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浅谈电气火灾监控系统在地铁供配电系统中的应用

发布时间:2022-04-13浏览:237次

【摘要】在地铁车站供配电系统中使用电气火灾监控系统对监控设备工况、预防电气火灾十分重要,地铁公司作为企业,还需充分考虑前期建设成本的投入及今后运营费用高低。因此,认真分析电气火灾监控系统在地铁供配电系统中的使用显得十分必要。首先简述电气火灾监控系统组成及其作用,在分析应用电气火灾监控系统必要性的基础上,从技术与经济实用两方面分析电气火灾监控系统在地铁供配电系统中应用方案。
【关键词】地铁供配电:电气火灾;剩余电流;热平衡;火灾监控;技术经济分析
 1电气火灾监控系统的设备组成及其作用
       国家颁布实施的GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》新增了电气火灾监控系统内容,规定:地下公共建筑(含地铁)应设置电气火灾监控系统,且电气火灾监控系统由下列部分或全部监控装置组成:电气火灾监控设备(监控主机)、剩余电流式电气火灾监控探测器、测温式电气火灾监控探测器、线型感温火灾探测器。
      (1)电气火灾监控设备(监控主机)的作用:实时接收来自线型光纤差定温火灾探测器、蓝牙测温式电气火灾探测器、剩余电流式电气火灾探测器发来的正常信息、故障信息、灾害信息,并对其进行快速处理和管理。
       (2)剩余电流式电气火灾监控探测器的作用:从测量电线电缆的泄漏电流人手,以达到检测电线电缆中的火线、零线对地线的绝缘水平。
       (3)测温式电气火灾监控探测器的作用:以探测电气设备接头异常发热为基本原则,设置在电容器接头、变压器接头、母线接头、开关触点等发热部位。以实现对电气设备安装工艺、产品质量等异常情况的长期监测。
       (4)线型感温火灾探测器的作用:用于电缆桥架、电缆夹层等处线型电气设备绝缘击穿发热而引起的火灾报警。
 2应用电气火灾监控系统的必要性
       电气火灾监控系统是为了预防供配电设备由于剩余电流打火或电气连接处过热引起火灾而设置的专用监控系统,是对配电回路的安装工艺、设备质量以及防止意外事故发生的长期实时监测,其特点是先期预警。
       (1)根据实际运行经验,配电设备的火灾发生主要由4个方面原因引起:①线路绝缘老化、漏电火灾;②短路火灾;③长期过负荷使用;④压接施工不规范,接触电阻过大。对于①、②方面,绝大部分可以通过测量剩余电流。来获得预警信息,及时处理,可避免出现火灾事故;③、④方面可通过实时测量开关端子的温度及时发现并处理,以避免事故发生。
       (2)电力电缆故障绝大多数是由于施工不规范、机械损坏、电缆接头压接不紧、加热不充分、绝缘受潮、环境恶劣、化学物质侵蚀等原因引起电缆绝缘降低而被击穿起火,此类电缆故障具有隐蔽性,不可预见。采用剩余电流监测装置可准确判断电缆绝缘下降情况,能够较好地预防电力电缆起火的事故发生。
       (3)部分城市地铁的低压配电系统主开关使用抽出式断路器,在经过多年插拔后,其插接处的接触电阻会有所增加,使用温升会提高,温升值是否已达到危险状况,需要由温度探测器来监测。若地铁供配电设备发生火灾停电,车站照度将瞬间下降很大,造成乘客紧急逃生困难。因此,在地铁低压配电系统中使用质量可靠、性能稳定的电气火灾监控系统是十分必要的。
 3主要监控装置的设置
       在地铁低压配电系统中使用电气火灾监控系统监控低压配电设备工况十分重要,但地铁公司需充分考虑前期建设成本的投入及今后运营费用高低。因此,从技术经济学角度,认真分析电气火灾监控系统在地铁低压配电系统中的使用十分必要。
3.1测温式电气火灾监控探测器
       测温式电气火灾监控探测器的作用是探测电气设备接头异常发热,探测器设置在电容器接头、变压器接头、母线接头、开关触点等发热部位,以实现对电气设备安装工艺、产品质量等异常情况的长期监测。
根据热平衡原理,载流导体的发热过程可用公式:
   (1)
        公式(1)中r为温升;P为单位长度导体自身消耗功率,约等于I2R;K为导体周围介质的综合散热系数,空调房环境取大值;S为单位长度导体散热面积;t为通电时间;T为单位长度导体的热时间常数。
