城市轨道交通电气火灾监控系统误报警分析及治理

根据JGJ 243—2011《交通建筑电气设计规范》的规定，城市轨道交通地下车站应设置电气火灾监控系统[1]。在GB 50016—2014《建筑设计防火规范》 (2018版)中，城市轨道交通车站属于室外消防用水量大于25 L/s的其他公共建筑，其非消防用电负荷宜设置电气火灾监控系统[2]。电气火灾监控系统作为一种电气火灾早期预警手段，在城市轨道交通项目中日益受到重视，运用较广。

电气火灾监控系统探测器主要有剩余电流式和测温式两种[3]。目前，国内城市轨道交通项目中应用较多的是剩余电流式探测器。故本文不对采用测温式探测器的电器火灾监控系统进行分析。根据各地运营情况反馈，采用剩余电流式探测器的电气火灾监控系统误报警现象(下文简称“误报警”)较为普遍且治理困难。由于误报警带来的负面影响已严重制约探测器发挥其应有功能，故有必要对其原因及治理方案进行深入分析。

1 误报警实例分析

某车站电气火灾监控系统的剩余电流式探测器设置在牵引混合变电所400 V开关柜的出线端(不含变电所至环控柜的馈出线，环控回路的探测器设置在环控电控柜内)。表1为该站在调试阶段的剩余电流式探测器报警记录。

表1 某站剩余电流式探测器误报警数据

分析表1可知，存在误报警的主要是照明总箱、小动力负荷箱等末端设备较多的回路，以及弱电系统回路两类。其中，部分弱电系统的主、备回路均存在严重的误报警，且其剩余电流检测值较为接近。

2 误报警原因分析

结合剩余电流检测原理和以往工程经验，引起电气火灾监控系统误报警的因素主要包括回路固有漏电、施工不规范及N极开关选型不当等。

2.1 回路固有漏电

根据文献[4-5]，粗略估算表1中的400 V开关柜典型回路正常的固有泄漏电流值如表2所示。

表2 400 V开关柜典型回路固有泄漏电流值估算

为方便结算表2中所有参数均取资料数值上限进行估算。其中，根据文献[4-5]，线缆固有泄漏电流统一取40 mA/km，照明灯具取3.7 mA/kW，其余通用设备均取5 mA/kW，且同类回路均按最长距离考虑。

计算结果表明，城市轨道交通项目典型回路的固有漏电值一般不超过500 mA。根据相关规范要求，将剩余电流式探测器设置在车站400 V开关柜一级是合理的。必须指出，末端设备和分支回路较多的监控对象(如三级负荷小动力配电箱)，其固有漏电值偏高。

对比计算结果和表1的数据可以看到，除个别情况外，城市轨道交通项目中400 V开关柜回路固有漏电尚不足以引起误报警，但会对其他因素引发的误报警起到叠加作用。因此，当监控对象所含分支回路众多且末端线路较长(如环控电控柜回路等)时，回路固有漏电对误报警的影响将相对突出，有必要对此类剩余电流探测器的设置做出针对性调整[6]。

2.2 施工不规范

施工安装时电流互感器的接线应遵循A、B、C三根相线与N线(零线)一起同向穿过互感器的布线原则，且PE线(保护接地线)不能穿过互感器。现场可能存在N线穿互感器错误、N线重复接地、末端设备接线不规范或野蛮施工等情况。从剩余电流检测原理来说，上述不规范的操作都会导致剩余电流检测值大幅超过报警阀值，引起误报警。

1) N线穿互感器错误，有N线未与相线一起穿过互感器或N线方向穿反等情况(如图1所示)。当N线未和相线一起穿过互感器时，探测器测得的电流是零序电流；当N线方向穿反时，探测器测得的电流是2倍零序电流。这两种情况均极易引发误报警[7]。

图1 N线穿互感器错误

2) N线重复接地。如在末端分配电箱中将N线母排与PE线母排跨接，就会形成“零线”重复接地，致使部分N线电流经PE线返回电源而成为杂散电流(如图2所示)，从而导致误报警[8]。

图2 N线重复接地

3) 末端设备的接线不规范。这类错误细分起来还包括末端设备的N线错接或PE线与N线混接等多种情况。以单相回路的PE线与N线混接为例，由于单个回路混接后的剩余电流值等于相线电流与PE线电流的向量和[8]，故几个回路的混接便能造成检测电流大于报警阀值，从而引发误报警。

