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如何基于剩余电流原理设计防火探测与监控系统?

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2017/10/20     浏览次数:    
  利用剩余电流原理探测电气火灾隐患,首先必须理解“剩余电流”的概念并与“泄漏电流”区别开来,然后再据此原理设计层次化的监控系统。
  剩余电流与泄漏电流及其关系
  什么是剩余电流?剩余电流是“同一时刻,在电气装置中的电气回路给定点处的所有带电体电流值(即瞬时值)的代数和”,其英文译名为“residual current”。众所周知,对称三相交流电流,任一时刻不同相导体的电流代数值,或零或正或负,其和总是为“零”,即对称三相交流电流瞬时值之和为零。
  什么是泄漏电流?泄漏电流是“正常运行状况下,在不期望的可导电路径内流过的电流”,其英文译名为“leakage current”。该术语中“不期望的可导电路径”概念宽泛,本文特指“从带电部件流入大地”,即泄漏电流是指所谓的对地泄漏电流:“无绝缘故障,从设备的带电部件流入大地的电流”。约定俗成,本文将其略去“对地”二字,称之为“泄漏电流”。
  正常泄漏电流不引起火灾
  正常泄漏电流是平均分布的,这种平均分布的泄漏电流可以分为平均线式分布的泄漏电流和平均点式分布的泄漏电流。
  平均线式分布的泄漏电流是指沿线路平均泄漏的电流,是由于相导体存在的对地分布电容引起的。
  平均点式分布的泄漏电流是指各变、配、用电设备以“点”形式存在的很小的泄漏电流。
  由此可见,正常泄漏电流是线路和用电设备分布平均的泄漏电流,其集合量可能达到数百毫安以上,但分布平均的泄漏电流非常微小,所以正常泄漏电流再大,只是集合量大,并非某一点集中的大电流,因此没有足够大的能量引发火灾,不是火灾的隐患。
  接地故障电流可引燃可燃物
  接地故障电流是因绝缘故障而流入大地的电流,其典型特征是“点热积聚效应”。
  由于电气故障或设备老化在某一点发生,这种接地故障不全是金属性的。非金属性接地故障的泄漏电流在能量积聚过程中,将使对地电流缓慢地或突然增加。
  具有“点热积聚效应”的泄漏电流,其300 mA的能量是一个什么概念呢?300mA的电流相当于一只75 W的白炽灯泡发出的热量。
  GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)提供了一组白炽灯表面温度烤燃可燃物的温度试验数据——75 W的白炽灯泡,以卧式埋入稻草中2min可以烤至其着火。这就是300mA“点热积聚效应”所能引燃可燃物的能量。
  剩余电流与接地故障的关系
  造成剩余电流的原因主要来源于如下几种情况:线路不对称、负载不对称和谐波。
  这三种主要情况,无论是线路或负载不对称还是谐波均为供电系统的正常运行时的状态,不应作为故障报警信息,只要采取合适的纠正措施,正常剩余电流值是比较小的,在整定剩余电流报警的阈值时完全可以躲过。
  接地故障是引发大增量剩余电流的主因。由于接地故障是供配电系统一种严重的不平衡状态,由此引发的剩余电流在正常剩余电流基础上大幅度叠加。
  力排俗称“漏电”的误导
  “剩余电流”是一技术性术语,尤其“剩余”二字专业性强,而“漏电”一词普遍让人感觉较为直观浅显,易理解。
  因此,2005年国家标准在向国际标准靠拢后,虽然将漏电保护断路器改为剩余电流保护断路器,但坊间乃至专业场合还是一直延用“漏电”作为“剩余电流”的俗称或代名词,还是一直把“剩余电流保护断路器”习惯性地称为“漏电保护断路器”。
  在技术上,用“漏电”去认识“剩余电流”严重缺乏电气内涵的渗透力。
  因此,当采用“漏电开关”“漏电断路器”等约定俗成的习惯性用语时,务必排除用“漏电”替代“剩余电流”的概念性干扰,保持专业定力,以免被误导甚至曲解。
  “系统”设置对象
  如果把上述“剩余电流”的概念弄清楚,那么设计一个层次化的电气火灾监控系统(以下简称“系统”)应当就水到渠成了。
  以往各种标准规范只是笼统圈定各类电气火灾监控探测器的设置,而到底在什么建筑,建筑物内的哪些场所需要设置剩余电流式电气火灾监控探测器(以下简称“探测器”)模糊不清。
  笔者有幸参与福建省工程建设地方标准DBJ / T 13 - 192 - 2014《电气火灾监控系统设计、施工及验收规程》(以下简称《规程》)的编制,该《规程》一改这种状况,为 “系统”设计做出了操作性强的具体规定。
  《规程》基于“剩余电流”原理,对“系统”做出层次化的架构设计规定,将其分为两个层级。其中具体明确了“系统”设置对象的“建筑物”,并将其作为配置“探测器”的第一级,然后继续识别该建筑物内的具体“场所”,再将其作为配置“探测器”的第二级。
  对第一层级而言,重要的是要在众多的建筑物中识别筛选出那些属于使用性质重要、发生电气火灾危险性大的建筑物。
  住宅、公寓在《119号令》中不作为公安机关消防自审自验的对象,在《规程》中没被列在第3.2. 1条“应”设置的范围内,而是涵盖在第3. 2. 2条第1款的“一类高层民用建筑”的“宜”设置规定中。这里的“一类高层民用建筑”是针对一类高层居住(住宅、公寓)建筑的。
  需要特别指出,住宅、公寓虽不在《119号令》重点监管范围内,应当根据下列相关规范作“系统”设置:
