零線短接引起電氣火災探測器報警的分析與解決

于偉峰，杜昊巖

（1.天津濱海新區建設投資集團有限公司，天津 300450；2.天津濱海新區軌道交通運營管理有限公司，天津 300450）

0 引言

城市軌道交通對安全性具有極高的要求，在設計、施工、驗收、運營的過程中，必須時刻檢查安全設備、設施的性能，考慮消除安全隱患的方法。電氣火災監控系統是現今各城市軌道交通為防范電氣火災而廣泛采用的技術手段，包括剩余電流監測、電氣線路溫度監測等系統，為軌道交通的安全運營提供了保障。

城市軌道交通中的UPS 配電柜是重要設備的電源保障，經常采用雙電源回路設計。為了預防剩余電流造成的電氣火災，回路中必須安裝電氣火災探測器。在安裝過程中，對于UPS 配電柜雙電源功能的關注，往往會讓施工者忽略回路中的電氣火災探測器能否正常運行。因此，由于施工原因造成的電氣火災監控系統異常報警常有發生。

通過研究電氣火災監控系統和探測器的原理，零線短接（或混接）是產生系統故障和異常報警的重要原因。本文對于影響電氣火災監控系統正常運行的施工缺陷，開展進一步的分析和探索，并提出解決方法。利用科學合理、經濟高效的方法分開零線，并且不影響UPS 配電柜的基本功能，能夠有效解決異常報警問題，使得電氣火災監控系統監測到更加有用的漏電數據，從而預防電氣火災的發生。這對于提高城市軌道交通的安全性具有重要意義。

1 電氣火災監控系統的重要性

由于城市軌道交通多數為人員密集的地下建筑，一旦發生火災，首先會對當事人員的心理產生沖擊，造成恐慌情緒，導致行動混亂，不利于疏散逃生；其次，起火產生的煙霧難以控制和排除，會形成積聚的濃煙。上述特點導致城市軌道交通火災事故中的人員傷亡和經濟損失十分嚴重[1]。綜合統計國內外城市軌道交通的火災事故，電氣原因事故占事故總數的40.2%，所占比例最高[2]，如圖1所示。電氣火災監控就是通過技術手段，對電氣線路的溫度、泄漏電流等進行全方位的監視，測量、接收并分析數據，產生報警信息提醒維護人員提早發現漏電隱患，制定預防措施，可以有效減少甚至避免發生電氣火災，是城市軌道交通中非常必要的安全技術手段。

圖1 地鐵火災原因分布

2 電氣火災監控系統相關設計規范

國家有關部門一直十分重視消防安全，尤其是對電氣火災的有效防范。自從在民用建筑中大力發展電氣火災監控系統以來，國家在近幾年陸續修訂了《GB50054—2011 低壓配電設計規范》、《GB50116—2013 火災自動報警設計規范》等設計標準，為電氣火災系統的設計和使用提供了依據。

對電氣線路中的剩余電流監測是電氣火災監控的重要內容，在相關標準中有明確的安裝和使用規定：（1）建筑物中配電線路絕緣損壞時可能出現接地故障的配電系統宜設置剩余電流監測電器[3]；（2）剩余電流式電氣火災監控探測器宜設置在第一級配電柜（箱）的出線端[4]。因此軌道交通項目的配電系統往往設有電氣火災監控，施工中必須保證電氣火災監控探測器的正常運行。

3 剩余電流式電氣火災探測器

3.1 系統原理

過載、短路、線路絕緣老化、接觸不良、靜電、電氣回路高次諧波過載等原因都可能造成電氣火災。剩余電流式電氣火災探測系統如圖2所示，該探測器監測的數據是電線（電纜）的泄漏電流。通過泄漏電流的大小判斷被檢測電線（電纜）中的火線、零線對地線的絕緣水平，進而判斷絕緣狀況是否良好[5]。泄漏電流過大（超過報警閾值），代表線路中可能出現絕緣破損或短路現象，必須立刻著手解決。

圖2 剩余電流式電氣火災探測系統構成

3.2 剩余電流互感器測量原理

剩余電流互感器是測量泄露電流的裝置，它將泄露電流的數值傳輸給剩余電流式電氣火災探測器進行顯示和分析。

由基爾霍夫電流定律可知，流經電路中任一節點的電流的代數和等于0，即這是剩余電流互感器工作的基本原理。在測量時，A 相線、B 相線、C 相線與中性線N 一起穿過電流互感器，如圖3 所示。在電氣設備與線路均正常的情況下（不考慮不平衡電流和接地故障，也不考慮線路中固有的泄漏電流）， 理論上各相電流的相量和等于0（IA+IB+IC+IN=0），各相線工作電流在電流互感器環形鐵芯中所產生的磁通量之和也為0（φA+φB+φC+φN=0），此時剩余電流互感器的輸出端應無電壓信號輸出。一旦電路發生了絕緣故障或者接地故障，將會造成各相電流的相量和不為0。剩余電流互感器的鐵芯為環形，故障電流在其中產生磁通，互感器輸出端會產生電壓信號，從而測出電路中的泄漏電流。在實際情況中，線路電流會有一定量的諧波電流和固有的正常的泄漏電流，因此探測器的報警值應設定在20～1 000 mA之間[6]。除此之外，設定過程中還要考慮報警值和設定值之差，其絕對值不應大于設定值的5%，以免造成誤報警。

4 工程中產生的問題

濱海站交通樞紐配套工程在400 V開關柜饋線處設置剩余電流式電氣火災探測裝置，設定其報警閾值為800 mA，即IA+IB+IC+IN≥800 mA 時，剩余電流式電氣火災探測器報警。此設定值符合相關規范，能夠有效對電氣線路中的泄露電流進行預警。

