CSD機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)方案
前言
隨著近二十年來經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國人均用電量翻了一番，但電氣火災(zāi)也隨之劇增，給國家經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。據(jù)公安部消防局《中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，自1993年～2002年全國范圍內(nèi)共發(fā)生電氣火災(zāi)203780起，占火災(zāi)總數(shù)近30%,在所有火災(zāi)起因中居首位。電氣火災(zāi)造成人身傷亡的數(shù)字也是驚人的，僅2000～2002年，就造成3215人的傷亡。特別在重、特大火災(zāi)中，電氣火災(zāi)所占比例更大，1991～2002年全國公共聚集場(chǎng)所共發(fā)生特大火災(zāi)37起，其中電氣火災(zāi)17起，約占46%。因此電氣火災(zāi)的預(yù)防就顯得十分重要。
CSD電氣機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)（器）系統(tǒng)正是針對(duì)近年來國內(nèi)電氣火災(zāi)大幅上升而研制開發(fā)的系列電氣火災(zāi)智能化預(yù)警系統(tǒng)。它通過抽取配電盤內(nèi)的空氣樣品，檢測(cè)偵別電氣設(shè)備火災(zāi)形成前固體受熱升華產(chǎn)生的不可見煙霧，從而實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)的預(yù)警和預(yù)防，把火災(zāi)事故消失在萌芽時(shí)期，降低火災(zāi)發(fā)生后的危害。
一.電氣火災(zāi)分析
1、電氣火災(zāi)的火源
從電氣火災(zāi)發(fā)生的機(jī)理看主要有故障部位局部長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱，造成絕緣進(jìn)一步下降，最終造成線路短路，導(dǎo)致火災(zāi)；另一個(gè)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(dǎo)致火災(zāi)。
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(huì)發(fā)生電弧，使兩導(dǎo)體間被擊穿而產(chǎn)生電弧的電壓為30kV/cm。電弧會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，如2~20A的電弧電流就可以產(chǎn)生2000~4000oC的局部高溫，0.5A的電弧電流就足以引發(fā)火災(zāi)。電火花可看成是不穩(wěn)定的、持續(xù)時(shí)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(xiǎn)性。
電氣設(shè)備和線路在運(yùn)行時(shí)總會(huì)發(fā)熱，原因有以下幾種：
?、烹娏髟趯?dǎo)體的電阻上產(chǎn)生熱量；
?、畦F心損耗產(chǎn)生的熱量；
?、墙^緣介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量。
在正常情況下，發(fā)熱與散熱能在一個(gè)較低的溫度下達(dá)成平衡，這個(gè)溫度不超過電氣設(shè)備的長(zhǎng)期允許工作溫度，不會(huì)有危險(xiǎn)高溫出現(xiàn)，只有當(dāng)正常運(yùn)行遭到破壞，使發(fā)熱劇增而散熱不及，這時(shí)才可能出現(xiàn)溫度的急劇升高，以至出現(xiàn)危險(xiǎn)的高溫，這種危險(xiǎn)的高溫在條件恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候就會(huì)引發(fā)火災(zāi)。危險(xiǎn)高溫，高溫引發(fā)火災(zāi)的途徑比較復(fù)雜，它的效應(yīng)主要有軟化絕緣、分解物質(zhì)產(chǎn)生可（易）燃?xì)怏w、直接烤燃物質(zhì)。
2、電氣火災(zāi)的生成物分析
以對(duì)常用的聚氯乙烯絕緣導(dǎo)線電纜的燃燒研究為例（資料來源：武警學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部馬龍）
