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如何基于剩余電流原理設計防火探測與監控系統?

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017/10/20     瀏覽次數:    
  利用剩余電流原理探測電氣火災隱患,首先必須理解“剩余電流”的概念并與“泄漏電流”區別開來,然后再據此原理設計層次化的監控系統。
  剩余電流與泄漏電流及其關系
  什么是剩余電流?剩余電流是“同一時刻,在電氣裝置中的電氣回路給定點處的所有帶電體電流值(即瞬時值)的代數和”,其英文譯名為“residual current”。眾所周知,對稱三相交流電流,任一時刻不同相導體的電流代數值,或零或正或負,其和總是為“零”,即對稱三相交流電流瞬時值之和為零。
  什么是泄漏電流?泄漏電流是“正常運行狀況下,在不期望的可導電路徑內流過的電流”,其英文譯名為“leakage current”。該術語中“不期望的可導電路徑”概念寬泛,本文特指“從帶電部件流入大地”,即泄漏電流是指所謂的對地泄漏電流:“無絕緣故障,從設備的帶電部件流入大地的電流”。約定俗成,本文將其略去“對地”二字,稱之為“泄漏電流”。
  正常泄漏電流不引起火災
  正常泄漏電流是平均分布的,這種平均分布的泄漏電流可以分為平均線式分布的泄漏電流和平均點式分布的泄漏電流。
  平均線式分布的泄漏電流是指沿線路平均泄漏的電流,是由于相導體存在的對地分布電容引起的。
  平均點式分布的泄漏電流是指各變、配、用電設備以“點”形式存在的很小的泄漏電流。
  由此可見,正常泄漏電流是線路和用電設備分布平均的泄漏電流,其集合量可能達到數百毫安以上,但分布平均的泄漏電流非常微小,所以正常泄漏電流再大,只是集合量大,并非某一點集中的大電流,因此沒有足夠大的能量引發火災,不是火災的隱患。
  接地故障電流可引燃可燃物
  接地故障電流是因絕緣故障而流入大地的電流,其典型特征是“點熱積聚效應”。
  由于電氣故障或設備老化在某一點發生,這種接地故障不全是金屬性的。非金屬性接地故障的泄漏電流在能量積聚過程中,將使對地電流緩慢地或突然增加。
  具有“點熱積聚效應”的泄漏電流,其300 mA的能量是一個什么概念呢?300mA的電流相當于一只75 W的白熾燈泡發出的熱量。
  GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》(以下簡稱《建規》)提供了一組白熾燈表面溫度烤燃可燃物的溫度試驗數據——75 W的白熾燈泡,以臥式埋入稻草中2min可以烤至其著火。這就是300mA“點熱積聚效應”所能引燃可燃物的能量。
  剩余電流與接地故障的關系
  造成剩余電流的原因主要來源于如下幾種情況:線路不對稱、負載不對稱和諧波。
  這三種主要情況,無論是線路或負載不對稱還是諧波均為供電系統的正常運行時的狀態,不應作為故障報警信息,只要采取合適的糾正措施,正常剩余電流值是比較小的,在整定剩余電流報警的閾值時完全可以躲過。
  接地故障是引發大增量剩余電流的主因。由于接地故障是供配電系統一種嚴重的不平衡狀態,由此引發的剩余電流在正常剩余電流基礎上大幅度疊加。
  力排俗稱“漏電”的誤導
  “剩余電流”是一技術性術語,尤其“剩余”二字專業性強,而“漏電”一詞普遍讓人感覺較為直觀淺顯,易理解。
  因此,2005年國家標準在向國際標準靠攏后,雖然將漏電保護斷路器改為剩余電流保護斷路器,但坊間乃至專業場合還是一直延用“漏電”作為“剩余電流”的俗稱或代名詞,還是一直把“剩余電流保護斷路器”習慣性地稱為“漏電保護斷路器”。
  在技術上,用“漏電”去認識“剩余電流”嚴重缺乏電氣內涵的滲透力。
  因此,當采用“漏電開關”“漏電斷路器”等約定俗成的習慣性用語時,務必排除用“漏電”替代“剩余電流”的概念性干擾,保持專業定力,以免被誤導甚至曲解。
  “系統”設置對象
  如果把上述“剩余電流”的概念弄清楚,那么設計一個層次化的電氣火災監控系統(以下簡稱“系統”)應當就水到渠成了。
  以往各種標準規范只是籠統圈定各類電氣火災監控探測器的設置,而到底在什么建筑,建筑物內的哪些場所需要設置剩余電流式電氣火災監控探測器(以下簡稱“探測器”)模糊不清。
  筆者有幸參與福建省工程建設地方標準DBJ / T 13 - 192 - 2014《電氣火災監控系統設計、施工及驗收規程》(以下簡稱《規程》)的編制,該《規程》一改這種狀況,為 “系統”設計做出了操作性強的具體規定。
  《規程》基于“剩余電流”原理,對“系統”做出層次化的架構設計規定,將其分為兩個層級。其中具體明確了“系統”設置對象的“建筑物”,并將其作為配置“探測器”的第一級,然后繼續識別該建筑物內的具體“場所”,再將其作為配置“探測器”的第二級。
  對第一層級而言,重要的是要在眾多的建筑物中識別篩選出那些屬于使用性質重要、發生電氣火災危險性大的建筑物。
  住宅、公寓在《119號令》中不作為公安機關消防自審自驗的對象,在《規程》中沒被列在第3.2. 1條“應”設置的范圍內,而是涵蓋在第3. 2. 2條第1款的“一類高層民用建筑”的“宜”設置規定中。這里的“一類高層民用建筑”是針對一類高層居?。ㄗ≌?、公寓)建筑的。
  需要特別指出,住宅、公寓雖不在《119號令》重點監管范圍內,應當根據下列相關規范作“系統”設置:
