智能型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計(jì)

1 引言

　　近年來， 全國火災(zāi)事故呈上升趨勢， 而在火災(zāi)事故中， 電氣火災(zāi)的比例居高不下， 占火災(zāi)年均發(fā)生次數(shù)的27%，損失占火災(zāi)損失的52%，每年火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失巨大，預(yù)防和有效遏制電氣火災(zāi)的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。國家有關(guān)部門相繼制訂或修改了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求在建筑中設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。本文根據(jù)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)（GB14827-2005），設(shè)計(jì)了一智能型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，它既可以單獨(dú)使用，也可以通過RS485 總線與電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)， 構(gòu)成一套完整的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2 電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計(jì)依據(jù)

　　2.1 探測器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

　　設(shè)計(jì)的裝置應(yīng)符合《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》（GB 14287-2005）、《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控警裝置》（GB14287.2-2005）、《設(shè)計(jì)建筑防火規(guī)范》（GB 50096-2006）、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50045-2005）、《建筑電氣火災(zāi)預(yù)防要求和檢測方法》和《剩余電流動作保護(hù)裝置的安裝和運(yùn)行》（GB13955-2005）等標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的簡介

　　電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器組成，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》（GB 14287-2005）的要求。當(dāng)被保護(hù)的線路中的被探測參數(shù)超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警信號、控制信號并能指示報(bào)警部位。

　　電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備能接受來自電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的報(bào)警信號， 發(fā)出聲、光報(bào)警信號和控制信號， 指示報(bào)警部位， 記錄并保存報(bào)警信息。

　　剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器可以探測被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)的變化，按工作方式可以分兩類：一是獨(dú)立式探測器（具有監(jiān)控報(bào)警功能的探測器），二是非獨(dú)立式探測器。本文設(shè)計(jì)了一智能型獨(dú)立式探測器。

　　2.3 剩余電流產(chǎn)生的原因

　　正常情況下，電路中沒有發(fā)生設(shè)備漏電或接地故障時(shí)，如圖1 所示，根據(jù)電路原理可知， 三相四線電源的電流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0 ，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和等于零。此時(shí)，二次線圈中感應(yīng)電流IL=0，因此線路正常供電。當(dāng)電路中發(fā)生設(shè)備漏電或故障接地時(shí)， 例如出現(xiàn)故障漏電電流Z I ， 則三相四線電源的電流相量和將不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0 ，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和也不等于零， 此時(shí)，二次線圈中有感應(yīng)電流，即剩余電流IL≠0 。

　　圖1 剩余電流互感器工作原理。

　　2.4 設(shè)置電氣火災(zāi)探測器的必要性

　　電氣接地故障中電弧性對地短路是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因。電弧性對地短路具有很大的阻抗和電壓降， 它限制了故障電流， 使過電流保護(hù)器不能動作或不能及時(shí)動作來切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物而引起火災(zāi)。況且， 用電設(shè)備分布在建筑物的各個角落， 危害范圍廣， 如不對系統(tǒng)的漏電進(jìn)行監(jiān)測和防控， 就會對人身和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，存在很大的火災(zāi)隱患。剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器能準(zhǔn)確監(jiān)控電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能有效預(yù)防常見的因漏電導(dǎo)致接地電弧所引起的建筑物電氣火災(zāi)事故。為了保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在建筑物的電源進(jìn)線處及干線上安裝剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器十分必要。

　　3 探測器的設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)基本功能

　　智能型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器集剩余電流、短路、過載、過壓和欠壓（缺相）等電氣故障的監(jiān)測、分析、報(bào)警及控制于一體。主要具有以下功能：

　?。?） 具有漏電電流、過電流長延時(shí)、過電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)功能，組成所需的保護(hù)特性。智能設(shè)定漏電電流、過電流長延時(shí)、過電流短延時(shí)和過電流瞬時(shí)的整定值及預(yù)警值。另外還具有過欠壓報(bào)警功能、缺相報(bào)警功能。

　?。?） 顯示并儲存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間和漏電電流、三相電流值。可記錄多達(dá)1000 條歷史故障，長期保存，直到用指令刪除。

　?。?） 采用 RS485 總線通訊技術(shù)，可以利用總線與主機(jī)構(gòu)成主從式監(jiān)控系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)用戶連網(wǎng)， 在一臺電腦上可對1～250 臺智能探測器在線遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)檢查各用戶安全用電情況， 隨時(shí)接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路。

　?。?） 有預(yù)報(bào)警功能，當(dāng)接近動作參數(shù)時(shí)提前報(bào)警、超標(biāo)報(bào)警脫扣的人性化智能控制策略，以超前主動防護(hù)模式， 采用智能化控制結(jié)構(gòu)， 對電力運(yùn)行線路安全狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和控制，并能夠遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)指定節(jié)點(diǎn)的斷路器脫扣。

