一、前言
　　
　　电气设备原因造成的火灾特点是火灾猛如虎,防患于未然。但是随着大功率电器使用的增加和电气线路逐年的老化,火灾隐患还是防不胜防,尤其以电气火灾为甚,如图1所示。对近几年来电气火灾事故分析发现,主要有电线短路、过负荷用电、接触不良等几种原因导致事故发生,火灾地点集中在企事业单位、办公楼和写字楼,主要有如下几个原因:供电线路多为隐蔽安装,布线相对复杂,难以人工对线路全面检修;部分线路老化不堪高负荷工作,引发火灾;照明、插排等设备用电时间过长;未部署监控系统,不能及时发现火灾。据数据统计,电气火灾相较于总体火灾次数占30%、死伤占40%、损失50%以上,给国民带来了重大伤亡与损失。电气火灾监控系统属于漏电监控方面的先期预报警系统,与传统火灾自动报警系统不同的是,电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失,而传统火灾自动报警系统是为了减少损失。这就是说为什么不管是新建或是改建工程项目,尤其是已经安装了火灾自动报警系统的单位,仍需要安装电气火灾监控系统的根本原因。电气火灾造成人身伤亡的数字也是惊人的。特别在重、特大火灾中,电气火灾所占比例更大,约占46%。因此,预防和有效遏制电气火灾的发生已刻不容缓。
　　
　　二、安装电气火灾监控系统的必要性
　　
　　随着我国经济社会的飞速发展,人们生产和生活用电量大幅度增加,特别是在这些火灾中,重特大电气火灾时有发生,加强电气火灾控制技术的研究已迫在眉睫,电气火灾监控系统作为一种先进的电气火灾预警技术应运而生并被广泛应用,取得了巨大的经济效益。如图2所示就是一种电气火灾监控系统。
　　
　　电气火灾监控设备(漏电报警系统主机)作用于接收来自电气火灾监控器的报警信号,具有显示故障地址、时间、方位、查询、远程控制等特点,设备结构美观、安装方便。采用工业控制主机为控制核心,由控制电路、通信及其他外围电路组成,具有处理速度快、运行稳定等特点。大屏幕LCD液晶显示屏,实时显示当前监控采集数据,备用电源使整个系统工作无后顾之忧。与监控器通信,通过系统总线连接,进行数据信息的传输接收通信。具有独立操作功能,自我检测功能、复位功能、消音功能、存储故障报警记录、增加服务管理机可向上级集成系统联网等。当配电系统发生电气故障时,发出声光报警信息,语音提醒值班人员。
　　
　　为了预防和减少电气火灾,应在线监测供电线路的绝缘状态,可以使用电气火灾监控系统进行漏电检测并实施报警。电气线路或电气设备一旦漏电并超过额定值时,报警器立即发出声光报警信号并显示漏电电流大小。从发生接地电弧到引起火灾以至火势蔓延,需要一段时间,这有足够时间去检查并排除故障提前预报,能有效地避免电气火灾的发生。报警但不切断电源,可避免电源开关跳闸引起整个建筑物的停电,既保证了用电安全又保证了供电的不间断性。为保证人民生命财产安全,严格执行《剩余电流动作保护装置安装和运行》规定的防范措施,在建筑物的电源进线处及干线上安装电气火灾监控系统是十分必要的。
　　
　　三、电气火灾监控系统的结构原理
　　
　　1.电气火灾监控系统的组成
　　
　　电气火灾监控系统由一台主控机(SDFK)和若干个剩余电流式火灾报警装置(SDFA)、总线隔离器经双总线连接而成。当被保护线路中的剩余电流式火灾报警装置探测的接地故障电流超过预设值时,经过分析、确认,发出声、光报警信号和控制信号,同时把接地故障信号通过总线在数秒钟之内传递给主控机,主控机发出声、光报警信号和控制信号,显示屏显示报警地址,记录并保存报警和控制信息。详见图3所示。
　　
　　根据国家标准GB14287-2005《电气火灾监控系统》以及相关规范《电气火灾监控系统的设计方法》(暂行规定),则电气火灾监控系统的基本组成应包括:电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器等三个最基本产品种类所组成。
