基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜火災監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

時間：2021-11-11 18:48:28

關(guān)鍵字：電氣火災配電柜 Zigbee 斷路器溫度監(jiān)測剩余電流

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[導讀]摘要：電氣火災是引發(fā)火災的首要原因，配電柜是建筑物中重要的配電設(shè)備，其能否安全運行直接影響正常生產(chǎn)與生活。文中設(shè)計一種基于 ZigBee 的配電柜電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，通過對真空斷路器溫度及線路中剩余電流的監(jiān)測判斷配電柜的異常。該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、成本低廉、適用面廣等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。

0 引言

配電柜是建筑物中重要的配電設(shè)備之一。配電柜安全、穩(wěn)定的運行直接關(guān)系到正常的生產(chǎn)與日常生活。據(jù)統(tǒng)計，配電柜運行過程中的主要安全隱患是電氣火災。據(jù)公安部消防局統(tǒng)計，電氣火災是引發(fā)火災的首因，2017 年 1 ～10 月份，因電氣引發(fā)的火災共有 7.4 萬起，造成 370 人死亡，226 人受傷，直接財產(chǎn)損失達 11.2 億元。這些電氣火災大多由配電柜或配電柜外供線路引起。

電氣火災具有某些特殊性，其主要機理為：故障的局部部分長時間受熱，導致絕緣進一步減少，最終導致線路短路并引起火災；線路中的電流瞬間增大，積聚熱量，溫度升高而發(fā)生火災。

從上述原理可以看出，檢測溫度與剩余電流可預警電氣火災的發(fā)生。因此，設(shè)計一種基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

ZigBee 技術(shù)主要適用于各種短距離設(shè)備之間的通信，可工作在 2.4 GHz（全球流行）、915 MHz（美國流行）和868 MHz（歐洲流行）三個頻段上，分別具有最高 250 Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s的傳輸速率，其傳輸距離為 10～75m，可繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢包括低功耗、低成本、高可靠性、大容量、小延遲、良好的安全性與兼容性等。同時，ZigBee網(wǎng)絡具有自適應網(wǎng)絡功能，可滿足不同環(huán)境下的組網(wǎng)需求。因此，應用 ZigBee技術(shù)對配電柜內(nèi)的溫度及剩余電流進行實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 基本功能

監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能為：

(1) 可準確監(jiān)控配電柜的內(nèi)部溫度，保護電路中的剩余電流值；

(2)可在短時間內(nèi)將真空斷路器的實時溫度與剩余電流值連續(xù)發(fā)送到配電柜的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng) ；

(3) 能自動識別出異常數(shù)據(jù)，以警示值班人員；

(4)能在一段時間內(nèi)形成真空斷路器溫度變化曲線、剩余電流值。

當配電柜內(nèi)電路的剩余電流或真空斷路器溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值時，該檢測系統(tǒng)發(fā)出警報以保護用電安全。

1.2 總體方案

基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)主要由配電柜內(nèi)溫度采集與處理部分、剩余電流采集與處理部分、數(shù)據(jù)通信部分和配電柜監(jiān)測系統(tǒng)組成。溫度檢測系統(tǒng)包括多個溫度傳感器節(jié)點。線路剩余電流檢測系統(tǒng)包括具有異常報警功能的多節(jié)點 ZigBee 無線通信系統(tǒng)與電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。配電柜真空斷路器旁的溫度傳感器收集真空斷路器的溫度，線路中的電流由安裝在線路上的剩余電流傳感器監(jiān)控。數(shù)據(jù)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過多節(jié)點ZigBee 無線通信技術(shù)上傳到配電柜電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。配電柜監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行收集、處理并判斷，根據(jù)來源對異常數(shù)據(jù)報警?？傮w設(shè)計圖如圖 1 所示。

圖 1 總體設(shè)計圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊負責獲取配電柜內(nèi)真空斷路器的溫度數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)正確性。傳統(tǒng)電路控制方法是在配電柜中安裝真空斷路器。真空斷路器由于其滅弧介質(zhì)與滅弧后接觸間隙的絕緣介質(zhì)而以高電弧命名，具有體積小、重量輕、適合頻繁操作、無電弧放電、無需大修等優(yōu)點，且具有過載、短路與欠壓保護功能，以及保護線路與電源的功能，廣泛應用于電網(wǎng)系統(tǒng)。

當線路中的真空斷路器出現(xiàn)絕緣老化與局部放電等故障時，斷路器的內(nèi)部溫度會發(fā)生異常。通過溫度檢測可實現(xiàn)對故障的預判，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2.2 真空斷路器溫度場模擬

真空滅弧室電弧室主要由殼體、觸頭、波紋管與護罩組成。在滅弧過程中，操作機構(gòu)控制動態(tài)與靜態(tài)觸點電分離，真空電弧在觸點之間燃燒。當電流歸零時，電弧熄滅，產(chǎn)生大量的熱量，并且斷路器每個區(qū)域的溫度分布不同。該軟件可應用于模擬溫度場并建立電弧室結(jié)構(gòu)的簡化模型。通過對模型材料、電動勢、電流等的設(shè)定，可求解得出斷路器各區(qū)域溫度分布情況。斷路器溫度場模擬圖如圖 2 所示。從模擬圖中可以看出，移動與靜止觸點的周圍易于發(fā)熱，并且溫度趨于從接觸到外殼減小。因此，將溫度傳感器放置在靠近觸點的絕緣殼體附近可真實地反映斷路器的溫度變化。