樞紐站內通信機房電源系統采用主、備雙路電源輸入（I、II 段電源），直接引自站內10/0.4 kV 變電所400 V 開關柜。通信機房UPS配電柜內設有3P雙電源自動轉換開關（即互投開關），目前僅將主、備電源的A、B、C三相接入轉換開關，零線未接入。UPS 配電柜內僅有一個供電源零線接線的銅排（以下簡稱“零排”），主、備電源零線均接至此零排上，如圖4所示。

圖4 UPS配電柜接線示意圖

主、備電源的兩個進線端（即400 V開關柜饋線處）各設置有剩余電流互感器，UPS 配電柜通電運行后，剩余電流式電氣火災探測器不斷報警，檢查后未發現線路絕緣問題。經排查分析，主、備電源零線之間存在電位差，由于主、備電源在UPS配電柜中共用一個零排，2個有電位差的零線被接在一起，兩者之間就產生了電流，被剩余電流互感器作為泄露電流檢測出來，超過了報警閾值，造成進線端電氣火災探測裝置報警。故障排查過程中，斷開主、備電源中的任意一根零線，漏電報警當即消除，因此初步判斷主、備電源零線短接是造成故障的原因。由于設計或施工中的疏忽，不同電位的零線短接，是剩余電流式電氣火災監控器在安裝和使用中的一個常見問題[7]。

5 解決方案及分析

解決方案有以下2種。

5.1 方案一

雙電源開關由3P改為4P。將UPS配電柜內雙電源自動轉換開關由3P 改裝為4P，即在雙電源自動轉換開關上增加零極，供主、備電源的零線連接，這樣就能將兩路電源的零線分開，消除不同電位零線短接的故障。由于配電柜內空間有限，綜合考慮安裝布局、器件尺寸等問題，無法單獨更換雙電源自動轉換裝置，必須更換整個UPS配電柜。

5.2 方案二

加裝供備用電源使用的獨立零排。在配電柜內加裝一根新的銅排，將備用電源零線從原有零排摘下連接至新裝銅排上，用新的銅排做備用電源的獨立零排，如圖5所示。

圖5 加裝零排的改造方法示意圖

考慮到配電柜內裝有雙電源切換器和輸入電儀表，這2個設備要求主、備電源均接入才能正常運行，故需要從2個零排將主、備零線分別引至上述設備。

雙電源切換器的主、備火線分別取自主、備電源的相線，該設備支持兩路市電同時接入，配置有“主電零線”及“備電零線”2個接口，加裝1根零線引入新裝的備電零排即可。

表1 方案一和方案二的比較

輸入電儀表不具備兩路電源同時接入功能，其火線取自雙電源切換器下口相線，伴隨雙電源切換器動作使用主電或備電，且僅配置1 個“零線”接口。為確保儀表工作，需將主、備電零線與互投動作同步，即儀表使用主電火線時將主電零線接入儀表“零線”接口，儀表使用備電火線時將備電零線接入儀表“零線”接口。綜合上述情況，應加裝1個繼電器，將主、備電零線分別接至繼電器的常開、常閉點。繼電器輸入端與“主路電源”指示燈并聯，指示燈點亮時繼電器吸合常開點接通主電零線；指示燈熄滅時繼電器釋放常閉點接通備電零線，間接實現互投切換聯動儀表零線切換。

上述2 種方案都能有效解決不同電位零線短接造成的電氣火災探測器報警問題，但施行過程存在差異，需要進一步從施工難易程度、工期長短、改造成本等方面進行比較，選擇最合適的方案。比較內容如表1所示。

由于方案一要對UPS 配電柜整體進行更換，施工難度較為復雜。濱海交通樞紐站內共有10 處UPS 配電柜需要改造，如表1 所示，方案一的工期要遠遠長于方案二，改造成本也明顯高于方案二。樞紐站處于運營過程中，UPS 設備配置的蓄電池的供電極限在2 h 左右，必須要考慮UPS 長時間停電對下端負荷的影響，方案一對單個配電柜改造時間較長，意味著UPS 的停電時間也較長。通過綜合比較，方案二在各方面要優于方案一，因此選擇方案二對UPS 配電柜進行施工改造。

6 改造效果

經過上述方案二的改造，雙電源切換器、輸入電儀表以及UPS 設備均正常運行，主、備電源失電測試以及手、自動倒閘測試均正常，泄漏電流恢復正常值，變電所內電氣火災探測器漏電報警消除。改造后UPS 配電柜中一周的泄漏電流值如表2 所示。UPS 配電柜的功能未受影響，電氣火災探測器漏電報警故障得到消除，能夠進行正常的電氣火災監測工作。

表2 改造后UPS配電柜7天的泄漏電流值（每日10:00記錄） mA

7 結束語

不同電位零線短接（或混接）造成的電氣火災探測器報警是工程中常見的施工缺陷，影響了電氣火災監控系統的正常監測。經過研究和改造，UPS 配電柜泄漏電流恢復正常值（小于閾值800 mA），報警消除，供電、儀表顯示等功能未受影響。改造結果驗證了加裝獨立零排、利用繼電器實現雙電源互投切換聯動儀表零線切換是解決該缺陷的有效方法。此方法改造周期短、資金投入少，實效性和經濟性與其他方法相比具有明顯優勢，電氣火災和配電系統施工中的零線短接（或混接）問題均可以采用此種方式解決。該方法消除了電氣火災監控系統無意義的報警，提高了系統預防電氣火災的能力，對于減少人民生命財產損失有著重要的意義。