王德發(fā)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司　武漢　430063)

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城市軌道交通電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案

王德發(fā)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司武漢430063)

摘要結(jié)合無錫地鐵1、2號線中電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、施工、調(diào)試、運營等情況，闡述城市軌道交通電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計方案，主要包括系統(tǒng)設(shè)置范圍的變電所400 V柜及環(huán)控電控柜出線；系統(tǒng)預警和報警整定值300 mA和500 mA；系統(tǒng)直接與綜合監(jiān)控系統(tǒng)做通信接口等。另外，還指出城市軌道交通電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)在實際設(shè)計和施工過程中需要注意的事項，主要包括在設(shè)計中只對故障回路進行檢測、報警而不聯(lián)動故障回路斷路器跳閘，建議選擇一體式監(jiān)控探測器并且事先預留安裝位置等；在施工中N線需穿過探測器，而PE線則不能穿過探測器等，為后續(xù)城市軌道交通電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)；泄漏電流；探測器；整定值

火災是最常見、最普遍、對公共安全威脅最大的災害之一，而在所有火災中，電氣設(shè)備造成的火災是主要原因，且所占比例逐年升高[1]。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)外軌道交通火災中，因電氣原因引起的火災占比最大，達到37%，其中供電線路的泄漏電流是造成電氣火災的罪魁禍首[2-5]。軌道交通作為現(xiàn)代城市主要公眾聚集場所之一，一旦發(fā)生火災，將給遇險人員的安全疏散和消防人員的及時搶救帶來極大困難[6-7]，嚴重影響市民的生命安全和國家財產(chǎn)安全，因此預防城市軌道交通供電線纜的電流泄漏，加強對城市軌道交通公眾聚集場所的消防安全管理是十分必要的。

本文根據(jù)無錫地鐵1、2號線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的實際設(shè)計、施工、調(diào)試和運營情況，對因電流泄漏引起電氣火災的相關(guān)技術(shù)問題和施工問題進行分析研究，進而總結(jié)出一套安全有效的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案，以期為其他城市軌道交通的相關(guān)設(shè)計和施工人員提供幫助和參考。

1泄漏電流引發(fā)電氣火災的原因

一般情況下，交流供電電纜的泄漏電流產(chǎn)生有兩個原因，一是電纜與地之間存在電容，二是電纜與地之間的絕緣電阻并非無窮大。當交流電源電壓為V，頻率為f，電纜對地電阻為R，電纜電容為C時，電纜的泄漏電流可以表示為

I=V/(R+1/2πfC)

由此可知，電纜對地電阻R越大，對地電容C越小，則泄漏電流越小。然而，電纜的對地電容與電纜結(jié)構(gòu)及敷設(shè)方式有關(guān)，且電容引起的泄漏電流較小，因此泄漏電流主要取決于對地電阻。當電纜受損或老化，對地絕緣電阻下降，加之現(xiàn)場環(huán)境潮濕時，電纜的泄漏電流就會顯著增加。研究表明，當泄漏電流達到300 mA時，就可能形成電弧，進而引發(fā)火災事故[8-9]。

合理設(shè)置監(jiān)控點，對電纜泄漏電流進行早期預警，則可以提前發(fā)現(xiàn)和消除火災隱患。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)是一種新型綜合系統(tǒng)，它可以對泄漏電流進行早期的監(jiān)控和報警。該系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用近幾年才開始，大部分還處于設(shè)計或招標階段，因此具有重要研究價值。

2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)原理及功能

2.1工作原理

2.1.1泄漏電流檢測原理

基爾霍夫電流定律(KCL)及其推論[10]指出，在任一瞬間，通過電路中任一不包含電源的假設(shè)封閉面的電流矢量和為零。如圖1所示，在正常情況下，三相四線電源的電流矢量和為零，即IL1+IL2+IL3+IN=0，此時設(shè)備對地電流IE和電纜對地電流IZ均為0，電流互感器測得的泄漏電流IL=0。當用電設(shè)備發(fā)生接地故障時，有IE≠0，當電纜絕緣受損時，有IZ≠0，均會導致電源的電流矢量和不為零，即IL1+IL2+IL3+IN≠0，此時，電流互感器中的感應(yīng)電流IL≠0，經(jīng)電氣火災探測器運算處理，從而確定泄漏電流的存在[9，11]。

圖1　泄漏電流檢測原理

2.1.2監(jiān)控報警原理

電流互感器檢測到的泄漏電流IL，經(jīng)電氣火災探測器A/D轉(zhuǎn)換，變換為數(shù)字量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后由通信線上傳至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機將該泄漏電流與系統(tǒng)設(shè)定值進行比較，從而判定泄漏電流是否達到預警、報警條件。當泄漏電流達到預警、報警條件時，監(jiān)控主機發(fā)出聲音，將泄漏電流超標的回路在監(jiān)視器上以不同顏色予以標示，并將相關(guān)的報警回路編號、泄漏電流值、報警時間等信息記錄在系統(tǒng)存儲器中，現(xiàn)場檢修人員根據(jù)系統(tǒng)提示，對該回路進行及時的檢修維護，確保泄漏電流回到預警值以下。