  a. GB 50368 - 2005《住宅建筑规范》第8. 5. 2条“住宅供配电应采取措施防止因接地故障等引起的火灾”(强条)。
  b. JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》第13. 12. 2条“…… 住宅,应设接地故障报警并应符合本规范第7. 6. 7条的规定。”
  c. GB 50096 - 2011《住宅设计规范》第8. 7. 2条第6款“每幢住宅的总电源进线应设剩余电流动作保护或剩余电流动作报警。”
  d. GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》(以下简称《低配》)第6. 4. 1条“当建筑物配电系统符合下列情况时,宜设置剩余电流监测或保护电器,其应动作于信号或切断电源:1 配电线路绝缘损坏时,可能出现接地故障;2 接地故障产生的接地电弧,可能引起火灾危险。”
  对第二层级而言,关键的是要在《规程》第3. 2节已经确定需要设置“系统”的建筑物基础上,继而识别“火灾危险性或火灾影响大或两者兼备的场所”作为“探测器”的设置部位,即电气火灾隐患监测点。
  《规程》第3. 3节“探测器设置部位”在识别监测点时,查找了第3. 2. 1、3. 2. 2条所列建筑物相关建筑设计(防火)规范,逐一汲取其理论,着力以“人员密集(1. 0人 /m2)、人员较密集且可燃物多、可燃物多”为原则,筛选出并认定其中那一些属于使用性质重要、发生电气火灾危险性大,尤其是满足“300 mA泄漏电流能引燃可燃物”这一因果关系的建筑物内部的具体场所,将其列为第3. 3. 1、3. 3. 2条,并相应作出“供配电回路应 / 宜设置电气火灾监控点”的规定,以便“直接”“有效”从这些场所获取火灾隐患信号。
  “系统”应是预警的
  从“直接”“有效”的设置理念来看,“系统”是把所感知的低于能够引燃可燃物的最高阈值作为系统的“有效”动作报警值。
  也就是说,“系统”报警只说明环境具备了引燃可燃物的必要条件,但不是充分条件,只有同时具备贴近甚至是紧贴可燃物而且经过一段温升时间的能量聚集,方能酿成火灾。
  “系统”的动作报警值无论在“BE2”场所,还是在民用建筑的应用,对火灾隐患的反映判断 “提前量”都很大,所以该“系统”应是预警的,“系统”的动作应作用于信号而不应该也不必要作用于断开电源。
  为正常供电设置监测点
  当必须以切断电源的方法,才能确定其是否为泄漏电流隐患线路的时候,这些线路,尤其是重要负荷线路,应当配置剩余电流式电气火灾监测点。
  例如,当在消防负荷线路上配置“探测器”时,即可对该线路是否因泄漏电流存在隐患作出“是”或“否”的明确判断,不至于以采用切断电源的极端方法来确定其是否为泄漏电流隐患的线路,影响消防负荷的正常供电。
  勿以为消防负荷线路设置了“探测器”,就意味着所谓的动辄开关跳闸,影响正常供电。
  还有人认为“消防供电线路由于其本身要求较高,且平时不用,因此没必要设置剩余电流式电气火灾监控探测器”。其实,这也是一误解。
  “只有在低压进线处或变电所作一点接地的连接线上才能对建筑物的接地故障无一遗漏地实现全面检测,从而消灭盲区,保证对接地故障电弧火灾防范的全面有效性”。
  再者,消防用电设备不少是消防与平时兼用,并不都是“平时不用”,以“平时不用”为由推定“没必要设置剩余电流式电气火灾监控探测器”是轻率的。更不用说,在重要负荷线路,例如消防供电线路配置剩余电流式电气火灾监测点,当上游“探测器”报警时,有利于隐患线路的排查,可以对下游的消防供电线路是否存在隐患作出“是”或“否”的“确定性”判断。
  由此可见,在消防供电线路等重要负荷线路设置“探测器”对确保其正常供电有利无害,正如《规程》第4. 1. 4条规定的“电气火灾监控系统的设置不应影响被保护线路的正常工作,并应保障配电系统中重要负荷的正常供电,有利于电气火灾隐患线路的排查。”
  《建规》第10. 2. 7条规定“……‘非消防’用电负荷宜设置电气火灾监控系统”,这与其2006年版本的要求“按一、二级负荷供电的‘消防用电设备’宜设置漏电火灾报警系统”大相径庭。规范可以修正,但这种截然不同、一百八十度大转弯的规定出现在国家最高权威的防火设计规范中真令人费解。
  另一方面也佐证开篇所云“利用剩余电流原理探测电气火灾隐患,首先必须从理论上理解‘剩余电流’的概念并与‘泄漏电流’区别开来,然后再依此原理设计层次化的监控系统”是何等必要、何等紧迫
  重要结论
  a. 剩余电流不同于泄漏电流,剩余电流隶属相量和的概念范畴;当评估泄漏电流的大小时,它是一标量算术值。
  b. “系统”应设置在“使用性质重要、发生电气火灾危险性大”这一应当设置的建筑物,使其发挥应有的功效。操作层面可把《119号令》中消防机构重点监管建筑物作为这样的建筑物。“探测器”在建筑物电源起点处的安装是“系统”第一的且必须的配置。
  c. “探测器”应重点设置在与“300 mA泄漏电流能引燃可燃物”相关联的具体场所,使其有“用武之地”。操作层面可把《规程》第3. 3. 1、3. 3. 2条所列场所视为这样的场所。“探测器”在这一场所的安装是“系统”后续的且“对号入座”的配置。
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