　?。?） 可與感溫探頭、感煙探頭、可燃?xì)怏w探測器等連接， 與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)中心聯(lián)動， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切斷負(fù)載電源，并有DC12V 信號反饋給報(bào)警中心觸發(fā)報(bào)警。

　　3.2 整體硬件設(shè)計(jì)

　　剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器主要由電源、單片機(jī)PIC24FJ96、三相交流電電壓電流檢測電路、剩余電流檢測電路、RS485 通信模塊、報(bào)警器及按鍵和顯示等幾部分構(gòu)成的， 如圖2 所示。

　　圖2 探測器框圖。

　　其主要工作原理：把從電流互感器和線性光隔器取得的三相電流、漏電及電壓信號進(jìn)行調(diào)理后，輸入到單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換， 單片機(jī)對其進(jìn)行采樣后進(jìn)行分析， 輸出相應(yīng)的顯示及報(bào)警信號等。其分析的結(jié)果也可以通過RS485 總線傳送到上位機(jī)。

　　3.2.1 單片機(jī)電路

　　單片機(jī)選用PIC24FJ96，它是由Microchip 公司設(shè)計(jì)的一款改進(jìn)型哈佛架構(gòu)的高性能CPU， 是探測器的核心， 它完成探測器的各種控制功能， 包括三相電壓、三相電流和漏電電流的采樣、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出、與上位機(jī)通信、液晶顯示及按鍵等功能。

　　3.2.2 剩余電流檢測電路

　　剩余電流檢測電路是一個零序電流互感器。被保護(hù)的相線、中性線穿過環(huán)形鐵心， 構(gòu)成了互感器的一次線圈， 纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈， 如果沒有漏電發(fā)生， 這時(shí)流過相線、中性線的電流向量和等于零， 因此在二次線圈上也不能產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。如果發(fā)生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等于零， 就使二次線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個信號就會被送到中間環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的處理， 如圖3 所示。

　　圖3 剩余電流檢測電路。

　　處理后的信號送入到單片機(jī)中，單片機(jī)每個周期采樣20 個點(diǎn)，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出剩余電流的有效值。

　　其中X 為采樣值。

　　3.2.3 三相電壓電流檢測

　　電壓檢測由線性光隔器、運(yùn)算放大器和整流濾波電路路組成。由于探測器對電壓的精度要求不高，采用光隔器可以大大減小系統(tǒng)的體積。

　　電流檢測由三相交流互感器、運(yùn)算放大器和整流濾波電路組成。其中三相交流互感器把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路調(diào)理后整流濾波輸入到單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　3.2.4 RS485 總線硬件電路

　　圖4 RS485 總線硬件電路。探測器與上位機(jī)采用RS485 總線通信，一臺主機(jī)可以控制多達(dá)250 臺探測器，RS485 通信系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，從機(jī)不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。

　　因此在一個通訊系統(tǒng)中， 只用一臺上位機(jī)作為主機(jī)， 其它各臺從機(jī)之間不能通信，即使有信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。與上位機(jī)通信硬件電路如圖4 所示。

　　圖4 RS485 總線硬件電路。

　　4　探測器的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件完成整個探測器的功能，采用模塊化結(jié)構(gòu)化的C 語言程序設(shè)計(jì)方案，C 語言具有生成代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高， 可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。軟件部分包括電壓、電流及漏電采樣、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出、按鍵輸入及液晶顯示等。軟件的系統(tǒng)框圖如圖5 ：

　　圖5 軟件系統(tǒng)框圖。

　　剩余電流探測報(bào)警判定是軟件設(shè)計(jì)中較重要的部分，它通過對A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較、判斷，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序。如果檢測到的剩余電流值小于設(shè)定值但是大于0.8 倍的設(shè)定值時(shí)，探測器則以聲光報(bào)警的形式提醒值班人員。如果剩余電流大于設(shè)定值時(shí)，為防止干擾， 探測器對剩余電流連續(xù)檢測， 超過設(shè)定時(shí)間后跳閘。

　　與上位機(jī)之間采用Modbus 通信協(xié)議，Modbus 通信協(xié)議是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通信協(xié)議之一。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送通信命令至探測時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通信命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC 校驗(yàn)無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返送給主機(jī)。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執(zhí)行后的數(shù)據(jù)以及CRC 校驗(yàn)碼。如果CRC 校驗(yàn)出錯， 就不返回任何信息。

　　5 結(jié)束語

　　采用單片機(jī)進(jìn)行剩余電流式電氣火災(zāi)探測器的智能化設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器功能的組合化和智能化， 并能夠通過總線通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)斷路器控制的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。經(jīng)過實(shí)際工作的測試，本文中的剩余電流式電氣火災(zāi)探測器達(dá)到預(yù)期的目的并通過國家消防電子質(zhì)量檢驗(yàn)了鑒定。