2.2系統(tǒng)功能

不同廠家生產(chǎn)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)功能有差異，但都具備以下主要功能：泄漏電流檢測、報警功能；泄漏電流預警值、報警值在線整定功能；歷史數(shù)據(jù)管理和事件打印功能；用戶權(quán)限管理功能；通信功能。總之，電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)主要用來實時監(jiān)測泄漏電流、實時預防和報告電氣火災事故，在不同的城市軌道交通中應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)具體情況適當調(diào)整設(shè)計方案。

3電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)在軌道交通的應(yīng)用

3.1設(shè)置依據(jù)和范圍

根據(jù)JGJ 243—2011《交通建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[12]的規(guī)定，城市軌道交通地下車站火災保護對象為一級，應(yīng)設(shè)置電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。在JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[13]和GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[14]中規(guī)定，城市軌道交通地下車站宜設(shè)置電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。目前，在全國各地城市軌道交通消防驗收和專家評審中，也都要求設(shè)置電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。

對于電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置部位，各規(guī)范的要求也不一致。根據(jù)GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求，電氣火災監(jiān)控探測器應(yīng)以設(shè)置在低壓配電系統(tǒng)首端為基本原則，宜設(shè)置在第一級配電柜(箱)的出線端；在供電線路泄漏電流大于500 mA時，宜在其下一級配電柜(箱)中設(shè)置。而JGJ 243—2011《交通建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中則要求，除消防動力配電回路外，其他電力、照明區(qū)域或樓層配電箱電源進線處應(yīng)設(shè)置防電氣火災的剩余電流動作報警器。

筆者結(jié)合無錫地鐵1、2號線中電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的實際設(shè)計和使用情況，建議在城市軌道交通地下車站以下部位設(shè)置電氣火災探測器(或泄漏電流互感器)：

1) 變電所400 V開關(guān)柜出線，不含變電所至環(huán)控柜的饋出線?？紤]到變電所內(nèi)饋出線比較集中，在變電所內(nèi)設(shè)置探測器可以監(jiān)控饋出電纜及末端設(shè)備的泄漏電流情況；

2) 環(huán)控電控柜內(nèi)的風機饋出線?？紤]到變電所至環(huán)控柜的饋出線電流較大，一般采用電纜多拼或者母線槽供電，且末端設(shè)備眾多，泄漏電流較大，正常情況下的泄漏電流都超過300 mA，因此，環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備的泄漏電流檢測設(shè)置在環(huán)控電控柜內(nèi)。

3.2整定值設(shè)置

考慮到地下車站內(nèi)設(shè)備的使用環(huán)境差，部分區(qū)域潮濕，電纜和設(shè)備本身的泄漏電流較大等因素，在GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中明確要求電氣火災探測器報警值宜為300～500 mA，筆者結(jié)合無錫地鐵1、2號線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和使用情況，建議按以下標準設(shè)置系統(tǒng)的整定值。

1) 系統(tǒng)預警電流整定值為300 mA。當系統(tǒng)檢測到某回路的泄漏電流值大于300 mA時，系統(tǒng)處于預警狀態(tài)并記錄預警信息，預警指示燈閃爍，對應(yīng)的預警回路改變顏色，同時閃爍，直到故障解除，泄漏電流小于300 mA為止。

2) 系統(tǒng)報警電流整定值為500 mA。當系統(tǒng)檢測到某回路的泄漏電流值大于500 mA時，系統(tǒng)處于報警狀態(tài)并記錄報警信息，報警蜂鳴器響起，報警指示燈閃爍，對應(yīng)的報警回路改變顏色，同時閃爍。值班人員可手動關(guān)閉報警蜂鳴器，但只有當檢修人員徹底解除故障，泄漏電流小于300 mA時，報警指示燈和報警回路閃爍才能停止。

3.3接口設(shè)計

GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》要求，在設(shè)置消防控制室(地鐵車站內(nèi)即為車控室)的場所，電氣火災監(jiān)控器的報警信息和故障信息應(yīng)在消防控制室圖形顯示裝置或有集中控制功能的火災報警控制器上顯示[8]?？紤]到目前的城市軌道交通都設(shè)置了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，且綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車控室設(shè)置有監(jiān)視工作站，同時，綜合監(jiān)控系統(tǒng)也集成或互聯(lián)了FAS(火災自動報警系統(tǒng))、BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))、SCADA(電力監(jiān)控系統(tǒng))、PIS(乘客信息系統(tǒng))等系統(tǒng)，因此，建議電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)直接與綜合監(jiān)控系統(tǒng)做通信接口，將故障信息和報警信息傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并在車控室綜合監(jiān)控系統(tǒng)的工作站上顯示。

4系統(tǒng)設(shè)計、施工中注意的問題

4.1系統(tǒng)設(shè)計注意問題

根據(jù)無錫地鐵1、2號線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、施工、調(diào)試及運營的經(jīng)驗，在系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品選型上應(yīng)注意以下問題：