　　
　　剩余电流式电气火灾监控探测器又由监控探测器和剩余电流互感器(分对插式、闭合式两种)所组成;测温式电气火灾监控探测器由监控探测器和测温传感器所组成。剩余电流式电气火灾监控系统采用分层分布式结构,由站控管理层、网络通讯层和现场设备层组成。
　　
　　2.电气火灾监控系统的基本工作原理
　　
　　电气火灾监控系统基本原理是,当电气设备中的电流、温度等参数发生异常或突变时,终端探测头(如剩余电流互感器、温度传感器等)利用电磁场感应原理、温度效应的变化对该信息进行采集。并输送到监控探测器里,经放大、A/D转换、CPU对变化的幅值进行分析、判断,并与报警设定值进行比较,一旦超出设定值则发出报警信号,同时也输送到监控设备中,再经监控设备进一步识别、判定。当确认可能会发生火灾时,监控主机发出火灾报警信号,点亮报警指示灯,发出报警音响,同时在液晶显示屏上显示火灾报警等信息。值班人员则根据以上显示的信息,迅速到事故现场进行检查处理,并将报警信息发送到集中控制台。
　　
　　监控系统是由电流互感器、监控探测器、报警器或控制器构成的电气火灾实时监测并实施报警或切断电源的装置。电流互感器为传感器件,由它提取的漏电信号,经放大、AC/DC变换、A/D变换、CPU处理后送至输出级。输出信号经总线输往监控设备。监控设备接收的漏电信息经CPU处理后送往报警器、显示器、信号输出级。报警器由报警指示灯、蜂鸣器组成,显示器由三位数码管(LED)组成,用以显示漏电电流大小,信号输出级输出各种报警及控制信号,用于附加报警及切断电源等。监控设备还有信号存储及打印功能,供随时查询。图4所示就是一种电气火灾另一种监控系统结构原理方框图。
　　
　　还有一种监控系统由电流互感器、漏电探测报警器构成,探测报警器集探测报警于一体,称为电气火灾监控探测报警器或漏电探测报警器,其原理与第一种监控系统是相同的。这种探测报警器安装使用极其方便,是被广泛采用的监测装置。
　　
　　通讯控制层主要是由通讯服务器、接口转换器件及总线网络等组成。该层是数据信息交换的桥梁,不同的接口转换器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS等及以太网等各种接口,组网方式灵活,支持点对点的通讯、现场总线网络、以太网等类型的组态网络。通讯服务器主要用于直接对现场仪器仪表转达上位机的各种控制命令,并负责对现场仪器仪表回送的数据信息进行采集、分类和存储等工作,如电压/电流等电参量、输入开关量状态、修改仪表内部参数或各种控制继电器断开/闭合的操作命令等;微机保护装置主要是为保证上位机的正常工作,避免网络中不稳定信号对其造成的干扰或破坏;接口转换器件则是由于现场仪表或其它系列的装置与上位机的通讯接口存在差异,需要进行转换方可进行数据交换。
　　
　　管理测控层是针对监控网络的管理人员,该层直接面向用户。该层也是系统的最上层部分,主要是由电气火灾监控系统软件和必要的硬件设备如计算机、打印机、UPS等。其中软件部分具有良好的人机交互界面,通过数据传输协议读取前置机采集的现场各类数据信息,自动经过计算处理,以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况,并可接受管理人员的操作命令,实时发送并检测操作的执行状况,以保证供用电单位的正常工作。
　　
　　四、电气火灾监控系统的选型
　　
　　剩余电流动作保护装置在防止因接地故障而引起的电气火灾的防护作用,要求在建筑物内安装剩余电流动作火灾监控系统。可以说,预防建筑电气火灾,设置漏电火灾报警系统的国家标准和规范已基本齐全,今后有关场所设计、应用漏电火灾报警系统将越来越多。为遏制电气火灾的上升势头,政府有关部门非常重视,预防电气火灾发生,减少火灾危害,合理设十十电气火灾监控系统,保障电气火灾监控系统的施工质量及使用性能,保护人身和财产安全,相继制订或修改了有关标准规范,要求在建筑中设置漏电火灾报警系统。
