摘 要： 闡述了剩余電流檢測的基本原理及剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理。在工業(yè)現(xiàn)場24 V恒流源下，設(shè)計了具有檢測剩余電流和過流保護(hù)功能的4路剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。實際運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠通過上位機(jī)及時可靠地為維護(hù)工程師提供準(zhǔn)確的信息，具有檢測結(jié)果精確、響應(yīng)迅速、操作方便等特點。
關(guān)鍵詞： 剩余電流； 電氣火災(zāi)； 探測器； 監(jiān)控系統(tǒng)
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)用電以及人們?nèi)粘Ｉ钣秒娙找嬖龆啵谠旄Ｈ祟惖耐瑫r，電氣火災(zāi)卻給國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和公民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的危害。通過電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可以在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患，及時報警并且進(jìn)行保護(hù)。本設(shè)計探測器終端采用飛思卡爾公司MC9S08AW60芯片。飛思卡爾半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，為汽車、消費、工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)和無線市場設(shè)計并制造嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品。其中MC9S08AW60是低成本、高性能8位微處理器S08家族中的成員，內(nèi)部自帶10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器。上位機(jī)采用PC機(jī)與LabVIEW軟件組成輔助監(jiān)控人機(jī)界面。
1 電氣火災(zāi)產(chǎn)生原因分析
電氣火災(zāi)的誘因很多，其中接地電弧性短路是最危險且多發(fā)的電氣火災(zāi)隱患。電弧性短路由于故障點接觸不良，未被熔融而迸發(fā)出電弧或電火花。發(fā)生電弧性短路的故障點阻抗較大，它的短路電流并不大，斷路器難以動作，從而使電弧持續(xù)存在。據(jù)測，僅略大于0.5 A的電流產(chǎn)生的電弧溫度即可高達(dá)2 000℃~3 000℃，足以引燃任何可燃物，而且電弧的維持電壓低至20 V時仍可使電弧連續(xù)穩(wěn)定存在。這種短路電弧常成為電氣火災(zāi)的點火源。通過剩余電流檢測，能實現(xiàn)此類電氣火災(zāi)的及時預(yù)警，克服斷路器難以動作的缺點[1]。
2 系統(tǒng)的要求、組成和工作原理
漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)在我國國家規(guī)范中的應(yīng)用早有規(guī)定,如GB50054-95《低壓配電設(shè)計規(guī)范》、GB50016-2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》等。
2.1 主要技術(shù)性能和指標(biāo)
(1) 剩余電流探測器集實時監(jiān)測、指示燈報警、過流保護(hù)等多功能于一體。
(2)可編程報警設(shè)置, 剩余電流報警值可以設(shè)置在50 mA~1 000 mA之間,也可以設(shè)置關(guān)閉報警,動作時間可以設(shè)置在0.1 s~60 s。
(3)利用RS-485總線構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),設(shè)備簡單, 價格低廉, 可進(jìn)行較長距離的通信。
2.2 系統(tǒng)的組成
HCT210-LF型電流互感器與MC9S08AW60組成剩余電流探測器終端；PC機(jī)與LabVIEW軟件組成輔助監(jiān)控人機(jī)界面。通過RS-485總線將下位機(jī)與上位機(jī)二者進(jìn)行連接，形成剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。
2.3 系統(tǒng)的工作原理
電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，檢測用到的主要部件為零序電流互感器，其工作原理是基于基爾霍夫電流定律。將A、B、C三相及N 4線穿過零序互感器，在線路與電氣設(shè)備正常的情況下，各相電流的矢量和等于零，即:
IA+IB+IC=IO=0 (1)
當(dāng)發(fā)生接地或其他故障時，各相電流的矢量和不為零，故障電流使零序電流互感器的環(huán)形鐵芯中產(chǎn)生磁通，零序電流互感器的二次側(cè)有電流輸出，通過檢測輸出電流的大小來控制脫扣裝置，切換供電網(wǎng)絡(luò)，防止電氣火災(zāi)的發(fā)生，以達(dá)到監(jiān)測保護(hù)的目的[2]。
3 剩余電流探測器終端的設(shè)計
3.1 傳感器的選擇
