CSD机柜采样烟雾探测方案
前言
随着近二十年来经济的蓬勃发展，我国人均用电量翻了一番，但电气火灾也随之剧增，给国家经济和人民生命财产造成了巨大损失。据公安部消防局《中国火灾统计年鉴》统计，自1993年～2002年全国范围内共发生电气火灾203780起，占火灾总数近30%,在所有火灾起因中居首位。电气火灾造成人身伤亡的数字也是惊人的，仅2000～2002年，就造成3215人的伤亡。特别在重、特大火灾中，电气火灾所占比例更大，1991～2002年全国公共聚集场所共发生特大火灾37起，其中电气火灾17起，约占46%。因此电气火灾的预防就显得十分重要。
CSD电气机柜采样烟雾探测（器）系统正是针对近年来国内电气火灾大幅上升而研制开发的系列电气火灾智能化预警系统。它通过抽取配电盘内的空气样品，检测侦别电气设备火灾形成前固体受热升华产生的不可见烟雾，从而实现电气火灾的预警和预防，把火灾事故消失在萌芽时期，降低火灾发生后的危害。
一.电气火灾分析
1、电气火灾的火源
从电气火灾发生的机理看主要有故障部位局部长时间发热，造成绝缘进一步下降，最终造成线路短路，导致火灾；另一个是故障部位产生的电弧或电火花瞬间释放热量造成线路短路，导致火灾。
电火花与电弧主要在气体或液体绝缘材料中产生，损坏绝缘后，在缝隙或裂纹间会发生电弧，使两导体间被击穿而产生电弧的电压为30kV/cm。电弧会产生很高的温度，如2~20A的电弧电流就可以产生2000~4000oC的局部高温，0.5A的电弧电流就足以引发火灾。电火花可看成是不稳定的、持续时间很短的电弧，其温度也很高，由电火花、电弧产生的二次火源有着更大的危险性。
电气设备和线路在运行时总会发热，原因有以下几种：
⑴电流在导体的电阻上产生热量；
⑵铁心损耗产生的热量；
⑶绝缘介质损耗产生的热量。
在正常情况下，发热与散热能在一个较低的温度下达成平衡，这个温度不超过电气设备的长期允许工作温度，不会有危险高温出现，只有当正常运行遭到破坏，使发热剧增而散热不及，这时才可能出现温度的急剧升高，以至出现危险的高温，这种危险的高温在条件恰当的时候就会引发火灾。危险高温，高温引发火灾的途径比较复杂，它的效应主要有软化绝缘、分解物质产生可（易）燃气体、直接烤燃物质。
2、电气火灾的生成物分析
以对常用的聚氯乙烯绝缘导线电缆的燃烧研究为例（资料来源：武警学院学报编辑部马龙）
在发热的情况下
若以每分钟20ºC的升温速度从室温将其加热，在85ºC时观察发现绝缘层开始软化；在约159ºC观察绝缘层有明显变色，并有极少量气体析出；在约240ºC测量到少量有机物气体，此时绝缘材料开始裂解；在约288ºC产生大量气体；在约328ºC重量快速下降，放出气体中有HCI；在385ºC放出HCI、增塑剂和含碳的氧化物；在约477ºC主要分解产物为CO和水，绝缘材料完全炭化，条件具备会燃烧。
在过载情况下
在环境温度23℃下，使用新的1.0mm2的BV导线（额定负载15A，极限负载为20A），在负载电流28.5A下运行，测量导线温度。在过载90％(如按极限载流量20A考虑，实际过载42.5％)下经过一段时间其温度稳定在96.1℃，导线出现软化，有轻微的刺激性气味，说明有微量气体析出
在短路状态下
利用大电流发生器，在室温下，把1.0mm2的BV导线电流突然升至5倍额定电流(75A)，作短路模拟实验，发现导线温度急剧上升，瞬间冒出大量白色烟雾，几分钟后绝缘层即炭化并沿全线剥离，同时有高温熔滴滴落。如换用2.5mm2的BLV导线以其5倍的额定电流(140A)做短路实验，发现线芯瞬时在薄弱处熔断，熔滴可引燃下边的碎纸屑等可燃物，其温度接近300ºC。实际工况下的短路电流是额定电流的成百上千倍，其危险性可想而知。
由上面的研究数据可以看出，在电缆开始燃烧之前，除了电缆温度的升高之外，还会释放出微量气体，包括绝缘材料裂解的有机物、HCl、增塑剂、含碳的氧化物、CO及水气。
3、火灾的发展过程
