一种复合型电气火灾监控探测器的设计

叶 亮，徐 琛，魏 哲，周 军

（武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉430070）

我国是电气火灾多发的国家。从20 世纪末以来，电气火灾发生的次数一直占各类火灾的首位，接近火灾总数的30 %，损失更是占火灾总损失的50 %之多，且一直居高不下。而国外如英国每年电气火灾发生次数仅为总火灾发生次数的17 %，美国仅为10 %，日本仅为13 %，说明我国电气火灾的发生率偏高，与发达国家相比差距很大。可以说，预防和有效控制电气火灾已经到了刻不容缓的程度。为了大幅减少影响我国社会消防安全的电气火灾次数，一种基于检测剩余电流和温度的复合型电气火灾监控探测器应运而生。

1 电气火灾的起因及监控意义

引起电气火灾的原因是多方面的，主要表现在以下几个方面：

（1）电火花或电弧。电火花或电弧主要的产生原因为单相接地故障，主要体现为导体的绝缘损坏，使两导体间被击穿而产生电弧电压。电弧会产生很高的温度，如2～20 A的电弧电流就可以产生2 000～4 000 ℃的局部高温。事实上0.5 A的电弧电流就足以引发火灾。

（2）接触不良。当工作电流通过时，在接触电阻上产生较大的热量，使连接处温度升高，高温又使接触电阻进一步增大，形成恶性循环，使附近的电气系统绝缘损坏，造成短路而引发火灾，也可能直接引燃附近的可燃物而引发火灾。

（3）可燃性材料。可燃性材料可分为固体可燃性材料和液体可燃性材料。通常液体和固体可燃性材料的引燃点温度分别为300 ℃和400 ℃。

电气火灾监控也就是剩余电流报警，是在火灾发生前进行探测、预警，真正具有“防患于未然”的意义。不同于普通火灾报警系统主要作用为降低火灾损失，而安装电气火灾监控系统则是从根源遏制火灾发生，意义不同，并且更具实用价值。电气火灾发生率居高不下，国家对电气防火也越来越重视，更加凸显了电气火灾监控的作用与意义。无论是企业还是个人都有必要了解电气防火产品，以及市场现状，更多的人去关注电气防火市场，必会起到规范与稳定市场发展的作用。

2 剩余电流检测原理

剩余电流（residual current ）简言之即通过剩余电流动作保护装置主回路电流的矢量和。一般人们俗称的漏电电流，泄漏电流或过剩电流，在国标《剩余电流动作保护装置安装和运行》（GB 13955－2005）中统一称之为“剩余电流”。

剩余电流式电气火灾监控探测器利用电流互感器检测电流的原理来检测剩余电流的大小，以防止电气火灾的发生。

检测原理如图1 所示，图中IA、IB、IC为相电流，IN为中性线电流，Id为相线在a点的对地剩余电流，S 为任一封闭面。根据基尔霍夫定律，流入任一封闭面S的电流有效值相量之和等于零，则有IA＋IB＋IC－IN－Id＝0整理得IA＋IB＋IC－IN＝Id。在正常情况下，三相电流的矢量和与N 线中流过的电流大小相等，方向相反，相互抵消。如果线路绝缘劣化或其它原因导致A 相线在a点产生对地电流，则在图中的S 处电流互感器的线圈中将感应出与剩余电流Id大小成正比的电流，其数值大小反映了配电线路及电气设备中电流的泄露情况。

图1 剩余电流检测原理

3 系统组成及探测器设置原则

目前主流电气防火产品是过载保护断路器，它的基本功能是当被保护电气设备因故产生电流过载时，能及时、准确、自动地切断电源，防止过载电流产生电流热效应而引起燃烧。它的缺陷是额定电流整定后不能自行调节，不同额定电流的工作线路必须匹配相应的过载保护断路器，且只能监视流经自身的电流，无法监视工作线路的漏电现象。

3 .1 系统组成

这种复合型电气火灾监控探测器由以下几部分组成：电气火灾监控设备、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。该系统利用电流磁场效应和温度效应，将工作线路的电流变化和温度变化传送到监控设备中，当发生电流或温度突变时，探测器对变化幅值进行分析并与报警设定值比较，发出声光报警信号，并向监控设备发送报警信号和报警地址。监控设备在接收到报警信号后能显示报警部位、报警值和报警数量等信息，提醒值班人员迅速处理工作线路并可将报警信息发送到集中控制台。这种根据电气火灾的发生原理，利用技术手段监视电气线路的异常状态，是电气火灾监控系统的主要特点。其系统组成原理图如图2 所示。

图2 系统组成原理图

3 .2 设置原则

剩余电流式探测器的设置以末端探测为基本原则，宜设置在总电源端和分支线首端。在供电末端负载和漏电流很小，且其上一线的负载条件和自然漏流仍符合设置剩余电流式探测器时，可以在其上一级供电处设置。剩余电流式探测器报警值必须与探测电气线路相适宜，探测器报警的泄漏电流不小于被保护电气线路和设备的正常运行时泄漏电流最大值的2 倍。剩余电流式探测器额定电流、额定电压等指标应满足被保护线路的要求。剩余电流式探测器宜用于报警，只有保护供电要求不高的场所和设备时，才能自动切断其供电电源。应根据建筑性质和低压配电线路具体情况，确定剩余电流式探测器探测的分级数，探测级数不宜超过三级。选择剩余电流式探测器时，应计算（供电系统已经完工时，应实际测量）供电系统固有的剩余电流，并选择参数合适的探测器，尽量使每只探测器充分发挥作用，减少构成监控系统的探测器数量。

测温式探测器的设置应以探测电气系统异常发热为基本原则，宜设置在电缆接头、电缆本体、开关触点等发热部位。探测对象为低压供电系统时，宜采用接触式布置的测温式探测器。在被探测对象为绝缘体时，宜将探测器的温度传感器直接设置在被探测对象的表面，采用接触式布置。探测对象为配电柜内部温度变化时，可采用非接触式布置，但宜靠近发热部件设置。

4 结 语

综上所述，这种复合型的电气火灾监控探测器的主要功能是在火灾发生前，能对配电线路、变配电设备、重要用电设备的电流（以线路剩余电流为主）和温度变化进行检测，以及对隐患和故障部位的地址进行报警。

电气火灾监控探测器的设计首先要明确保护对象的火灾危险程度，并结合工程的配电系统设计和负荷特性确定保护分级；同时，电气火灾监控探测器的设计应以线路剩余电流检测和报警为主，根据负荷特性和运行状况，对配电设备和线路适当的部位增加温度监控器，如变压器、电气竖井内的电缆桥架和电缆夹层等，提高系统的性价比。此外，在配电设计时还应充分考虑线路负荷增长因素和敷设条件对载流量的影响，选择足够的中性线截面，认真做好工程的总等电位和局部等电位联结的设计，合理选配剩余电流动作保护装置等对电气火灾的防护也一样至关重要。

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