对其安装位置的选择,建议如下。
       (1)从使用负荷方面考虑,建议在每日有效工作时间超过4h、实际运行电流大于100A的负载开关上安装蓝牙温度探测器。
        根据公式(1)计算可知,运行电流小于100A的开关在28℃环境内正常安装时,其温升是很小的。从深圳地铁的实际运行情况看,正常安装的冷水机组回路(额定功210kW)长期运行,其负荷开关端子温度显示为50℃左右,需重点监控;其他设备,如综合监控回路(额定容量120kVA)、应急电源(EPS)照明回路(额定容量80kVA)开关端子运行温度(30℃)和室温相近。
       (2)从安装位置方面考虑,测温式电气火灾监控探测器宜安装在靠近开关与底座插接处的位置。
根据载流导体的热平衡原理可知,载流导体的温升与接触电阻有很大关系,接触电阻又与接触压力有关。
接触电阻的经验公式是:
   (2)
        公式(2)中:RJ为接触电阻;F为接触压力;KJ为材质系数,一般取0.7~1;n:点接触取0.5,线接触取0.7,面接触取1.0。
        开关和底座端子的插接是多段线接触,正常安装情况下,螺栓的紧固力要远大于开关和底座端子的插接力。
       (3)在负载开关的一侧(如输出侧或输入侧)安装测温式电气火灾监控探测器,而无需在负载开关上下两侧都安装。
负载开关输入端子与输出端子间的距离不足1m,铜的热导率较高,达到393.6W(m.K),当铜材某处异常高温时,能迅速将热量传导至周围,达到热平衡。从成本考虑,在负载开关的一侧(如输出侧或输入侧)安装测温式电气火灾监控探测器,而无需在负载开关上下两侧都安装。
       综上所述,建议在以下低压配电设备处使用测温式电气火灾监控探测器:
      (1)低压配电室内的低压进线柜断路器上接口处,3级负荷总开关断路器下接口处,环控1级、2级负荷馈出回路断路器下接口处,以及冷水机组回路断路器下接口处;
      (2)环控电控室的进线柜断路器上接口处,3级负荷进线开关断路器下接口处,以及隧道风机(TVF风机)低速回路断路器下接口处。
3.2剩余电流式电气火灾监控探测器
       剩余电流式电气火灾监控探测器的主要作用是监测电线、电缆的泄漏电流是否有增大趋势,以判断其绝缘状况是否良好。因此,对其安装位置的选择,建议如下。
       (1)在密集母线回路,建议安装剩余电流式电气火灾监控探测器。长距离输送电力的密集母线槽由于是非标组装件,其绝缘材料和组装工艺无法全面保证质量,尤其在接头处的绝缘处理上。多年运行经验表明,大多数密集母线槽的故障都是由于接头处绝缘下降引起,而密集母线槽的接头数量又多,因此,可安装剩余电流监测装置以监测整段密集母线槽绝缘状况,达到对可能出现的故障预警目的。
       (2)进线回路和母联回路可不安装剩余电流检测装置。剩余电流检测装置一般是监控馈出电缆的剩余电流状况,总进线开关处可不安装;母联回路一般处于备用状态,也不用安装。
       (3)区间隧道水泵供电回路应增加剩余电流检测装置。地铁区间隧道水泵电缆长期通电,且安装环境恶劣,温度高,还存在受化学物侵蚀的可能,其绝缘水平下降快,容易出现绝缘受损、击穿故障,引起火灾。因此,需在区间隧道水泵输出电缆上安装剩余电流检测装置。
       (4)站厅、站台总照明回路应增加剩余电流检测装置。因为站厅、站台照明回路点多面广,接头多,且安装工艺不严谨,容易出现绝缘受损、击穿等事故。建筑火灾事故统计表明,发生在建筑物的电气火灾多数是由于插座线路或照明线路过载、老化等引起。因此,实时监测站厅、站台照明回路的绝缘状况显得很有必要。综上所述,可在以下范围使用剩余电流检测装置:低压配电室的3级负荷总开关回路,环控l级、2级、3级负荷馈出密集母线回路,区间水泵供电回路,站厅总照明回路,站台总照明回路,冷水机组回路。
4电气火灾监控系统在深圳地铁使用情况
       深圳地铁从二期建设开始就在地下车站使用电气火灾监控系统。车站电气火灾预警系统由电气火灾监控主机、剩余电流式电气火灾监控探测器、蓝牙测温式电气火灾监控探测器、数据采集集中器、现场总线及系统软件等组成,没有使用线型感温火灾探测器。这套电气火灾监控系统用于车站0.4kV低压开关柜室、跟随变电所及环控电控室的重要电气设备温度、剩余电流的监测。
