智能型剩余电流式电气火灾监控探测器的设计

1 引言

近年来， 全国火灾事故呈上升趋势， 而在火灾事故中， 电气火灾的比例居高不下， 占火灾年均发生次数的27%，损失占火灾损失的52%，每年火灾造成的人员伤亡和财产损失巨大，预防和有效遏制电气火灾的任务已经迫在眉睫。国家有关部门相继制订或修改了有关标准规范，要求在建筑中设置电气火灾监控报警系统。本文根据电气火灾监控系统的新标准（GB14827-2005），设计了一智能型剩余电流式电气火灾监控探测器，它既可以单独使用，也可以通过RS485 总线与电气火灾监控设备联网， 构成一套完整的电气火灾监控系统。

2 电气火灾监控探测器的设计依据

2.1 探测器相关标准

设计的装置应符合《电气火灾监控系统》（GB 14287-2005）、《剩余电流式电气火灾监控警装置》（GB14287.2-2005）、《设计建筑防火规范》（GB 50096-2006）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-2005）、《建筑电气火灾预防要求和检测方法》和《剩余电流动作保护装置的安装和运行》（GB13955-2005）等标准。

2.2 电气火灾监控系统的简介

电气火灾监控系统是由电气火灾监控设备和电气火灾监控探测器组成，系统应当满足《电气火灾监控系统》（GB 14287-2005）的要求。当被保护的线路中的被探测参数超过报警设定值时，电气火灾监控系统能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位。

电气火灾监控设备能接受来自电气火灾监控探测器的报警信号， 发出声、光报警信号和控制信号， 指示报警部位， 记录并保存报警信息。

剩余电流式电气火灾监控探测器可以探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数的变化，按工作方式可以分两类：一是独立式探测器（具有监控报警功能的探测器），二是非独立式探测器。本文设计了一智能型独立式探测器。

2.3 剩余电流产生的原因

正常情况下，电路中没有发生设备漏电或接地故障时，如图1 所示，根据电路原理可知， 三相四线电源的电流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0 ，在电流互感器中产生磁通的矢量和等于零。此时，二次线圈中感应电流IL=0，因此线路正常供电。当电路中发生设备漏电或故障接地时， 例如出现故障漏电电流Z I ， 则三相四线电源的电流相量和将不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0 ，在电流互感器中产生磁通的矢量和也不等于零， 此时，二次线圈中有感应电流，即剩余电流IL≠0 。


图1 剩余电流互感器工作原理。

2.4 设置电气火灾探测器的必要性

电气接地故障中电弧性对地短路是引发电气火灾的重要原因。电弧性对地短路具有很大的阻抗和电压降， 它限制了故障电流， 使过电流保护器不能动作或不能及时动作来切断电源，而几百毫安的漏电弧产生的局部高温可达2000℃以上，足以引燃周围的可燃物而引起火灾。况且， 用电设备分布在建筑物的各个角落， 危害范围广， 如不对系统的漏电进行监测和防控， 就会对人身和财产安全构成威胁，存在很大的火灾隐患。剩余电流式电气火灾监控探测器能准确监控电气线路的故障和异常状态，能有效预防常见的因漏电导致接地电弧所引起的建筑物电气火灾事故。为了保证人民生命财产安全，在建筑物的电源进线处及干线上安装剩余电流式电气火灾监控探测器十分必要。

3 探测器的设计

3.1 系统基本功能

智能型剩余电流式电气火灾监控探测器集剩余电流、短路、过载、过压和欠压（缺相）等电气故障的监测、分析、报警及控制于一体。主要具有以下功能：

（1） 具有漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和短路瞬时保护功能，组成所需的保护特性。智能设定漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和过电流瞬时的整定值及预警值。另外还具有过欠压报警功能、缺相报警功能。[page]

（2） 显示并储存故障发生点的线路地址、故障类型、故障发生时间和漏电电流、三相电流值。可记录多达1000 条历史故障，长期保存，直到用指令删除。

（3） 采用 RS485 总线通讯技术，可以利用总线与主机构成主从式监控系统， 实现用户连网， 在一台电脑上可对1～250 台智能探测器在线远程监控，随时检查各用户安全用电情况， 随时接通或分断各用户供电线路。