　　
　　剩余电流式电气火灾监控装置安装在低压配电系统中,用于检测系统中的剩余电流、温度等有关电气火灾隐患产生的电气参数,当被保护线路中监控装置参数超过报警设定值时,能发生报警和控制信号,以便消除剩余电流引起的电气火灾隐患。产品采用RS485总线进行通讯,可以与其它监控报警器、监控单元或监控主机联合组成监控系统,可根据用户需要选择集中总线型的信息管理模式或功能分区型的信息管理模式。该系统通过对剩余电流、过电流、过电压和温度信号的采集与监视,实现对电气火灾的早期预防和报警。它是一种应用于民用建筑和工业建筑双重领域的新一代电气火灾监控产品。图5所示就是由功能模块构成的一种电气火灾监控系统
　　
　　国内电气火灾监控系统的产品市场监控探测器的结构形式主要有三种类型:多功能漏电开关型、分离配置整合型、分离配置型。如何为用户设计安装电气火灾监控系统,在实际中又能稳定可靠地得到应用,则选择该系统的产品是重要环节,也是值得探讨的一个问题。
　　
　　1）多功能漏电开关型电气火灾监控是众多产品中的一种,虽然其结构复杂、成本加大、故障率偏高,但它还是有一定的优点。多功能漏电开关型电气火灾监控其特点是:监控探测器除了自身应有的剩余电流探测(或温度探测)、报警功能外,又扩展多项功能,例如:过电流、过电压、延时送电、防雷、欠压、组网实现远程集中监控以及其它等等功能,汇集在一起。这种类型从外部目测结构为盒装,从内部观看,则是将含有电源变换电路、信号处理电路、报警电路、显示电路、通信、联动接口等的监控探测器与电流互感器、剩余电流互感器、主回路分断开关(100A以下多用磁保持继电器、100A以上用接触器或空开——塑壳断路器)统统地集聚于一体,组成一种多功能式的漏电开关产品。多功能漏电开关型电气火灾监控的优点是:保护功能多,内置电流互感器、剩余电流互感器(包括温度传感器),接线少,整体度高。而由此产生的缺点是:结构复杂、成本加大、故障率偏高,特别是信号的监控、探测、分析、处理、报警、通信、联动接口等电路与ABC三相主电(或单相)回路的间隔距离太近,易遭受强电磁场的干扰,降低产品性能的稳定可靠性。
　　
　　监控探测器除了自身应有的剩余电流探测(或温度探测)、报警功能外,又扩展多项功能,例如:过电流、过电压、延时送电、防雷、欠压、组网实现远程集中监控以及其它等等功能,汇集在一起。这种类型从外部目测结构为盒装,从内部观看,则是将含有电源变换电路、信号处理电路、报警电路、显示电路、通信、联动接口等的监控探测器与电流互感器、剩余电流互感器、主回路分断开关(100A以下多用磁保持继电器、100A以上用接触器或空开——塑壳断路器)统统地集聚于一体,组成一种多功能式的漏电开关产品。该类型产品的优点是:保护功能多,内置电流互感器、剩余电流互感器(包括温度传感器),接线少,整体度高。而由此产生的缺点是:结构复杂、成本加大、故障率偏高,特别是信号的监控、探测、分析、处理、报警、通信、联动接口等电路与ABC三相主电(或单相)回路的间隔距离太近,易遭受强电磁场的干扰,降低产品性能的稳定可靠性。再说,其内部包含的电源控制开关(断路器),是低压配电系统中的关键配电产品,它必须通过电气开关类的电气产品的3C认证。在安装使用上也不太方便,如新建工程则需要和配电箱(柜)厂家沟通协商合理组装,但对改造工程中已经成形并使用中的配电箱(柜)则更不适用。
　　