4.1蓝牙测温式电气火灾监控探测器
        蓝牙测温式电气火灾监控探测器使用范围是:环控电控室进线柜断路器上下接口处、3级负荷进线开关断路器上下接口处、隧道风机(TVF风机)回路断路器上下接口处、轨道排热风机(U/O风机)回路断路器上下接口处、冷水机组回路断路器上下接口处。探头温度设定为超过60℃报警。深圳地铁使用的测温式电气火灾监控探测器示意图
        如图1,说明:①此测温式电气火灾监控探测器具有蓝牙发射功能,与数据采集集中器交换数据;②“温度探头"需连接到断路器A、B、C三相上或下主连接螺栓处,采集A、B、C三相的接口处温度数据;③需为测温式电气火灾监控探测器提供220V电源。
 图1 测温式电气火灾监控探测器示意图
4.2剩余电流式电气火灾探测器
        剩余电流式电气火灾探测器使用范围:进线回路、3级负荷进线开关回路、TVF风机回路、U/O风机回路、冷水机组回路、照明总回路。剩余电流值设定为超过500mA时报警。
深圳地铁使用的剩余电流式电气火灾探测器示意图如图2。说明:①此剩余电流式电气火灾探测器具有蓝牙发射功能,与数据采集集中器交换数据;②“电流互感器"是用于检测断路器输出负载的A、B、C三相电流情况;使用安装时,需将断路器输出的A、B、C三相负载线路从电流互感器中穿过;③需为剩余电流式电气火灾监控探测器提供220V电源。
 图2 剩余电流式电气火灾探测器示意图
4.3深圳地铁部分车站使用情况举例
         图3是深圳地铁临海站的一个电气火灾监控系统实时主画面,在各路进线总开关中安装了测温式电气火灾监控探测器;在TVF风机回路、U/O风机回路与冷水机组回路安装了测温式电气火灾监控探测器和剩余电流式电气火灾探测器2种监控装置
图3 电气火灾监控系统主画面图
5安科瑞电气火灾监控云系统架构和硬件选型
       安科瑞电气推出的电气火灾监控云系统采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器和电气火灾探测器、故障电弧探测器和电气防火限流式保护器,对引发电气火灾的主要因素(导线温度、电流、剩余电流、故障电弧等)进行不间断的数据与统计分析,并将发现的各种隐患信息及时推送给学校管理人员,指导学校实现时间的排查和治理,达到潜在电气火灾隐患,实现“防患于未然"的目的。
       用户可以利用PC、手机、平板电脑等多种终端实现对平台的访问,查询包括系统信息、实时数据、报记录等在内的各种信息,使用方便。利用该系统为用户提供的低成本服务,能有提升企业的消防管理和电气设备水平,防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任的发生。
本系统的整体结构如图所示:
 
5.1硬件配置:
       平台服务器:建议按照我方提供配置标准购买,或者客户自己租用阿里云资源。
       推荐硬件配置:(如申请阿里云可忽略)
 现场硬件配置
方案一:100A以下回路,开口式互感器
 方案二:100A以下回路,普通互感器,会增加施工量
 
 方案三:100A以下回路,普通电流互感器,探测器和无线模块分开,可适用多回路配置针对1个回路,剩余电流互感器根据现场回路电流大小选择。
5.2运行条件:
      1)浏览器运行设备:
      台式电脑,手机、平板等移动端设备。
       2)浏览器端运行环境:
       Windows系统下使用、火狐、360(速模式)等浏览器访问。
5.3主要技术指标: 
       数据上传频率:2分钟
       通信方式:RS485、2G/3G/4G
       并发访问量:>=10000
       历史数据存储:>=3年
6安科瑞限流式保护器与智能安全配电装置介绍
6.1产品概述
6.1.1ASCP200-1型单相电气防火限流式保护器
       电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大,以及使用寿命短等弊端,发生短路故障时,能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护,从而能显著减少电气火灾事故,保障使用场所人员和财产的安全。