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(shí)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(cè)量到少量有機(jī)物氣體，此時(shí)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(huì)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(dǎo)線（額定負(fù)載15A，極限負(fù)載為20A），在負(fù)載電流28.5A下運(yùn)行，測(cè)量導(dǎo)線溫度。在過載90％(如按極限載流量20A考慮，實(shí)際過載42.5％)下經(jīng)過一段時(shí)間其溫度穩(wěn)定在96.1℃，導(dǎo)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(dǎo)線電流突然升至5倍額定電流(75A)，作短路模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(shí)有高溫熔滴滴落。如換用2.5mm2的BLV導(dǎo)線以其5倍的額定電流(140A)做短路實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)線芯瞬時(shí)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(shí)際工況下的短路電流是額定電流的成百上千倍，其危險(xiǎn)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(huì)釋放出微量氣體，包括絕緣材料裂解的有機(jī)物、HCl、增塑劑、含碳的氧化物、CO及水氣。
3、火災(zāi)的發(fā)展過程
火災(zāi)的發(fā)展分為四個(gè)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(shí)間內(nèi)火災(zāi)的不同發(fā)展階段。注意在火災(zāi)在萌芽期的醞釀階段提供了更多的時(shí)間與機(jī)會(huì)來探測(cè)并控制火災(zāi)的發(fā)展。
大多數(shù)電氣設(shè)備火災(zāi)是由于設(shè)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(zāi)過渡到產(chǎn)生火焰的階段，火災(zāi)蔓延的速率就變得更快，產(chǎn)生重大損害和導(dǎo)致作業(yè)癱瘓的可能性同時(shí)增加。若能在電氣火災(zāi)的萌芽階段檢測(cè)到異常情況，將可爭(zhēng)取到最大的應(yīng)變時(shí)間。
二、電氣火災(zāi)報(bào)警的常規(guī)技術(shù)
點(diǎn)型感煙探測(cè)器是在電氣室中最為通用的探測(cè)器類型。它們通常安裝在天花板下。有三個(gè)因素將影響感煙探測(cè)器的偵測(cè)速度：煙霧從火源傳送到探測(cè)器的路徑，傳送過程中的煙霧稀釋程度，以及探測(cè)器靈敏度。我們應(yīng)當(dāng)了解以下幾個(gè)可能對(duì)電力設(shè)備環(huán)境下安裝的探測(cè)器反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，引起偵測(cè)延長(zhǎng)和破壞可能性增加的因素：
設(shè)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(xiǎn)性，這些設(shè)備通常被封裝在機(jī)柜內(nèi)。機(jī)柜內(nèi)或許會(huì)裝有內(nèi)部冷卻風(fēng)扇或空調(diào)系統(tǒng)以使設(shè)備溫度保持在安全范圍內(nèi)。這些機(jī)柜對(duì)于工作現(xiàn)場(chǎng)的感煙探測(cè)器的傳輸時(shí)間產(chǎn)生兩方面的負(fù)面影響：
?機(jī)柜會(huì)限制煙霧流動(dòng)，延長(zhǎng)煙霧離開火源到達(dá)安裝在天花板上的探測(cè)器的時(shí)間。
?內(nèi)部風(fēng)扇和空調(diào)系統(tǒng)會(huì)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(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的反應(yīng)時(shí)間。
機(jī)柜內(nèi)部有煙發(fā)生時(shí)，會(huì)被箱體所包覆，即使有一點(diǎn)點(diǎn)煙泄露到室內(nèi)也會(huì)擴(kuò)散開來，一般設(shè)置在天花板的煙感探測(cè)器是感應(yīng)不到的。
2、空氣采樣式煙霧探測(cè)在機(jī)房中的應(yīng)用
空氣采樣式煙霧探測(cè)系統(tǒng)的工作方式是利用探測(cè)主機(jī)內(nèi)部的抽氣泵，連接采樣管路及毛細(xì)軟管，抽取機(jī)柜內(nèi)部的空氣樣本，沿著采樣管路送回到探測(cè)主機(jī)，在探測(cè)主機(jī)對(duì)空氣樣本進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)探測(cè)主機(jī)檢測(cè)出異常的煙霧濃度增加時(shí)發(fā)布適當(dāng)?shù)幕馂?zāi)警報(bào)。
