ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計和應(yīng)用
裴善勇1 林思和1
1上海安科瑞電氣股份有限公司 上海市201801
摘 要：本文對電氣火災(zāi)的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，列出了電氣火災(zāi)監(jiān)控防范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。簡述了ARCM200剩余電流式電氣火災(zāi)探測器的設(shè)計原理以及該產(chǎn)品在2010年廣州亞運會海心沙項目系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。并分析了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。
近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，各行業(yè)用電量的大幅度增加，同時伴隨著電氣火災(zāi)也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。而接地故障火災(zāi)是最常見的多發(fā)電氣火災(zāi)。為避免接地故障引發(fā)的火災(zāi)，在建筑電氣中已開始廣泛使用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)的火災(zāi)隱患，及時報警提醒工作人員去消除這些隱患。 國家也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，例如《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006，《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045-2005，《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》GB 14287等。本文介紹了ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計原理，及在廣州亞運會海心沙場館中實際應(yīng)用。
一、電氣火災(zāi)分析
電氣火災(zāi)的發(fā)生有以下原因：電火花與電��；電氣設(shè)備或電氣線路上產(chǎn)生高溫導(dǎo)致；由于線路端子導(dǎo)線與端子接觸不良產(chǎn)生的危險高溫。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)的引發(fā)有一半是由于接地故障造成的。接地故障的發(fā)生主要是由于電氣線路的絕緣層老化，導(dǎo)致絕緣性能降低，從而在帶電導(dǎo)線和大地、電氣設(shè)備金屬外殼間產(chǎn)生剩余電流（又稱泄露電流或漏電流），由于接地故障回路阻抗大，往往會產(chǎn)生微小的電弧型放電，電弧放電產(chǎn)生熱量加劇線路絕緣老化。絕緣老化、剩余電流、微小放電三者之間產(chǎn)生惡性循環(huán)，放電電弧達(dá)到一定程度時（幾百毫安的剩余電流電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2000℃以上），高溫引燃周圍的可燃物而引起火災(zāi)。而配電系統(tǒng)中的電流保護(hù)器在微弱的放電打火過程中無法動作，而發(fā)生動作切斷電源時火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生，未能在火災(zāi)發(fā)生前及時切斷。
這類電氣火災(zāi)的引發(fā)是由于非正常的剩余電流所引發(fā)的。故需要有專門檢測線路中剩余電流的裝置，來實時地監(jiān)測配電系統(tǒng)的絕緣情況，繼而實現(xiàn)該類電氣火災(zāi)的提前預(yù)警，達(dá)到消除火災(zāi)隱患的目的。
二、原理描述
電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中主要的元件為剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。探測器通過剩余電流互感器實現(xiàn)對剩余電流信號的檢測，如圖1 所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律 (KCL) 可知從電源端流出的電流會等于流回的電流，其相量形式如下：
在圖1 中，將三相導(dǎo)線及N線全部穿過剩余電流互感器，檢測的電流為
，而剩余電流為
，即： 
由于二次電流大小與一次電流
呈一定的比例關(guān)系，就可以通過測量剩余電流互感器二次側(cè)的電流來測量一次側(cè)的剩余電流。根據(jù)檢測到的剩余電流大小,探測器可通過預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出各種指令,或切斷電源,或發(fā)出報警信號等。
圖1 剩余電流檢測
上海安科瑞股份有限公司生產(chǎn)的ARCM200/300剩余電流式電氣火災(zāi)探測器產(chǎn)品采用32位MCU實現(xiàn)，功能主要包括多路剩余電流和溫度測量、報警、顯示、存儲、人機交互和通訊等�；竟ぷ髟砣缦拢�
圖2 硬件設(shè)計原理框圖
剩余電流互感器將感應(yīng)出來的信號傳輸?shù)绞Ｓ嚯娏鞑杉K，經(jīng)過信號的轉(zhuǎn)換濾波后MCU利用片內(nèi)AD模塊對各個通道的信號量進(jìn)行AD采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算，完成信號的精確測量，再按設(shè)置的保護(hù)參數(shù)，進(jìn)行報警保護(hù)處理。同時MCU根據(jù)探測器的狀態(tài)，來控制LED數(shù)碼管顯示、數(shù)據(jù)計算\存儲、外部通訊、鍵盤菜單操作、繼電器開關(guān)動作、蜂鳴器報警等工作。
三、算法描述
傳統(tǒng)的剩余電流檢測方法為：電流互感器為傳感器件，由它提取的剩余電流信號，經(jīng)放大、AC/DC變換、A/D變換、CPU處理后，送往報警器、顯示器、信號輸出。該方法中，實現(xiàn)對剩余電流的測量需要經(jīng)過放大器，AC/DC變換，最后才到A/D采樣測量，轉(zhuǎn)換復(fù)雜，增加了故障節(jié)點，同時也增加了成本。
ARCM200/300探測器，采用交流采樣技術(shù)，直接對互感器過來的剩余電流信號采樣，保持信號的真實性。通過MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，從而達(dá)到精確測量剩余電流信號的目的，并通過特定程序算法，保證了探測器及時、準(zhǔn)確和可靠進(jìn)行報警保護(hù)。其運用的主要技術(shù)手段如下：
1）頻率濾波
現(xiàn)代用電設(shè)備中變頻器及非線性負(fù)載越來越多，電網(wǎng)諧波含量急劇增加，在供電電纜中造成了高頻泄漏電流，這些泄漏電流可以達(dá)到幾十到幾百毫安。IEC60479標(biāo)準(zhǔn)中說明了在50/60HZ時的保護(hù)最為關(guān)鍵。故有必要將泄漏電流的高頻成分濾除，從而減少了諧波電流和瞬時電流引起的誤動。
ARCM200/300中利用數(shù)字信號處理技術(shù)中的數(shù)字濾波技術(shù)，將采樣得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波計算處理，達(dá)到濾除信號中高頻部分的目的。
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http:www.m.zsj1993.com/news/2014-7/201472320456.html
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