       ASCP200-1型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器,大额定电流为63A。可广泛应用于学校、医院、商场、宾馆、娱乐场所、寺庙、文物建筑、会展、住宅、仓库、幼儿园、老年人建筑、集体宿舍、电动车充电站及租赁式商场商铺、批发市场、集贸市场、甲乙丙类危险品库房等各种用电场所末端干、支路的线路保护。
6.1.2AISD智能安全配电装置
       AISD系列智能安全配电装置是安科瑞电气有限公司专门为低压配电侧开发的一款智能安全用电产品,本产品主要针对低压配电侧人身触电安全事故、线路老化、漏电引起电气火灾等等常见隐患而设计。
产品主要应用于学校、教育机构、医院、疗养院、康复中心、敬老院、酒店娱乐、商场商铺、企事业单位、家庭电器等各类低压用电的场合。
6.2产品功能特点
6.2.1ASCP200-1型电气防火限流式保护器主要功能如下
       ■短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流,当线路发生短路故障时,能在150微秒内实现快速限流保护,并发出声光报警信号。
       ■过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间(3~60秒可设)时,保护器启动限流保护,并发出声光报警信号。
       ■表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时,保护器实施超温限流保护,并发出声光报警信号。
       ■过欠压保护功能。当保护器检测到线路电压欠压或过压时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
       ■配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
       ■漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时,保护器发出声光报警信号,可预先设置是否启动限流保护。
       ■保护器具有1路RS485接口,1路2G无线通讯,可以将数据发送到后台监控系统,实现远程监控。监控后台可以是安科瑞Acrel-6000/B电气火灾监控主机,也可以是安科瑞Acrel-6000安全用电管理云平台,或三方监控软件或平台。
6.2.2AISD智能安全配电装置主要功能如下
       ■供电稳定性。负载端发生单相接地故障,装置报警,系统可持续供电,不会切断电源。
       ■供电安全性。装置可以把系统的漏电流限制在很小的级别,人体无意触碰到供电线路,不会造成触电事故。
■限流灭弧。系统发生短路故障,装置能快速切断电源,不会出现电弧火花。
    ■过载保护。装置监测到系统过载,可以及时切断电源,避免因过载引起线路故障。
■电压监测。装置实时监测系统电压,发生过、欠压时,发出报警信号,可以设置是否切断电源。
■报警功能。在系统发生短路、过载、欠压等异常时,装置发出声光报警信号,提醒相关人员。
■事件记录。装置存储30条事件记录,可供用户查询。
■通讯功能。装置配置RS485通讯接口,Modbus-RTU协议,可以远程读取相关数据。可选配无线通讯模块,无线方式将数据发送到云平台。
6.3产品技术参数
 表1ASCP200-1型电气防火限流式保护器
表2AISD智能安全配电装置主要功能如下
6.4产品使用注意事项
6.4.1ASCP200-1型单相电气防火限流式保护器
       在选用限流式保护器时,限流式保护器的设定的额定电流应该与其前上级的断路器的额定电流保持一致。例如,当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时,应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用,严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装,可以挂墙安装,也可以安装在箱体内,应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质,并注意环境温度和通风散热。
