隨著近二十年來經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國人均用電量翻了一番，但電氣火災也隨之劇增，給國家經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失。據(jù)公安部消防局《中國消防年鑒》（2014），2013年，全國共統(tǒng)計火災38.8萬起，死亡2113人，受傷1637人；但2013年由于電氣而引發(fā)的火災共11.6萬起，死亡745人，受傷538人，分別占總數(shù)的29.7%、35.3%和32.9%。因此電氣火災的預防就顯得十分重要。

　　CSD-100-DN電氣機柜采樣煙霧探測器系統(tǒng)正是針對近年來國內(nèi)電氣火災大幅上升而研制開發(fā)的系列電氣火災智能化預警系統(tǒng)。它通過抽取配電盤內(nèi)的空氣樣品，檢測偵別電氣設備火災形成前固體受熱升華產(chǎn)生的不可見煙霧，從而實現(xiàn)電氣火災的預警和預防，把火災事故消失在萌芽時期，降低火災發(fā)生后的危害。

　　一.電氣火災分析

　　1、電氣火災的火源

　　從電氣火災發(fā)生的機理看主要有故障部位局部長時間發(fā)熱，造成絕緣進一步下降，最終造成線路短路，導致火災；另一個是故障部位產(chǎn)生的電弧或電火花瞬間釋放熱量造成線路短路，導致火災。

　　電火花與電弧主要在氣體或液體絕緣材料中產(chǎn)生，損壞絕緣后，在縫隙或裂紋間會發(fā)生電弧，使兩導體間被擊穿而產(chǎn)生電弧的電壓為30kV/cm。電弧會產(chǎn)生很高的溫度，如2~20A的電弧電流就可以產(chǎn)生2000℃~4000℃的局部高溫，0.5A的電弧電流就足以引發(fā)火災。電火花可看成是不穩(wěn)定的、持續(xù)時間很短的電弧，其溫度也很高，由電火花、電弧產(chǎn)生的二次火源有著更大的危險性。

　　電氣設備和線路在運行時總會發(fā)熱，原因有以下幾種：

　　⑴電流在導體的電阻上產(chǎn)生熱量；

　　⑵鐵心損耗產(chǎn)生的熱量；

　　⑶絕緣介質損耗產(chǎn)生的熱量。

　　在正常情況下，發(fā)熱與散熱能在一個較低的溫度下達成平衡，這個溫度不超過電氣設備的長期允許工作溫度，不會有危險高溫出現(xiàn)，只有當正常運行遭到破壞，使發(fā)熱劇增而散熱不及，這時才可能出現(xiàn)溫度的急劇升高，以至出現(xiàn)危險的高溫，這種危險的高溫在條件恰當?shù)臅r候就會引發(fā)火災。危險高溫引發(fā)火災的途徑比較復雜，它的效應主要有軟化絕緣、分解物質產(chǎn)生可(易)燃氣體、直接烤燃物質。

　　2、電氣火災的生成物分析

　　以對常用的聚氯乙烯絕緣導線電纜的燃燒研究為例

　　在發(fā)熱的情況下

　　若以每分鐘20ºC的升溫速度從室溫將其加熱，在85ºC時觀察發(fā)現(xiàn)絕緣層開始軟化；在約159ºC觀察絕緣層有明顯變色，并有極少量氣體析出；在約240ºC測量到少量有機物氣體，此時絕緣材料開始裂解；在約288ºC產(chǎn)生大量氣體；在約328ºC重量快速下降，放出氣體中有HCI；在385ºC放出HCI、增塑劑和含碳的氧化物；在約477ºC主要分解產(chǎn)物為CO和水，絕緣材料完全炭化，條件具備會燃燒。

　　在過載情況下

　　在環(huán)境溫度23℃下，使用新的1.0mm2的BV導線（額定負載15A，極限負載為20A），在負載電流28.5A下運行，測量導線溫度。在過載90％(如按極限載流量20A考慮，實際過載42.5％)下經(jīng)過一段時間其溫度穩(wěn)定在96.1℃，導線出現(xiàn)軟化，有輕微的刺激性氣味，說明有微量氣體析出

　　在短路狀態(tài)下

　　利用大電流發(fā)生器，在室溫下，把1.0mm2的BV導線電流突然升至5倍額定電流(75A)，作短路模擬實驗，發(fā)現(xiàn)導線溫度急劇上升，瞬間冒出大量白色煙霧，幾分鐘后絕緣層即炭化并沿全線剝離，同時有高溫熔滴滴落。如換用2.5mm2的BLV導線以其5倍的額定電流(140A)做短路實驗，發(fā)現(xiàn)線芯瞬時在薄弱處熔斷，熔滴可引燃下邊的碎紙屑等可燃物，其溫度接近300ºC。實際工況下的短路電流是額定電流的成百上千倍，其危險性可想而知。