  a. GB 50368 - 2005《住宅建筑規范》第8. 5. 2條“住宅供配電應采取措施防止因接地故障等引起的火災”(強條)。
  b. JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設計規范》第13. 12. 2條“…… 住宅,應設接地故障報警并應符合本規范第7. 6. 7條的規定?!?/span>
  c. GB 50096 - 2011《住宅設計規范》第8. 7. 2條第6款“每幢住宅的總電源進線應設剩余電流動作保護或剩余電流動作報警?!?/span>
  d. GB 50054 - 2011《低壓配電設計規范》(以下簡稱《低配》)第6. 4. 1條“當建筑物配電系統符合下列情況時,宜設置剩余電流監測或保護電器,其應動作于信號或切斷電源:1 配電線路絕緣損壞時,可能出現接地故障;2 接地故障產生的接地電弧,可能引起火災危險?!?/span>
  對第二層級而言,關鍵的是要在《規程》第3. 2節已經確定需要設置“系統”的建筑物基礎上,繼而識別“火災危險性或火災影響大或兩者兼備的場所”作為“探測器”的設置部位,即電氣火災隱患監測點。
  《規程》第3. 3節“探測器設置部位”在識別監測點時,查找了第3. 2. 1、3. 2. 2條所列建筑物相關建筑設計(防火)規范,逐一汲取其理論,著力以“人員密集(1. 0人 /m2)、人員較密集且可燃物多、可燃物多”為原則,篩選出并認定其中那一些屬于使用性質重要、發生電氣火災危險性大,尤其是滿足“300 mA泄漏電流能引燃可燃物”這一因果關系的建筑物內部的具體場所,將其列為第3. 3. 1、3. 3. 2條,并相應作出“供配電回路應 / 宜設置電氣火災監控點”的規定,以便“直接”“有效”從這些場所獲取火災隱患信號。
  “系統”應是預警的
  從“直接”“有效”的設置理念來看,“系統”是把所感知的低于能夠引燃可燃物的最高閾值作為系統的“有效”動作報警值。
  也就是說,“系統”報警只說明環境具備了引燃可燃物的必要條件,但不是充分條件,只有同時具備貼近甚至是緊貼可燃物而且經過一段溫升時間的能量聚集,方能釀成火災。
  “系統”的動作報警值無論在“BE2”場所,還是在民用建筑的應用,對火災隱患的反映判斷 “提前量”都很大,所以該“系統”應是預警的,“系統”的動作應作用于信號而不應該也不必要作用于斷開電源。
  為正常供電設置監測點
  當必須以切斷電源的方法,才能確定其是否為泄漏電流隱患線路的時候,這些線路,尤其是重要負荷線路,應當配置剩余電流式電氣火災監測點。
  例如,當在消防負荷線路上配置“探測器”時,即可對該線路是否因泄漏電流存在隱患作出“是”或“否”的明確判斷,不至于以采用切斷電源的極端方法來確定其是否為泄漏電流隱患的線路,影響消防負荷的正常供電。
  勿以為消防負荷線路設置了“探測器”,就意味著所謂的動輒開關跳閘,影響正常供電。
  還有人認為“消防供電線路由于其本身要求較高,且平時不用,因此沒必要設置剩余電流式電氣火災監控探測器”。其實,這也是一誤解。
  “只有在低壓進線處或變電所作一點接地的連接線上才能對建筑物的接地故障無一遺漏地實現全面檢測,從而消滅盲區,保證對接地故障電弧火災防范的全面有效性”。
  再者,消防用電設備不少是消防與平時兼用,并不都是“平時不用”,以“平時不用”為由推定“沒必要設置剩余電流式電氣火災監控探測器”是輕率的。更不用說,在重要負荷線路,例如消防供電線路配置剩余電流式電氣火災監測點,當上游“探測器”報警時,有利于隱患線路的排查,可以對下游的消防供電線路是否存在隱患作出“是”或“否”的“確定性”判斷。
  由此可見,在消防供電線路等重要負荷線路設置“探測器”對確保其正常供電有利無害,正如《規程》第4. 1. 4條規定的“電氣火災監控系統的設置不應影響被保護線路的正常工作,并應保障配電系統中重要負荷的正常供電,有利于電氣火災隱患線路的排查?!?/span>
  《建規》第10. 2. 7條規定“……‘非消防’用電負荷宜設置電氣火災監控系統”,這與其2006年版本的要求“按一、二級負荷供電的‘消防用電設備’宜設置漏電火災報警系統”大相徑庭。規范可以修正,但這種截然不同、一百八十度大轉彎的規定出現在國家最高權威的防火設計規范中真令人費解。
  另一方面也佐證開篇所云“利用剩余電流原理探測電氣火災隱患,首先必須從理論上理解‘剩余電流’的概念并與‘泄漏電流’區別開來,然后再依此原理設計層次化的監控系統”是何等必要、何等緊迫
  重要結論
  a. 剩余電流不同于泄漏電流,剩余電流隸屬相量和的概念范疇;當評估泄漏電流的大小時,它是一標量算術值。
  b. “系統”應設置在“使用性質重要、發生電氣火災危險性大”這一應當設置的建筑物,使其發揮應有的功效。操作層面可把《119號令》中消防機構重點監管建筑物作為這樣的建筑物?!疤綔y器”在建筑物電源起點處的安裝是“系統”第一的且必須的配置。
  c. “探測器”應重點設置在與“300 mA泄漏電流能引燃可燃物”相關聯的具體場所,使其有“用武之地”。操作層面可把《規程》第3. 3. 1、3. 3. 2條所列場所視為這樣的場所?!疤綔y器”在這一場所的安裝是“系統”后續的且“對號入座”的配置。
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