　　2）分离配置整合型是电气火灾监控设备与电气火灾监控探测器分离配置型的一种特殊类型。它与分离配置型不同的是:其总线直接使用普通火灾报警系统的二总线,省去集中控制器和上位机,由火灾报警控制器整合电气火灾监控探测器探测报警功能后一并控制。节减了电气火灾监控系统集中控制器和上位机以及组网布线,成本下降,消防中心一体化监控,界面统一,管理方便。但这样一来原先的火灾报警控制系统,还需要重新通过GB14287-2005电气火灾监控系统的双重检测认证,不值得。再说这种组合,相对复杂的火灾报警系统故障率偏高,则直接影响着电气火灾监控系统,使得系统的稳定可靠性降低,甚至于造成瘫痪。所以,最好还是设置独立的电气火灾监控系统,与传统的火灾自动报警系统分开为宜。
　　
　　3）分离配置型是电气火灾监控设备与电气火灾监控探测器分离配置。即通过监控探测器(终端探测头)采样配电柜(箱)内导电母线中的电流和漏电流信号,经内置单片机系统分析处理后,应用二总线通信约定,上报消防控制室或值班室里的电气火灾监控设备,且进一步分析处理后,进行所需要联动控制,从而完成该系统应有的功能。一般只有剩余电流和温度探测功能。这种系统分工明确、结构简单、成本少、故障率偏低,不含电源控制开关,不串入配电系统,只通过剩余电流互感器(或测温探头)取样信号,性能稳定可靠。不足之处是:监控设备与监控探测器、监控探测器与终端探测头之间需要敷设信号线及2芯脱扣控制线。此种类型产品无论是在新工程还是改造工程上使用,都比较方便。可以预见,这种与低压配电系统相对独立的此种产品结构形式,将是今后电气火灾监控系统产品的主要发展方向。
　　
　　五、电气火灾监控系统的功能
　　
　　电气火灾监控系统的基本功能有:实时监控功能、远程控制功能、剩余电流保护功能、过电流保护功能、温度保护功能、过欠压报警功能、防雷监测功能、隐患预警功能、区域选择性保护功能、显示和存储功能、现场总线通信、无线监控功能等。当然最后实现灭火功能的一般都是灭火剂,灭火剂一般储存在钢瓶内,所以必须有放置钢瓶的场地,一般都有钢瓶间(室),如图6所示。
　　
　　在集中监控设备、微型计算机上,能够显示所有监控点的剩余电流值、温度值和电流值、电压值以及防雷器产品的状态和线路上的雷击次数和时间,并能够采用时间历程曲线的方式显示出这些数值的大小和变化趋势。电气火灾监控系统除了能够对配电主回路的运行状况自动进行监控外,还允许操作人员远程手动切断某特定回路的电源开关,当发现某点的剩余电流值或者温度或工作电流值或者电压值等出现异常现象时,可以通过微型计算机、集中监控设备远程切断该线路的电源开关,保障后续用电设备的安全。
　　
　　探测器可以探测配电回路上的剩余电流的在线数值,一旦发生异常,立即发出声光报警信号,准确报出故障线路地址。当配电回路的剩余电流达到预设报警值时,能在规定时间发出报警,并可以切断供电电源,剩余电流报警值和动作时间整定值都是事先连续可调。
　　
　　探测器可以探测配电回路上的三相工作电流在线数值,一旦发生异常发出声光报警信号,准确报出故障线路地址。当配电回路的工作电流达到报警值时,能在规定时间发出报警,并可以切断供电电源(须事先设置)。且过电流报警值和动作时间整定值为事先连续可调。
　　
　　探测器可以探测监视指定部位的温度变化,并将温度值实时传送给集中监控设备,当监视部位的温度达到报警设定值时,发出声光报警信号,准确报出被监控部位的配电箱地址。且温度的报警值和动作时间整定值为事先连续可调。
　　
　　当被监控回路任一回路工作电压低于欠压规定值时,发出欠压报警信号;当被监控回路任一回路工作电压高于过压规定值时,发出过压报警信号。并将报警信号及三相电压值通过现场总线传送到集中监控设备。监控器可以对线路中的雷击电流或者浪涌电流进行如实记录,进行雷击计数,并详细记录雷击发生的准确时间,便于对这些数据进行详尽分析。
　　
　　在电气火灾监控系统中该系统具有预报警功能,其意义是当配电主回路中的剩余电流或某一相的工作电流达到事先设定的预报警值时只发出预报警信号,而不进行任何断开电源操作。这样可以使操作人员有足够的时间查清和处理配电回路的异常情况,避免故障的发生。
　　