       为确保可靠连接,接线时应按接线图进行,同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热,也避免因接触不良而导致保护器工作不正常,线头应采用合适大小的U形冷压头压接后,再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。
保护器内部带有交流电,严禁非专业人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间,若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时,保护器仍处于带电状态,不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路,并排除故障后,长按保护器的复位按键约2秒钟,使保护器恢复正常运行时。
当保护器因超温而发生限流保护时,则可能是因为负载电流过大,环境温度过高或通风散热不良等原因导致,可通过加强通风等措施,等保护器温度降下来后,再长按复位键,使保护器复位,恢复正常运行。
6.4.2AISD智能安全配电装置
       在选用智能安全配电装置时,装置的额定容量应该与后方用电设备的额定容量保持一致。例如,当智能安全配电装置的额定容量为3kVA时,后方用电设备的额定容量应不超过3kVA,严禁将其使用于额定容量不匹配的配电线路中。
智能安全配电装置器采用壁挂式安装,可以裸机挂墙安装,也可以落地安装,应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质,并注意环境温度和通风散热。
接线时应按接线图操作,同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热,也避免因接触不良而导致装置工作不正常,应确保装置相应端子接线拧紧压实。
严禁非专业人士擅自打开产品外壳。
7安科瑞中线安防保护器产品介绍及选型
7.1中性线定义及危害
       中性线的定义:三相电的星形接法是把每一相电源或负载的一端都接在中性点上,将中性点引出的这条线叫中性线,这样就形成三相四线制或者五线制。也可不引出,形成三相三线制。现在的低压配电线路,采用多的是三相四线制,其中的三条线路分别用A、B、C代表三相,另一条中性线用N代表。
在三相四线制或五线制供电系统运行过程中,中性线引发火灾事故主要通过三种途径:
      A.中性线长期过载导致中性线绝缘层老化,使得绝缘层燃烧引发火灾;
      B.中性线故障使中性线开路,导致三相电严重不平衡,烧毁电气设备引发火灾。
     C.中性线老化使线路局部过热,导致中性线绝缘层老化,使得绝缘层燃烧引发火灾。
 7.2产品型号及尺寸
7.2.1产品型号
 
 7.2.2模块接口示意 7.2.3产品尺寸
  
 7.3技术参数
8总结电气火灾监控系统在深圳地铁使用效果
       电气火灾监控系统在深圳地铁二期工程车站使用至今,准确预警出数起因配电安装质量问题引起的温度报警,效果十分明显。
       该系统在实际应用中,检测到海月站3级负荷总开关K1端子温度达65℃,经现场维保人员检查,发现是3级负荷总开关K1开关B相与底座端子结合不紧密,接触电阻过大,致使该端子发热,经现场处理,恢复正常。另外,还检测出赤湾一蛇口区间水泵电力电缆绝缘破坏,剩余电流式电气火灾监控探测器探测到剩余电流值达到600mA,立刻发出了报警信号,经现场维保人员及时处理后避免了故障升级。
参考文献
[1]卢赣生.深圳地铁集团运营总部客运一分公司.广东深圳51805.
[2]机械工程手册余电机工程手册编辑委员会.电气工程师手册[M].北京:机械工业出版社,1987.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册,2020.06版.