4) 野蛮施工造成的线缆破损。相线或N线的绝缘受损会导致三相四线电源的电流矢量和不为零，从而引发误报警。

2.3 N极开关选型不当

表1列出的误报警实例数据很大部分涉及到弱电系统配电回路，甚至未供电的备回路也发生了误报警。此类问题很有可能是相关回路N极开关选型不当造成的。

1) 双电源回路选用3极开关。当末端双电源选用3极开关时，转换开关将产生杂散电流，N线电流将同时沿着主备回路的N线分支流回变压器的中性点(如图3所示)。这就是表1中未供电的备回路也发生了误报警的原因。文献[9]对此类问题做过详细阐述，此处不再赘述。

图3 双电源回路选用3极开关

2) 末端双电源切换箱内N排短接。某些工程中还存在末端切换箱内2路电源N排短接或直接共用1处N排的情况，其引发误报警的原理与‘双电源切换箱选用3极开关’相类似。本文表1中的P05-5 回路的误报警实例，在隔离箱内2路电源N排后，误报警故障消失。

3) 静态转换开关选用3极开关。弱电系统在市电和UPS(不间断电源)装置之间设置的静态转换开关如果为3极，也会导致中性线电流 IN分流为IN1和 IN2两个回路(如图4所示)，从而引发误报警[10]。

图4 静态转换开关选用3极开关

3 误报警的排查治理

3.1 回路固有漏电的排查治理

1) 保持设备运行状态，测量供电线路末端的漏电流值。如果在供电线路末端漏电流测量值与线路首端基本一致，那么可以判定是设备漏电；如果在供电线路末端的漏电流测量值与线路首端不一致且偏差较大，那么可以判定是供电线路漏电。当线路漏电时，应排查线路绝缘的损坏情况，必要时应更换供电线缆。

2) 建议对分支回路较多的线路选用具备固有漏电补偿功能的探测器，并设置合理的回路固有漏电基础值，以避免误报警。

3) 考虑到变电所至环控柜的馈出线电流较大，而且环控柜末端设备众多、回路固有漏电较大(一般超过300 mA)，建议合理设置环控负荷回路探测器的位置。

3.2 施工不规范引发误报警的排查治理

1) N线穿互感器错误的问题在排查时比较容易发现，做好电气火灾监控设备的安装督导可以有效避免此类误报警。

2) 当断开报警回路总配电箱的全部分回路开关后报警依然存在，且用钳形表能单独检测到被测回路N线电流时，建议排查N线重复接地的问题。

3) 末端设备接线不规范和线缆受损引发的误报警较为常见且排查困难。在排查时应逐一断开各分回路开关。当某分回路断开电源后报警即消失，即考虑该分回路所带末端设备的接线错误或该分支回路的线缆破损。城市轨道交通车站的400 V照明回路及小负荷动力回路误报警多由此引发。

3.3 弱电系统回路误报警的排查治理

1) 如果弱电系统回路误报警，特别是同一系统的主备回路均存在严重的剩余电流超标且探测值较为接近，则应排查末端双电源切换箱的N极开关选型及箱内的2路电源N排设置。为避免电源切换过程中‘断零’造成UPS产生瞬变电压烧毁设备，部分弱电专业倾向于选择3极双电源转换开关或2路电源共用一路N排。为治理误报警，建议弱电系统末端双电源配电箱采用具备中性线重叠转换功能的4极转换开关。

2) 若弱电系统双电源回路只有主用回路存在误报警，应排查3极静态转换开关的因素。部分弱电专业的UPS中性线基准(接地)是通过市电的中性线接地实现的(如图5所示)[11]。为避免‘断零’造成UPS瞬变电压烧毁设备，其静态转换开关一般选用3极。对于这类负荷(如表1中的信号电源1(主))，建议采用测温式电气火灾监控探测器替代剩余电流探测器，以消除误报警。

图5 UPS的接地系统

4 结语

本文结合某车站的实测数据，具体分析了电气火灾监控系统的误报警原因和排查方案，对城市轨道交通项目采用剩余电流式探测器的电气火灾监控系统的设计提出以下建议：

1) 环控负荷的剩余电流式电气火灾监控探测器宜设置在环控电控柜内，并取消400 V开关柜至环控柜回路的探测器设置

2) 弱电系统宜选用具备中性线重叠转换功能的4极转换开关

3) UPS静态转换开关为3极的弱电系统回路建议采用测温式探测器替代剩余电流式探测器

4) 设备选型时应要求探测器具备固有漏电补偿功能。

另外，目前已经有部分产品具备剩余电流监测数据的智能分析功能，能结合监测数据、采样时间及回路电气特征等多项因素，确定电气火灾监控系统发出误报警的性质及根源(智能分析的原理与本文所述类同)，为运维人员提供故障分类及快速定位参考。这类新的技术手段值得工程技术人员进一步关注和尝试。

更为重要的，工程建设中应严格把控施工不规范的问题，以确保电气火灾监控系统预警功能的有效应用。