　　在配电回路中串联的两个或多个监控探测器,其动作特性的配合使在给定的范围内出现剩余电流过大或短路时,指定在这个范围动作的监控探测发出的脱扣信号,而其他监控他测器不动作。避免了下级漏电或短路引起越级跳闸、造成大面积停电。
　　
　　六、电气火灾监控系统的电能消耗及其质量监视
　　
　　漏电监控报警主要是依靠装于被监控配电线路上的剩余电流互感器检测线路上的漏电流来实现的。剩余电流互感器实质上是一个高灵敏的电流互感器,它能检测出线路上小到几毫安或十几毫安的微小电流。漏电流检测是依据剩余电流原理工作的。当电力线路三相线和中性线共同穿过剩余电流互感器的铁芯线圈时,正常情况下三相线和中性线的电流和(矢量和)为零,互感器的线圈感应不出电流;当任一相或中性线有部分电流在互感器之后分流到大地(即发生漏电),此时在互感器处的四根线电流矢量和就不为零了,互感器的线圈也感应出相应的漏电流,称为“剩余电流”。检测到的剩余电流经处理后与设定值比较,达到和超过设定值时,装有或连接了剩余电流互感器的电气火灾监控探测器即发出漏电报警信号,并同时可输出脱扣跳闸信号以及时切断故障线路电源。电气火灾监控系统是通过被监控电力配电线路主开关下方装设电气火灾探测器或电气火灾监控探测器,并通过信号总线完成与监控主机间的信息通讯来实现工程电气火灾监控的目的。
　　
　　电气火灾监控系统对整个监控系统范围内的电能质量和电能可靠性,漏电电流及线缆温度状况进行实时的监视。实时监视系统电压偏差、频率偏差、不平衡度、功率因数、谐波含量,电压闪变,剩余电流及温度等电能质量问题,评估电能质量是否符合标准。记录扰动时的波形,作为电能质量分析和故障分析的依据。电气火灾监控系统为用户提供了综合的电能和需量统计报表功能,用户也可定制符合需求的电能统计功能,包含不同用电设备在不同费率时段的电量消耗,可按照日、月、季度、年的时间段进行统计和记录,并可以查询、显示和打印。预防性电气火灾监视,连续监视用电设备泄露电流的变化、线缆接头温度的变化,为配电设备的预防性维护提供依据,有效预防电气火灾的发生,保障用户财产的安全。
　　
　　报警和事件管理系统在电能质量事件发生、设备状态改变、电网扰动、电气故障时触发并记录报警。系统报警时自动弹出报警画面并进行语音提示,同时可以将报警信息通过Email、手机短信等方式通知相关人员并与消防监控系统联网,数据实时传送消防控制中心。
　　
　　历史数据管理系统基于SQL server数据库完成历史数据管理,所有实时采样数据、事件顺序记录(SOE)等均可保存到历史数据库。能够自定义需要查询的参数,查询的时间段或选择查询最近更新的记录数,显示并绘制成曲线图。报表管理可基于系统已有模板,或自定义新的模板生成报表。可以手动或根据预设时间表定时生成,或通过事件触发生成xml格式报表。例如:电能消耗统计报表、电能趋势报表等。报表能通过Email或HTML格式进行发送、手动打印或自动打印。用户权限管理能够防止未经许可的操作,保障系统安全稳定运行。用户可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限,为系统维护管理提供可靠的安全保障。
　　
　　七、电气火灾监控系统的布线设计
　　
　　电气火灾监控系统的设计与应用,主要依据是根据国家标准中的相关条文:一是《高层民用建筑设计防火规范》中规定高层建筑内火灾危险性大、人员密集等场所宜设置漏电火灾报警系统;二是《建筑设计防火规范》规定:各种类型的影剧院、馆所、仓库、住宅小区、医院、商店、学校等场所宜设置剩余电流动作电气火灾监控系统。国家标准《建筑电气火灾预防要求和检测方法》也明确要求应在电源进线端设置自动切断电源或报警的剩余电流动作保护器。电气火灾监控系统的产品应满足《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》规范要求。电气火灾监控系统的安装和运行应满足《剩余电流动作保护装置安装和运行》;电气火灾监控系统的供电应满足《供配电系统设计规范》的要求;电气火灾监控系统的设计应满足《电气火灾监控系统的设计方法》的要求。