1) 電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)只對故障回路進行檢測、報警，不聯(lián)動故障回路斷路器跳閘；

2) 探測器應(yīng)設(shè)置在斷路器的下端；

3) 考慮到車控室的面積有限，電氣火災監(jiān)控主機應(yīng)選用壁掛式，在車控室內(nèi)與火災報警系統(tǒng)主機并排安裝；

4) 電氣火災監(jiān)控探測器選擇一體式監(jiān)控探測器，將監(jiān)控報警功能與剩余電流傳感探測功能一體化。由于城市軌道交通設(shè)備繁多、電磁環(huán)境復雜，一體式監(jiān)控探測器可以有效避免電磁干擾引起的測量誤差；

5) 電氣火災監(jiān)控主機應(yīng)能人工消除蜂鳴器報警音，在監(jiān)控主機上可以對現(xiàn)場的探測器進行整定值設(shè)置和復位操作；

6) 400 V開關(guān)柜、環(huán)控柜(或其他柜體)內(nèi)的探測器，在設(shè)備生產(chǎn)的時候一定要預留探測器安裝空間，并考慮探測器的安裝方式，有條件的情況下，應(yīng)在設(shè)備出廠的時候?qū)⑻綔y器安裝好。

4.2系統(tǒng)施工注意問題

在施工過程中，由于多數(shù)軌道交通施工單位沒有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的施工經(jīng)驗，導致現(xiàn)場出現(xiàn)較多的技術(shù)問題，主要有以下幾方面：

1) 各回路的L1、L2、L3三個相線和N線均要穿過探測器(或互感器)，而PE線不能穿過探測器(或互感器)，否則系統(tǒng)檢測的泄漏電流偏小，不能準確反映線路或設(shè)備的故障情況。對于單相供電的設(shè)備，相線和N線穿過探測器(或互感器)，PE線則不能穿過探測器(或互感器)；

2) 因礦物絕緣電纜沒有專門的PE線，一般將礦物絕緣電纜的外殼(銅皮)當PE線使用，此時應(yīng)避免礦物絕緣電纜的外殼穿過探測器(或互感器)；

3) 系統(tǒng)通信線纜與供電線纜同路徑敷設(shè)時，通信線纜應(yīng)選用帶屏蔽層的線纜；

4) 施工時，應(yīng)先安裝探測器(或互感器)，再敷設(shè)柜內(nèi)或箱內(nèi)的電纜，最后將電纜接至饋線斷路器，施工順序錯誤將導致返工，并可能出現(xiàn)電纜不夠長的問題。

5結(jié)語

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)是一種電氣火災的早期預警系統(tǒng)，當線路或設(shè)備發(fā)生故障時能夠及時檢測出泄漏電流變化，并準確地給出預警或報警信號，將電氣火災消滅在萌芽狀態(tài)?，F(xiàn)代城市軌道交通遵循“以防為主”的安全設(shè)計理念，電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)能夠盡早地發(fā)現(xiàn)電氣火災安全隱患，更好地體現(xiàn)出這種設(shè)計理念。在未來的城市軌道交通中，該系統(tǒng)將會得到更廣泛的應(yīng)用，對軌道交通的安全運行發(fā)揮重要的作用。

本文是對無錫地鐵1、2號線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案及設(shè)計、施工注意事項的總結(jié)，旨在為后續(xù)軌道交通電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和施工提供參考。

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(編輯：王艷菊)

Application Scheme of Electric Fire Monitoring System in Urban Rail Transit

Wang Defa

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

Abstract:Taking Wuxi Metro Line 1 and Line 2 as examples, this paper describes the detailed application scheme for electric fire monitoring system throughout the process of design, construction, commissioning and operation of urban rail transit. The outlets of 400V substation cabinet and the installation of environmental control system cabinet are adopted, setting values of early warning system and alarm system are 300mA and 500mA respectively, and communication interface between electric fire monitoring system and comprehensive monitoring system is particularly set, etc. Besides, the special considerations both in design and construction of electric fire monitoring system are described, including fault circuit testing in the process of design, the check and alarm program set to prevent the fault circuit while circuit breaker is tripping in not-linkage fault circuit. Integrated monitoring detector is strongly recommended for the system and its installation location should be reserved in advance; in the process of project construction, N line should go through the detector but PE line should avoid the detector, etc. This study is expected to provide a valuable reference for those electric fire monitoring systems in subsequent urban rail transit project construction.

Key words:urban rail transit; electric fire monitoring system (EFMS); leakage current; detector; setting value

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.024

收稿日期:2015-05-11修回日期: 2015-06-29

作者簡介:王德發(fā)，男，高級工程師，電氣化處副總工程師，主要從事軌道交通低壓配電、FAS、BAS、ACS的設(shè)計與研究工作，94391813@qq.com

中圖分類號U231.7

文獻標志碼A

文章編號1672-6073(2016)03-0106-04