火灾的发展分为四个阶段：萌芽(不可见烟雾)、可见烟雾，火焰和高热阶段。上图表示了在一定时间内火灾的不同发展阶段。注意在火灾在萌芽期的酝酿阶段提供了更多的时间与机会来探测并控制火灾的发展。
大多数电气设备火灾是由于设备过热引起的，或者是由于电缆短路或放电引发。一旦火灾过渡到产生火焰的阶段，火灾蔓延的速率就变得更快，产生重大损害和导致作业瘫痪的可能性同时增加。若能在电气火灾的萌芽阶段检测到异常情况，将可争取到最大的应变时间。
二、电气火灾报警的常规技术
点型感烟探测器是在电气室中最为通用的探测器类型。它们通常安装在天花板下。有三个因素将影响感烟探测器的侦测速度：烟雾从火源传送到探测器的路径，传送过程中的烟雾稀释程度，以及探测器灵敏度。我们应当了解以下几个可能对电力设备环境下安装的探测器反应产生负面影响，引起侦测延长和破坏可能性增加的因素：
设备密封-由于电力输送及变配电系统具有的高电压特性所产生的危险性，这些设备通常被封装在机柜内。机柜内或许会装有内部冷却风扇或空调系统以使设备温度保持在安全范围内。这些机柜对于工作现场的感烟探测器的传输时间产生两方面的负面影响：
机柜会限制烟雾流动，延长烟雾离开火源到达安装在天花板上的探测器的时间。
内部风扇和空调系统会稀释和冷却烟雾，使烟雾没有足够的热浮力上升到天花板，延长现场探测器的反应时间。
机柜内部有烟发生时，会被箱体所包覆，即使有一点点烟泄露到室内也会扩散开来，一般设置在天花板的烟感探测器是感应不到的。
2、空气采样式烟雾探测在机房中的应用
空气采样式烟雾探测系统的工作方式是利用探测主机内部的抽气泵，连接采样管路及毛细软管，抽取机柜内部的空气样本，沿着采样管路送回到探测主机，在探测主机对空气样本进行检测，当探测主机检测出异常的烟雾浓度增加时发布适当的火灾警报。
柜内安装–柜内安装是配电盘内设备最有效的防护方式，可以减少气压和外部空气污染对侦测过程的影响。这种下探测器能够迅速产生反应，提供极早期警报信号。
盘内安装方式(从箱体上方)
空气采样式烟雾探测系统的采样管路配置相当灵活，采样管可以配置在机柜上方，利用软管及机柜上方的开孔即可抽取机柜内部的空气。采样管路也可以配置在机柜下方，利用软管延伸到机柜内部的顶端来抽取空气样本。
盘内安装方式(从箱体下方)
典型的空气采样烟雾探测系统的安装方式，所有盘内的空气样品透过软管汇流到采样管送到探测主机进行烟雾检册。利用管路及软管抽取机柜内部的空气进行分析虽说是探测机柜内部火灾的好方法，但是空气采样式系统还存在一些缺点，探测主机无法判断发生火灾的机柜位置，由于机柜内的空气样品最终均汇合进入探测主机，当探测主机检测出烟雾异常增加的情形时，并无法知道是由于哪个机柜造成的，因此必须人为的去一一打开所有的机柜，查找火源。这种方式给现场人员带来巨大的压力，且耗费时间，极早期预警的优势可能被查找火源的时间给抵消了。
另外，每个机柜内部设备的功能可能各不相同，若只是因为位置相近而纳入空气采样管路的管网系统的话，就无法依照不同机柜功能或重要性来联动相对应的应变措施，这样也减弱了极早期预警系统的优势。
机柜数量对火灾灵敏度的影响：
当一台探测主机保护的机柜数量越多时，由于烟雾稀释的关系，机柜需要更高浓度的烟雾以使探测主机发布警报。举例来说，一个保护20个配电盘的系统，其烟雾稀释比例为1/20，当探测主机火灾灵敏度阀值为0.2%/m时，则起火源配电盘的烟雾必须达到0.2%/m×20=4%/m才能使探测主机发布火灾警报。若这个系统保护的配电盘增加到50个时，烟雾稀释比例为1/50，则起火源的烟雾浓度必须达到0.2%/m×50=10%才能发布火警。也就是说保护的配电盘越多，火灾灵敏度就越低，那么就丧失了极早期预警的意义了。
三、CSD机柜采样烟雾探测系统
CSD机柜采样烟雾探测器克服了点型感烟探测器的缺点和空气采样式烟雾探测的不足，吸取了空气采样式烟雾探测系统的优点，抽取盘内的空气样品进入探测腔进行检测。它采用的短波长的蓝光探测，对固体电气受热升华产生的不可见烟雾最为敏感。探测腔基本工作原理如下图所示：
