ARCM系列電氣火災監(jiān)控探測器的設計和應用
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摘要：本文對電氣火災的產生原因進行了分析，列出了電氣火災監(jiān)控防范的相關標準。簡述了ARCM200剩余電流式電氣火災探測器的設計原理以及該產品在2010年廣州亞運會海心沙項目系統(tǒng)中的實際應用。并分析了電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應用中應注意的問題。
近年來，我國國民經濟的高速增長，各行業(yè)用電量的大幅度增加，同時伴隨著電氣火災也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，給國民經濟和人民生命財產造成巨大損失。而接地故障火災是最常見的多發(fā)電氣火災。為避免接地故障引發(fā)的火災，在建筑電氣中已開始廣泛使用電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)能準確監(jiān)測電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能發(fā)現(xiàn)電氣火災的火災隱患，及時報警提醒工作人員去消除這些隱患。國家也頒布了相應的標準來規(guī)范電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，例如《建筑設計防火規(guī)范》GB50016-2006，《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045-2005，《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)》GB 14287等。本文介紹了ARCM系列電氣火災監(jiān)控探測器的設計原理，及在廣州亞運會海心沙場館中實際應用。
一、電氣火災分析
電氣火災的發(fā)生有以下原因：電火花與電??；電氣設備或電氣線路上產生高溫導致；由于線路端子導線與端子接觸不良產生的危險高溫。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)電氣火災的引發(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，導致絕緣性能降低，從而在帶電導線和大地、電氣設備金屬外殼間產生剩余電流（又稱泄露電流或漏電流），由于接地故障回路阻抗大，往往會產生微小的電弧型放電，電弧放電產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生惡性循環(huán)，放電電弧達到一定程度時（幾百毫安的剩余電流電弧產生的局部高溫可達2000℃以上），高溫引燃周圍的可燃物而引起火災。而配電系統(tǒng)中的電流保護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已經發(fā)生，未能在火災發(fā)生前及時切斷。
這類電氣火災的引發(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)該類電氣火災的提前預警，達到消除火災隱患的目的。
二、原理描述：
電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)中主要的元件為剩余電流式電氣火災監(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：
，而剩余電流為 ，即：
由于二次電流大小與一次電流(
)呈一定的比例關系，就可以通過測量剩余電流互感器二次側的電流來測量一次側的剩余電流。根據(jù)檢測到的剩余電流大小,探測器可通過預先設定的程序發(fā)出各種指令,或切斷電源,或發(fā)出報警信號等。
)呈一定的比例關系，就可以通過測量剩余電流互感器二次側的電流來測量一次側的剩余電流。根據(jù)檢測到的剩余電流大小,探測器可通過預先設定的程序發(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的ARCM200/300剩余電流式電氣火災探測器產品采用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?/DIV>
圖2 硬件設計原理框圖
剩余電流互感器將感應出來的信號傳輸?shù)绞Ｓ嚯娏鞑杉K，經過信號的轉換濾波后MCU利用片內AD模塊對各個通道的信號量進行AD采樣，并進行相應的數(shù)學運算，完成信號的精確測量，再按設置的保護參數(shù)，進行報警保護處理。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過放大器，AC/DC變換，最后才到A/D采樣測量，轉換復雜，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，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)進行計算處理，從而達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、準確和可靠進行報警保護。其運用的主要技術手段如下：
1頻率濾波
現(xiàn)代用電設備中變頻器及非線性負載越來越多，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到幾十到幾百毫安。IEC60479標準中說明了在50/60HZ時的保護最為關鍵。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)字信號處理技術中的數(shù)字濾波技術，將采樣得到的一系列數(shù)據(jù)進行濾波計算處理，達到濾除信號中高頻部分的目的。
2測量真有效值（方均根值）。
在考慮頻率濾波的情況下，可準確測量剩余電流信號的RMS真有效值，使動作的判據(jù)更加準確，減少不正常的拒報警。
四、實現(xiàn)功能及性能：
ARCM200/300實現(xiàn)了以下功能：
1剩余電流/溫度測量。可以實現(xiàn)同時監(jiān)控1～4路剩余電流，其中J1型可以監(jiān)測3路溫度。剩余電流正常測量范圍在10mA～3000mA，精度可達到1級，溫度測量范圍可從-10℃ 到 120℃之間，精度±1℃。
2可編程報警設置。動作電流和動作延時可靈活調整，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實際情況進行參數(shù)設定。并能夠非常容易的適用于分級保護的場合。報警功能的一些說明：額定動作電流值I△n設定范圍：20～1000mA,也可設為OFF，以關閉剩余電流保護；預警電流為＞0.8I△n，報警動作電流為＞0.95I△n；溫度報警設定范圍：50℃～120℃，也可設為OFF，以關閉溫度通道保護；動作時間可設定范圍：0.1S～60.0S 。
關鍵詞：
剩余電流
電氣火災監(jiān)控探測器
亞運會
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