互感器的功能主要是隔開高電壓系統(tǒng)，將高電壓或大電流按比例變換成小電壓或者小電流，實現(xiàn)測量儀表、保護(hù)設(shè)備及自動控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化。本系統(tǒng)選用的是HCT210-LF型零序電流互感器，其輸入輸出變比為2 000:1，精度為0.5%，線性度為0.5%，且隔離耐壓為3 000 Vac。
3.2 信號處理電路的設(shè)計
電流互感器輸出為最大值不到0.5 mA的微小交流信號，MC9S08AW60進(jìn)行電壓采樣處理，因此在輸出端加一個負(fù)載電阻，同時疊加一個偏置電壓。從實際效果和成本控制方面考慮，電路采用先放大微小信號后加偏置電壓的加法器法，電路如圖3所示。放大倍數(shù)設(shè)為20時實驗測得效果最佳，既不會因放大倍數(shù)過大產(chǎn)生高出芯片的最大AD采樣值，也不會因交流信號出現(xiàn)芯片不能處理的負(fù)電壓值。
3.3 電源電路的設(shè)計
電源電路實現(xiàn)24 V轉(zhuǎn)5 V的DC/DC轉(zhuǎn)換功能,電路圖如圖4所示。電源電路設(shè)計采用2級轉(zhuǎn)換電路。開關(guān)穩(wěn)壓芯片優(yōu)點是轉(zhuǎn)化效率高、不易發(fā)熱，缺點是紋波大。線性穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)化效率低，但是紋波較小。本設(shè)計采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596生成第一級的12 V電壓再接線性穩(wěn)壓芯片LM2940的級聯(lián)方式，在散熱最低情況下得到5 V直流穩(wěn)壓電源。
3.4 其他模塊
繼電器控制電路選用常閉繼電器，當(dāng)MC9S08AW60測得剩余電流超過設(shè)定閾值，繼電器斷開來切換供電網(wǎng)絡(luò)。LED報警燈正常工作時處于熄滅狀態(tài)，在芯片檢測到超過所設(shè)閾值的剩余電流時處于發(fā)光狀態(tài)以示報警。為了區(qū)分不同的下位機(jī)，采用了8位撥碼開關(guān)對探測頭進(jìn)行地址編號。RS-485總線的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mb/s，最大的通信距離約為1 219 m。利用RS-485總線構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng), 具有設(shè)備簡單、價格低廉、能進(jìn)行長距離的通信等優(yōu)點[3]。
4 算法描述
第1步,對微處理器所采集到的瞬時電壓值進(jìn)行中值濾波處理，確保采樣數(shù)據(jù)的有效性。第2步,將中值濾波的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均濾波處理，達(dá)到抑制隨機(jī)干擾的效果。在算數(shù)平均濾波中,連續(xù)采樣次數(shù)N是不能任意加的,必須滿足主采樣周期遠(yuǎn)大于子采樣周期的條件[4]。第3步,將兩次濾波后的電壓值經(jīng)過一系列運算還原為電路上的剩余電流的大小。參考圖3，設(shè)兩次濾波處理后的電壓值為V1,R3左側(cè)電壓值為V2，互感器采集的電流值為I1，被測電路上剩余電流瞬時值為I2，若干個I2隨時間變化形成的連續(xù)電流大小函數(shù)為i(t)，由加法器基準(zhǔn)電壓為2.5 V，放大倍數(shù)為20，可得：
5 上位機(jī)設(shè)計
上位機(jī)實現(xiàn)了微機(jī)遠(yuǎn)程循環(huán)監(jiān)控和日常管理,具有設(shè)置靈活、界面友好、操作簡單等特點。本設(shè)計可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)報警閾值，顯示多路通道信息，在其中一路或多路超過設(shè)定報警閾值時發(fā)出光電和聲音警報，迅速切斷電路連接并告知相關(guān)人員，同時能通過曲線圖展示一段時間內(nèi)的線路剩余電流變化。監(jiān)控界面和剩余電流曲線波形分別如圖5、圖6所示，從圖中可看出上位機(jī)界面簡潔明朗，第1、2、4路檢測正常，第3路檢測剩余電流超出安全閾值，處于報警狀態(tài)，其對應(yīng)編碼繼電器于第一時間切斷外部電路，完成保護(hù)動作。
MC9S08AW60終端探測器可以實時監(jiān)測配電系統(tǒng)剩余電流，通過RS-485總線組建總線型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時可靠地為工廠運行維護(hù)工程師提供準(zhǔn)確信息，避免因剩余電流過大而產(chǎn)生的電氣火災(zāi)的發(fā)生。隨著剩余電流檢測技術(shù)的逐漸成熟，將會有越來越多的實際產(chǎn)品運用到實際工程中，為預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生發(fā)揮作用。
參考文獻(xiàn)
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[3] 胡雪彥. 總線型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用[C].電氣防火學(xué)術(shù)會議論文集,2008.
[4] 周航慈.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的常用算法[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.