基于泄漏電流監(jiān)測的電氣火災(zāi)監(jiān)控報警系統(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)報警系統(tǒng)在地鐵應(yīng)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(zāi)報警系統(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防火的要求極高。一旦發(fā)生火災(zāi),將給遇險人員的安全疏散及消防員的搶險救生與火災(zāi)撲救帶來很大困難,嚴(yán)重影響市民生命安全和國家財產(chǎn)安全。
圖1為國內(nèi)外的地鐵火災(zāi)原因統(tǒng)計。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(shè)備流動,對地絕緣電阻很大,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(dá)2000℃以上,此時,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。
如果對泄漏電流進(jìn)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(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)測的電氣火災(zāi)報警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前,該系統(tǒng)已引起國內(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、泄漏電流報警系統(tǒng)分析
2.1、基本功能
泄漏電流火災(zāi)報警系統(tǒng)通過對泄漏電流的檢測,準(zhǔn)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(yuǎn)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(zāi)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(hù)功能,可依據(jù)用戶需要組成合適的保護(hù)特性。可智能設(shè)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(yù)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(shù)構(gòu)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(yuǎn)程監(jiān)控功能。
(4)可通過監(jiān)測及通信技術(shù)組成通信網(wǎng)絡(luò),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(jié)點,所有流入、流出結(jié)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(dǎo)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(shè)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(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(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)定泄漏電流報警值方式判斷是否達(dá)到報警條件。
當(dāng)發(fā)生泄漏電流報警時,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,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(fù)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(zāi)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(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(jī)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(jìn)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(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,并將最終報警信息輸出至報警顯示器。其流程圖如圖6所示。
3、結(jié)語
基于預(yù)防為主,綜合防護(hù)的電氣安全理念,針對地鐵運(yùn)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(zāi)報警系統(tǒng)。在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)及消防聯(lián)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,可更早地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)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(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)測線路中的漏電、電流、溫度等變化,當(dāng)線路中發(fā)生異常時,可迅速發(fā)出報警信號并準(zhǔn)確報出故障點,以便電氣專業(yè)人員及時排查電氣火災(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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