柜內(nèi)安裝–柜內(nèi)安裝是配電盤內(nèi)設(shè)備最有效的防護(hù)方式，可以減少氣壓和外部空氣污染對(duì)偵測(cè)過程的影響。這種下探測(cè)器能夠迅速產(chǎn)生反應(yīng)，提供極早期警報(bào)信號(hào)。
盤內(nèi)安裝方式(從箱體上方)
空氣采樣式煙霧探測(cè)系統(tǒng)的采樣管路配置相當(dāng)靈活，采樣管可以配置在機(jī)柜上方，利用軟管及機(jī)柜上方的開孔即可抽取機(jī)柜內(nèi)部的空氣。采樣管路也可以配置在機(jī)柜下方，利用軟管延伸到機(jī)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(cè)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(cè)主機(jī)進(jìn)行煙霧檢冊(cè)。利用管路及軟管抽取機(jī)柜內(nèi)部的空氣進(jìn)行分析雖說是探測(cè)機(jī)柜內(nèi)部火災(zāi)的好方法，但是空氣采樣式系統(tǒng)還存在一些缺點(diǎn)，探測(cè)主機(jī)無法判斷發(fā)生火災(zāi)的機(jī)柜位置，由于機(jī)柜內(nèi)的空氣樣品最終均匯合進(jìn)入探測(cè)主機(jī)，當(dāng)探測(cè)主機(jī)檢測(cè)出煙霧異常增加的情形時(shí)，并無法知道是由于哪個(gè)機(jī)柜造成的，因此必須人為的去一一打開所有的機(jī)柜，查找火源。這種方式給現(xiàn)場(chǎng)人員帶來巨大的壓力，且耗費(fèi)時(shí)間，極早期預(yù)警的優(yōu)勢(shì)可能被查找火源的時(shí)間給抵消了。
另外，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備的功能可能各不相同，若只是因?yàn)槲恢孟嘟{入空氣采樣管路的管網(wǎng)系統(tǒng)的話，就無法依照不同機(jī)柜功能或重要性來聯(lián)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變措施，這樣也減弱了極早期預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。
機(jī)柜數(shù)量對(duì)火災(zāi)靈敏度的影響：
當(dāng)一臺(tái)探測(cè)主機(jī)保護(hù)的機(jī)柜數(shù)量越多時(shí)，由于煙霧稀釋的關(guān)系，機(jī)柜需要更高濃度的煙霧以使探測(cè)主機(jī)發(fā)布警報(bào)。舉例來說，一個(gè)保護(hù)20個(gè)配電盤的系統(tǒng)，其煙霧稀釋比例為1/20，當(dāng)探測(cè)主機(jī)火災(zāi)靈敏度閥值為0.2%/m時(shí)，則起火源配電盤的煙霧必須達(dá)到0.2%/m×20=4%/m才能使探測(cè)主機(jī)發(fā)布火災(zāi)警報(bào)。若這個(gè)系統(tǒng)保護(hù)的配電盤增加到50個(gè)時(shí)，煙霧稀釋比例為1/50，則起火源的煙霧濃度必須達(dá)到0.2%/m×50=10%才能發(fā)布火警。也就是說保護(hù)的配電盤越多，火災(zāi)靈敏度就越低，那么就喪失了極早期預(yù)警的意義了。
三、CSD機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)系統(tǒng)
CSD機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)器克服了點(diǎn)型感煙探測(cè)器的缺點(diǎn)和空氣采樣式煙霧探測(cè)的不足，吸取了空氣采樣式煙霧探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，抽取盤內(nèi)的空氣樣品進(jìn)入探測(cè)腔進(jìn)行檢測(cè)。它采用的短波長(zhǎng)的藍(lán)光探測(cè)，對(duì)固體電氣受熱升華產(chǎn)生的不可見煙霧最為敏感。探測(cè)腔基本工作原理如下圖所示：
每個(gè)CSD機(jī)柜探測(cè)器采樣保護(hù)一個(gè)機(jī)柜，通過RS-485總線形成網(wǎng)絡(luò)或通過開關(guān)量輸出接入本地PLC系統(tǒng)或電氣監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)機(jī)柜，保持高靈敏度的煙霧探測(cè)和安全保護(hù)。
CSD機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)器內(nèi)部還集成了溫度傳感器，可以檢測(cè)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(shè)備的溫度影響時(shí)，比較CSD檢測(cè)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(hù)電氣機(jī)柜內(nèi)部的真實(shí)情況。
