ARCM系列电气火灾监控探测器的设计和应用
裴善勇1 林思和1
1上海安科瑞电气股份有限公司 上海市201801
摘 要：本文对电气火灾的产生原因进行了分析，列出了电气火灾监控防范的相关标准。简述了ARCM200剩余电流式电气火灾探测器的设计原理以及该产品在2010年广州亚运会海心沙项目系统中的实际应用。并分析了电气火灾监控系统应用中应注意的问题。
近年来，我国国民经济的高速增长，各行业用电量的大幅度增加，同时伴随着电气火灾也呈现逐年上升的趋势，给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。而接地故障火灾是最常见的多发电气火灾。为避免接地故障引发的火灾，在建筑电气中已开始广泛使用电气火灾监控系统。电气火灾监控系统能准确监测电气线路的故障和异常状态，能发现电气火灾的火灾隐患，及时报警提醒工作人员去消除这些隐患。 国家也颁布了相应的标准来规范电气火灾监控系统，例如《建筑设计防火规范》GB50016-2006，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2005，《电气火灾监控系统》GB 14287等。本文介绍了ARCM系列电气火灾监控探测器的设计原理，及在广州亚运会海心沙场馆中实际应用。
一、电气火灾分析
电气火灾的发生有以下原因：电火花与电弧；电气设备或电气线路上产生高温导致；由于线路端子导线与端子接触不良产生的危险高温。
数据统计发现电气火灾的引发有一半是由于接地故障造成的。接地故障的发生主要是由于电气线路的绝缘层老化，导致绝缘性能降低，从而在带电导线和大地、电气设备金属外壳间产生剩余电流（又称泄露电流或漏电流），由于接地故障回路阻抗大，往往会产生微小的电弧型放电，电弧放电产生热量加剧线路绝缘老化。绝缘老化、剩余电流、微小放电三者之间产生恶性循环，放电电弧达到一定程度时（几百毫安的剩余电流电弧产生的局部高温可达2000℃以上），高温引燃周围的可燃物而引起火灾。而配电系统中的电流保护器在微弱的放电打火过程中无法动作，而发生动作切断电源时火灾已经发生，未能在火灾发生前及时切断。
这类电气火灾的引发是由于非正常的剩余电流所引发的。故需要有专门检测线路中剩余电流的装置，来实时地监测配电系统的绝缘情况，继而实现该类电气火灾的提前预警，达到消除火灾隐患的目的。
二、原理描述
电气火灾监控系统中主要的元件为剩余电流式电气火灾监控探测器。探测器通过剩余电流互感器实现对剩余电流信号的检测，如图1 所示。根据基尔霍夫电流定律 (KCL) 可知从电源端流出的电流会等于流回的电流，其相量形式如下：
在图1 中，将三相导线及N线全部穿过剩余电流互感器，检测的电流为
，而剩余电流为
，即： 
由于二次电流大小与一次电流
呈一定的比例关系，就可以通过测量剩余电流互感器二次侧的电流来测量一次侧的剩余电流。根据检测到的剩余电流大小,探测器可通过预先设定的程序发出各种指令,或切断电源,或发出报警信号等。
图1 剩余电流检测
上海安科瑞股份有限公司生产的ARCM200/300剩余电流式电气火灾探测器产品采用32位MCU实现，功能主要包括多路剩余电流和温度测量、报警、显示、存储、人机交互和通讯等。基本工作原理如下：
图2 硬件设计原理框图
剩余电流互感器将感应出来的信号传输到剩余电流采集模块，经过信号的转换滤波后MCU利用片内AD模块对各个通道的信号量进行AD采样，并进行相应的数学运算，完成信号的精确测量，再按设置的保护参数，进行报警保护处理。同时MCU根据探测器的状态，来控制LED数码管显示、数据计算\存储、外部通讯、键盘菜单操作、继电器开关动作、蜂鸣器报警等工作。
三、算法描述
传统的剩余电流检测方法为：电流互感器为传感器件，由它提取的剩余电流信号，经放大、AC/DC变换、A/D变换、CPU处理后，送往报警器、显示器、信号输出。该方法中，实现对剩余电流的测量需要经过放大器，AC/DC变换，最后才到A/D采样测量，转换复杂，增加了故障节点，同时也增加了成本。
ARCM200/300探测器，采用交流采样技术，直接对互感器过来的剩余电流信号采样，保持信号的真实性。通过MCU对数据进行计算处理，从而达到精确测量剩余电流信号的目的，并通过特定程序算法，保证了探测器及时、准确和可靠进行报警保护。其运用的主要技术手段如下：
1）频率滤波
现代用电设备中变频器及非线性负载越来越多，电网谐波含量急剧增加，在供电电缆中造成了高频泄漏电流，这些泄漏电流可以达到几十到几百毫安。IEC60479标准中说明了在50/60HZ时的保护最为关键。故有必要将泄漏电流的高频成分滤除，从而减少了谐波电流和瞬时电流引起的误动。
ARCM200/300中利用数字信号处理技术中的数字滤波技术，将采样得到的一系列数据进行滤波计算处理，达到滤除信号中高频部分的目的。
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