　　由上面的研究數(shù)據(jù)可以看出，在電纜開始燃燒之前，除了電纜溫度的升高之外，還會釋放出微量氣體，包括絕緣材料裂解的有機物、HCl、增塑劑、含碳的氧化物、CO及水氣。

　　3、火災的發(fā)展過程

　　火災的發(fā)展分為四個階段：萌芽(不可見煙霧)、可見煙霧，火焰和高熱階段。上圖表示了在一定時間內(nèi)火災的不同發(fā)展階段。注意在火災在萌芽期的醞釀階段提供了更多的時間與機會來探測并控制火災的發(fā)展。

　　大多數(shù)電氣設備火災是由于設備過熱引起的，或者是由于電纜短路或放電引發(fā)。一旦火災過渡到產(chǎn)生火焰的階段，火災蔓延的速率就變得更快，產(chǎn)生重大損害和導致作業(yè)癱瘓的可能性同時增加。若能在電氣火災的萌芽階段檢測到異常情況，將可爭取到最大的應變時間。

　　二、電氣火災報警的常規(guī)技術

　　1、點型感煙探測器在電氣機房中的應用

　　點型感煙探測器是在電氣室中最為通用的探測器類型。它們通常安裝在天花板下。有三個因素將影響感煙探測器的偵測速度：煙霧從火源傳送到探測器的路徑，傳送過程中的煙霧稀釋程度，以及探測器靈敏度。我們應當了解以下幾個可能對電力設備環(huán)境下安裝的探測器反應產(chǎn)生負面影響，引起偵測延長和破壞可能性增加的因素：

　　設備密封-由于電力輸送及變配電系統(tǒng)具有的高電壓特性所產(chǎn)生的危險性，這些設備通常被封裝在機柜內(nèi)。機柜內(nèi)或許會裝有內(nèi)部冷卻風扇或空調系統(tǒng)以使設備溫度保持在安全范圍內(nèi)。這些機柜對于工作現(xiàn)場的感煙探測器的傳輸時間產(chǎn)生兩方面的負面影響：

　　?機柜會限制煙霧流動，延長煙霧離開火源到達安裝在天花板上的探測器的時間。

　　?內(nèi)部風扇和空調系統(tǒng)會稀釋和冷卻煙霧，使煙霧沒有足夠的熱浮力上升到天花板，延長現(xiàn)場探測器的反應時間。

　　機柜內(nèi)部有煙發(fā)生時，會被箱體所包覆，即使有一點點煙泄露到室內(nèi)也會擴散開來，一般設置在天花板的煙感探測器是感應不到的。

　　2、空氣采樣式煙霧探測在機房中的應用

　　空氣采樣式煙霧探測系統(tǒng)的工作方式是利用探測主機內(nèi)部的抽氣泵，連接采樣管路及毛細軟管，抽取機柜內(nèi)部的空氣樣本，沿著采樣管路送回到探測主機，在探測主機對空氣樣本進行檢測，當探測主機檢測出異常的煙霧濃度增加時發(fā)布適當?shù)幕馂木瘓蟆?/p>

　　柜內(nèi)安裝–柜內(nèi)安裝是配電盤內(nèi)設備最有效的防護方式，可以減少氣壓和外部空氣污染對偵測過程的影響。這種下探測器能夠迅速產(chǎn)生反應，提供極早期警報信號。

　　盤內(nèi)安裝方式(從箱體上方)

　　空氣采樣式煙霧探測系統(tǒng)的采樣管路配置相當靈活，采樣管可以配置在機柜上方，利用軟管及機柜上方的開孔即可抽取機柜內(nèi)部的空氣。采樣管路也可以配置在機柜下方，利用軟管延伸到機柜內(nèi)部的頂端來抽取空氣樣本。

盤內(nèi)安裝方式(從箱體下方)

　　典型的空氣采樣煙霧探測系統(tǒng)的安裝方式，所有盤內(nèi)的空氣樣品透過軟管匯流到采樣管送到探測主機進行煙霧檢測

　　利用管路及軟管抽取機柜內(nèi)部的空氣進行分析雖說是探測機柜內(nèi)部火災的好方法，但是空氣采樣式系統(tǒng)還存在一些缺點。

　　探測主機無法判斷發(fā)生火災的機柜位置

　　由于機柜內(nèi)的空氣樣品最終均匯合進入探測主機，當探測主機檢測出煙霧異常增加的情形時，并無法知道是由于哪個機柜造成的，因此必須人為的去一一打開所有的機柜，查找火源。這種方式給現(xiàn)場人員帶來巨大的壓力，且耗費時間，極早期預警的優(yōu)勢可能被查找火源的時間給抵消了。