　　
　　电气火灾监控系统的安装及布线设计如下:
　　
　　电气火灾监控设备置于配电柜内部的安装:一般新工程在各楼层均设有专门楼层配电柜可将探测控制器放在配电柜内,需与导电母线保持适当距离(越远越好),再将剩余电流互感器安套在电源母线上,确认固定牢靠,探测控制器与互感器之间的连线,应采用屏蔽导线。电气火灾监控设备,主机及其配套系报警设备等,应专门设在消防控制室或有人值班的场所。
　　
　　主机电源应取用专用AC220V消防供电。分布的各个监控探测器需采用现场供电,电源接入点选择同级断路器的上端;电气火灾监控设备置于配电柜外部的安装:配电柜外安装探测控制器适用于新工程及改造工程。新建工程,如配备专门的防火监控箱,可装入探测控制器后置于配电柜附近,配套的剩余电流互感器安套在电源母线上,确认固定牢靠,探测控制器与互感器之间的连线,应采用屏蔽导线。而对于改造工程,因互感器为闭合型,在安装时,不仅要注意施工安全还应尽量避免断电时间过长,影响用户的用电。图7所示就是LDK800火灾监控设备布线原理图。
　　
　　从产品美观及安装及操作方便的角度考虑,在配电柜面板上嵌入安装探测控制器,且剩余电流互感器固定安装在箱内,即无需增加防火监控箱,也无需改动配电柜内部结构为最有方案。用户应在设计中明确提出要求,由各方在施工图纸会审确认批准后,可由成套厂家专门设计柜体,充分考虑预留面板上嵌入探测控制器孔的问题。
　　
　　安装布线设计时应采取三防措施:按消防用电的规定执行。各个安装接线端,接线时不得反接,数量不得超过2根;安装布线时,必须严格区分N线和PE线,穿过剩余电流互感器的N线,不得作为PE线,不得重复接地或接设备外露可接近导体。PE线不得穿过剩余电流互感器;总线安装走线时,强弱电线需注意分开走线,不允许交叉和搭线。严禁与动力线、照明线、视频线、广播线、电话线等穿入同一金属管内。配线应整齐,导线应绑扎成束,穿线可用阻燃PVC管、金属管及金属线槽。在穿管、线槽后,应将管口、槽口封堵。
　　
　　监控设备与探测器之间的通讯线应采用双绞线,建议线径不得小于1.5mm2,当系统应用在强干扰场所时,通讯线应采用屏蔽双绞线,屏蔽双绞线的屏蔽层应良好接大地。电气火灾监控探测器是智能型探测器产品,该产品既可以大量的联机使用,也可以独立式使用。它集电气火灾监控探测及报警功能于一体,具有高智能化、功能齐全、性能可靠、迷你设计、外形美观、设定简单、仪表式安装等特点。
　　
　　电气火灾监控在安装配电柜的的时候特别要注意施工的安全的措施,要在断电的情况下进行安装,并且要注意强弱线的分配情况,特别注意的就是防止接错线和搭线的情况,在改造工程的时候一般会把这些设备安装一些外壳在安装不便利的时候可以考虑其他的入线的位置。电气火灾监控系统在安装之后通电之前一定要对所有的安装的情况进行一系列的检查,保证所有的路线都是安装正确的,不要出现短路的情况发生,要保证所有的设备的安装的距离,保持好距离。防止漏电的情况发生。可见它成为了我们预防火灾的保护神,给我们带来了很多的便利,而且在以后还会积极的倍推广和应用在各个领域当中。
　　
　　八、结束语
　　
　　总之,电气火灾监控系统是建筑消防的一部分,在早期预防电气火灾的发生具有非常重要的作用。随着社会的发展及电力的广泛应用,电气安全不仅已成为各国电气操作与维护人员消除安全生产隐患、防止伤亡事故、保障职工健康及顺利完成各项任务的重要工作内容,同时也是电气专业工作者首要面临并着力解决的课题,电气火灾监控系统的出现大大降低了应用场合的电气火灾发生率。该系统已在很多重大建筑项目中得到安全运行,并取得了较好的社会效益和经济效益。
　　
　　编辑：Harris