（4） 有预报警功能，当接近动作参数时提前报警、超标报警脱扣的人性化智能控制策略，以超前主动防护模式， 采用智能化控制结构， 对电力运行线路安全状况进行数据记录和控制，并能够远程实现指定节点的断路器脱扣。

（5） 可与感温探头、感烟探头、可燃气体探测器等连接， 与火灾自动报警系统中心联动， 实现远程切断负载电源，并有DC12V 信号反馈给报警中心触发报警。

3.2 整体硬件设计

剩余电流式电气火灾监控探测器主要由电源、单片机PIC24FJ96、三相交流电电压电流检测电路、剩余电流检测电路、RS485 通信模块、报警器及按键和显示等几部分构成的， 如图2 所示。


图2 探测器框图。

其主要工作原理：把从电流互感器和线性光隔器取得的三相电流、漏电及电压信号进行调理后，输入到单片机的A/D 转换， 单片机对其进行采样后进行分析， 输出相应的显示及报警信号等。其分析的结果也可以通过RS485 总线传送到上位机。

3.2.1 单片机电路

单片机选用PIC24FJ96，它是由Microchip 公司设计的一款改进型哈佛架构的高性能CPU， 是探测器的核心， 它完成探测器的各种控制功能， 包括三相电压、三相电流和漏电电流的采样、数据处理、报警输出、与上位机通信、液晶显示及按键等功能。

3.2.2 剩余电流检测电路

剩余电流检测电路是一个零序电流互感器。被保护的相线、中性线穿过环形铁心， 构成了互感器的一次线圈， 缠绕在环形铁芯上的绕组构成了互感器的二次线圈， 如果没有漏电发生， 这时流过相线、中性线的电流向量和等于零， 因此在二次线圈上也不能产生相应的感应电动势。如果发生了漏电，相线、中性线的电流向量和不等于零， 就使二次线圈上产生感应电动势，这个信号就会被送到中间环节进行进一步的处理， 如图3 所示。



图3 剩余电流检测电路。

处理后的信号送入到单片机中，单片机每个周期采样20 个点，根据式（1）可以计算出剩余电流的有效值。



其中X 为采样值。

3.2.3 三相电压电流检测

电压检测由线性光隔器、运算放大器和整流滤波电路路组成。由于探测器对电压的精度要求不高，采用光隔器可以大大减小系统的体积。

电流检测由三相交流互感器、运算放大器和整流滤波电路组成。其中三相交流互感器把电流转换为电压信号，经运算放大器构成的电路调理后整流滤波输入到单片机的A/D 转换器进行转换。

3.2.4 RS485 总线硬件电路

图4 RS485 总线硬件电路。探测器与上位机采用RS485 总线通信，一台主机可以控制多达250 台探测器，RS485 通信系统采用主从式结构，从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。

因此在一个通讯系统中， 只用一台上位机作为主机， 其它各台从机之间不能通信，即使有信息交换也必须通过主机转发。与上位机通信硬件电路如图4 所示。[page]



图4 RS485 总线硬件电路。

4　探测器的软件设计

软件完成整个探测器的功能，采用模块化结构化的C 语言程序设计方案，C 语言具有生成代码质量高，程序执行效率高， 可移植性好等优点。软件部分包括电压、电流及漏电采样、数据处理、报警输出、按键输入及液晶显示等。软件的系统框图如图5 ：



图5 软件系统框图。

剩余电流探测报警判定是软件设计中较重要的部分，它通过对A/D 转换后的数据进行分析、比较、判断，并转入相应的子程序。如果检测到的剩余电流值小于设定值但是大于0.8 倍的设定值时，探测器则以声光报警的形式提醒值班人员。如果剩余电流大于设定值时，为防止干扰， 探测器对剩余电流连续检测， 超过设定时间后跳闸。

与上位机之间采用Modbus 通信协议，Modbus 通信协议是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通信协议之一。当上位机发送通信命令至探测时，符合相应地址码的从机接收通信命令，并根据功能码及相关要求读取信息。如果CRC 校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC 校验码。如果CRC 校验出错， 就不返回任何信息。

5 结束语

采用单片机进行剩余电流式电气火灾探测器的智能化设计， 实现传统断路器功能的组合化和智能化， 并能够通过总线通信技术的应用实现断路器控制的系统化和网络化。经过实际工作的测试，本文中的剩余电流式电气火灾探测器达到预期的目的并通过国家消防电子质量检验了鉴定。