CSD機(jī)柜采樣煙霧探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生，是解決電氣機(jī)柜火災(zāi)早期預(yù)警最有効、成本最低的方法。它的性能和空氣采樣探測(cè)器相當(dāng)，但價(jià)格是它的1/5倍，而靈敏度是點(diǎn)型感煙探測(cè)器的1000倍，90*90*180迷你化的瘦身設(shè)計(jì)，使其適合安裝在機(jī)柜頂端或柜面上。
產(chǎn)品特點(diǎn)：
?采用先進(jìn)高亮度藍(lán)光LED探測(cè)技術(shù)
?靈敏度范圍0.001%obs/m~20%obs/m
?20級(jí)LED光柱顯示當(dāng)前煙霧濃度變化
?4段火警指示（預(yù)警、行動(dòng)、火警1及火警2）
?內(nèi)置高效率微型抽氣泵，24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)
?內(nèi)置氣流傳感器，可在采樣孔或?yàn)V網(wǎng)堵塞時(shí)產(chǎn)生氣流低故障、在取樣軟管脫落時(shí)產(chǎn)生氣流高故障。
?內(nèi)置溫度傳感器（可選），檢測(cè)空氣樣品的溫度，可作為盤內(nèi)溫度的參考
?內(nèi)置一氧化碳等14種氣體傳感器（可選），可搭配煙霧濃度綜合判斷火情
?內(nèi)置蜂鳴器提示警報(bào)或故障情形
?連接的采樣軟管外徑10mm，長(zhǎng)度最大6m
?RS-485總線通訊方式
?繼電器開關(guān)量輸出接口
?單一總線最多可連接250臺(tái)CSD探測(cè)器
?通訊總線最長(zhǎng)可達(dá)1200m
設(shè)計(jì)指導(dǎo)
?CSD機(jī)柜采樣探測(cè)器一般安裝在受保護(hù)機(jī)柜的頂端，可以容易看到探測(cè)器顯示面板的位置
?采樣點(diǎn)位置應(yīng)考慮煙霧流動(dòng)的方向，一般在機(jī)柜頂端。
?若機(jī)柜設(shè)置有排氣扇時(shí)，應(yīng)考慮煙霧受氣流影響的可能性，一并在風(fēng)扇排氣口處
?毛細(xì)軟管及機(jī)柜采樣頭的設(shè)置與空氣采樣式煙霧探測(cè)系統(tǒng)相同
?毛細(xì)軟管長(zhǎng)度最大6m
?機(jī)柜探測(cè)器間的RS-485總線應(yīng)使用24AWG對(duì)絞屏蔽電纜
典型的CSD-100機(jī)柜頂端安裝示意圖
系統(tǒng)架構(gòu)
機(jī)房?jī)?nèi)部的每個(gè)機(jī)柜采樣探測(cè)器透過RS-485總線連接至預(yù)警監(jiān)控主機(jī)，除了在探測(cè)器面板上可以看到其所監(jiān)視的機(jī)柜狀態(tài)外，在預(yù)警監(jiān)控主機(jī)上亦可以實(shí)時(shí)監(jiān)控總線上連接的每一臺(tái)探測(cè)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(duì)絞方式連接
?POWER電源接線輸入(24V+V-及Earth)共3PORT。
?GPI
將2點(diǎn)短路可啟動(dòng)相應(yīng)的功能（默認(rèn)為復(fù)位RESET）
注：，GPI動(dòng)作可設(shè)置成隔離、電源故障等15種不同選項(xiàng)，詳見CSD安裝手冊(cè)）
?繼電器輸出介面(2A負(fù)載，超過負(fù)載需外接轉(zhuǎn)換)。
Com為干接公共點(diǎn)
Fault系統(tǒng)故障NC
Alert初級(jí)警報(bào)
Fire-1火警1警報(bào)
固定探測(cè)器
利用固定座將CSD探測(cè)器安裝在機(jī)柜頂端或適當(dāng)位置
連接采樣軟管
將毛細(xì)軟管連接至機(jī)柜采樣頭，詳細(xì)連接方式參考空氣采樣煙霧探測(cè)系統(tǒng)的安裝說明
輔助傳感器
CSD-100可搭配溫濕度及14種氣體傳感器（同時(shí)只能使用1個(gè)氣體傳感器）
遠(yuǎn)端顯示面板
CSD-100的顯示面板可以從設(shè)備上分離開來，成為遠(yuǎn)端顯示面板。典型的應(yīng)用譬如將探測(cè)主機(jī)安裝在機(jī)柜內(nèi)部，而遠(yuǎn)端顯示面板則安裝在機(jī)柜門板上。
遠(yuǎn)端顯示面板的應(yīng)用方式
典型的CSD機(jī)櫃探測(cè)方式
採樣管路：10mm
毛細(xì)軟管?單管管長(zhǎng)：最大6m?
分支總長(zhǎng)：最大10m?
管路分支：最大4分支?
採樣銅頭內(nèi)徑：3.5mm
頂部安裝
CSD探測(cè)器可以安裝在機(jī)櫃頂部，也可以裝在機(jī)櫃內(nèi)部。當(dāng)安裝在機(jī)櫃內(nèi)部時(shí)，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(jī)櫃頂端
使用採樣銅頭抽取機(jī)櫃內(nèi)部空氣
機(jī)櫃內(nèi)部
使用軟管直接固定在機(jī)櫃頂部
排氣風(fēng)扇
當(dāng)機(jī)櫃有排氣風(fēng)扇幫助散熱時(shí)，應(yīng)在排氣風(fēng)扇位置加設(shè)採樣點(diǎn)