每个CSD机柜探测器采样保护一个机柜，通过RS-485总线形成网络或通过开关量输出接入本地PLC系统或电气监控系统，实现对每个机柜，保持高灵敏度的烟雾探测和安全保护。
CSD机柜采样烟雾探测器内部还集成了温度传感器，可以检测从盘内抽取回来的空气样品的温度。盘内温度受电缆或电气设备的温度影响时，比较CSD检测到的烟雾浓度和温度变化，就可以更全面的掌握和了解保护电气机柜内部的真实情况。
CSD机柜采样烟雾探测器应运而生，是解决电气机柜火灾早期预警最有効、成本最低的方法。它的性能和空气采样探测器相当，但价格是它的1/5倍，而灵敏度是点型感烟探测器的1000倍，90*90*180迷你化的瘦身设计，使其适合安装在机柜顶端或柜面上。
产品特点：
采用先进高亮度蓝光LED探测技术
灵敏度范围0.001%obs/m~20%obs/m
20级LED光柱显示当前烟雾浓度变化
4段火警指示（预警、行动、火警1及火警2）
内置高效率微型抽气泵，24小时连续运转
内置气流传感器，可在采样孔或滤网堵塞时产生气流低故障、在取样软管脱落时产生气流高故障。
内置温度传感器（可选），检测空气样品的温度，可作为盘内温度的参考
内置一氧化碳等14种气体传感器（可选），可搭配烟雾浓度综合判断火情
内置蜂鸣器提示警报或故障情形
连接的采样软管外径10mm，长度最大6m
RS-485总线通讯方式
继电器开关量输出接口
单一总线最多可连接250台CSD探测器
通讯总线最长可达1200m
设计指导
CSD机柜采样探测器一般安装在受保护机柜的顶端，可以容易看到探测器显示面板的位置
采样点位置应考虑烟雾流动的方向，一般在机柜顶端。
若机柜设置有排气扇时，应考虑烟雾受气流影响的可能性，一并在风扇排气口处
毛细软管及机柜采样头的设置与空气采样式烟雾探测系统相同
毛细软管长度最大6m
机柜探测器间的RS-485总线应使用24AWG对绞屏蔽电缆
典型的CSD-100机柜顶端安装示意图
系统架构
机房内部的每个机柜采样探测器透过RS-485总线连接至预警监控主机，除了在探测器面板上可以看到其所监视的机柜状态外，在预警监控主机上亦可以实时监控总线上连接的每一台探测器
安装
接线端子说明：
RS-485
以通讯隔离线接地方式连接如上方图示说明
必须以对绞方式连接
POWER电源接线输入(24V+V-及Earth)共3PORT。
GPI
将2点短路可启动相应的功能（默认为复位RESET）
注：，GPI动作可设置成隔离、电源故障等15种不同选项，详见CSD安装手册）
继电器输出介面(2A负载，超过负载需外接转换)。
Com为干接公共点
Fault系统故障NC
Alert初级警报
Fire-1火警1警报
固定探测器
利用固定座将CSD探测器安装在机柜顶端或适当位置
连接采样软管
将毛细软管连接至机柜采样头，详细连接方式参考空气采样烟雾探测系统的安装说明
辅助传感器
CSD-100可搭配温湿度及14种气体传感器（同时只能使用1个气体传感器）
远端显示面板
CSD-100的显示面板可以从设备上分离开来，成为远端显示面板。典型的应用譬如将探测主机安装在机柜内部，而远端显示面板则安装在机柜门板上。
远端显示面板的应用方式
典型的CSD機櫃探測方式
採樣管路：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
採樣銅頭內徑：3.5mm
頂部安裝
CSD探測器可以安裝在機櫃頂部，也可以裝在機櫃內部。當安裝在機櫃內部時，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。
機櫃頂端
使用採樣銅頭抽取機櫃內部空氣
機櫃內部
使用軟管直接固定在機櫃頂部
排氣風扇
當機櫃有排氣風扇幫助散熱時，應在排氣風扇位置加設採樣點