　　另外，每個機柜內(nèi)部設備的功能可能各不相同，若只是因為位置相近而納入空氣采樣管路的管網(wǎng)系統(tǒng)的話，就無法依照不同機柜功能或重要性來聯(lián)動相對應的應變措施，這樣也減弱了極早期預警系統(tǒng)的優(yōu)勢。

　　機柜數(shù)量對火災靈敏度的影響：

　　當一臺探測主機保護的機柜數(shù)量越多時，由于煙霧稀釋的關系，機柜需要更高濃度的煙霧以使探測主機發(fā)布警報。舉例來說，一個保護20個配電盤的系統(tǒng)，其煙霧稀釋比例為1/20，當探測主機火災靈敏度閥值為0.2%/m時，則起火源配電盤的煙霧必須達到0.2%/m×20=4%/m才能使探測主機發(fā)布火災警報。若這個系統(tǒng)保護的配電盤增加到50個時，煙霧稀釋比例為1/50，則起火源的煙霧濃度必須達到0.2%/m×50=10%才能發(fā)布火警。也就是說保護的配電盤越多，火災靈敏度就越低，那么就喪失了極早期預警的意義了。

　　三、CSD-100-DN機柜采樣煙霧探測系統(tǒng)

　　CSD-100-DN機柜采樣煙霧探測器克服了點型感煙探測器的缺點和空氣采樣式煙霧探測的不足，吸取了空氣采樣式煙霧探測系統(tǒng)的優(yōu)點，抽取盤內(nèi)的空氣樣品進入探測腔進行檢測。它采用的短波長的藍光探測，對固體電氣受熱升華產(chǎn)生的不可見煙霧最為敏感。探測腔基本工作原理如下圖所示：

　　每個CSD機柜探測器采樣保護一個機柜，通過RS-485總線形成網(wǎng)絡或通過開關量輸出接入本地PLC系統(tǒng)或電氣監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對每個機柜，保持高靈敏度的煙霧探測和安全保護。

　　CSD機柜采樣煙霧探測器內(nèi)部還集成了溫度傳感器，可以檢測從盤內(nèi)抽取回來的空氣樣品的溫度。盤內(nèi)溫度受電纜或電氣設備的溫度影響時，比較CSD檢測到的煙霧濃度和溫度變化，就可以更全面的掌握和了解保護電氣機柜內(nèi)部的真實情況。

　　CSD機柜采樣煙霧探測器應運而生，是解決電氣機柜火災早期預警最有効、成本最低的方法。它的性能和空氣采樣探測器相當，但價格是它的1/5倍，而靈敏度是點型感煙探測器的1000倍，90*90*180迷你化的瘦身設計，使其適合安裝在機柜頂端或柜面上。

產(chǎn)品特點

設計指導

典型的CSD-100-DN機柜頂端安裝示意圖

系統(tǒng)架構

　　機房內(nèi)部的每個機柜采樣探測器透過RS-485總線連接至預警監(jiān)控主機，除了在探測器面板上可以看到其所監(jiān)視的機柜狀態(tài)外，在預警監(jiān)控主機上亦可以實時監(jiān)控總線上連接的每一臺探測器。

安裝

　　接線端子說明：

　　●RS-485以通訊隔離線接地方式連接如上方圖示說明必須以對絞方式連接

　　●POWER電源接線輸入(24V+V-及Earth)共3PORT。

　　●GPI將2點短路可啟動相應的功能（默認為復位RESET）

　　注：，GPI動作可設置成隔離、電源故障等15種不同選項，詳見CSD安裝手冊）

　　●繼電器輸出界面(2A負載，超過負載需外接轉換)。Com為干接公共點Fault系統(tǒng)故障NC

　　Alert初級警報Fire-1火警1警報

遠端顯示面板的應用方式

典型的CSD機柜探測方式

　　采樣管路：10mm

　　毛細軟管單管管長：最大6m

　　分支總長：最大10m

　　管路分支：最大4分支

　　采樣銅頭內(nèi)徑：3.5mm

　　頂部安裝

　　CSD-100-DN探測器可以安裝在機柜頂部，也可以裝在機柜內(nèi)部。當安裝在機柜內(nèi)部時，可以將編程顯示面板分離出來，使用面板框架固定在門板上。

　　機柜頂端

　　使用采樣銅頭抽取機柜內(nèi)部空氣

　　機柜內(nèi)部

　　使用軟管直接固定在機柜頂部

　　排氣風扇

　　當機柜有排氣風扇幫助散熱時，應在排氣風扇位置加設采樣點

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