4mA,如果后面接几十台计算机,并带有其他一些设备，则有可能引发误动作，所以可使用增大动作电流值的办法解决该类问题。

　　(4).分级保护应用原则。系统应用中常有分级保护，常见2～3级，上下级的选择性原则：

动作电流方面，上级设备的设置必须最少是下级设备的两倍；

　　脱扣时间方面，上级设备的延迟时间应大于下一级剩余电流保护装置的动作时间，且动作时间差不得小于0.2s。

　　3装置使用不当造成的误动作或不动作

　　使用ARCM200/300探测器时，剩余电流互感器型号选择不正确或调换使用其他厂家生产的互感器，温度传感器，可能会造成探测器误动作或不动作，甚至装置仪器的损坏。

　　信号线接入必须严格按照探测器接线图接线，否则会造成装置不能工作。剩余电流互感器安装固定必须牢固可靠，互感器信号需使用屏蔽双绞线，传输长度不能超过3m。

六、结束语

　　上海安科瑞股份有限公司的ARCM200/300可以实时监测配电系统剩余电流，温度等信息，通过ModBus总线组建电气火灾监控系统，能够及时、可靠地给海心沙场馆运行维护工程师提供准确信息，杜绝电气火灾的发生，为亚运保驾护航。

参考文献

　　1） GB14287—2005，电气火灾监控系统[S]

　　2） GB13955—2005，剩余电流动作保护装置安装和运行[S]

　　3） GB50045-95(2005版)，高层民用建筑设计防火规范[S]