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

1、    智能型剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的設(shè)計(jì)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte1 引言近年來(lái)， 全國(guó)火災(zāi)事故呈上升趨勢(shì)， 而在火災(zāi)事故中， 電氣火災(zāi)的比例

2、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(guó)家有關(guān)部門(mén)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(cè)器，它既可以單獨(dú)使用，也可以通過(guò)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(cè)器的設(shè)計(jì)依據(jù)2.1 探測(cè)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-

3、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(cè)方法和剩余電流動(dòng)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(jiǎn)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(cè)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(cè)參數(shù)超過(guò)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(hào)、控制信號(hào)并能指示報(bào)警部位。電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備能接受來(lái)自電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)， 發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)， 指示報(bào)警部位， 記錄并保存報(bào)警信

4、息。剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器可以探測(cè)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(lèi)：一是獨(dú)立式探測(cè)器（具有監(jiān)控報(bào)警功能的探測(cè)器），二是非獨(dú)立式探測(cè)器。本文設(shè)計(jì)了一智能型獨(dú)立式探測(cè)器。2.3 剩余電流產(chǎn)生的原因正常情況下，電路中沒(méi)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

5、+In0 ，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IL0 。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(cè)器的必要性電氣接地故障中電弧性對(duì)地短路是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因。電弧性對(duì)地短路具有很大的阻抗和電壓降， 它限制了故障電流， 使過(guò)電流保護(hù)器不能動(dòng)作或不能及時(shí)動(dòng)作來(lái)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?chē)目扇嘉锒鸹馂?zāi)。況且， 用電設(shè)備分布在建筑物的各個(gè)角落， 危害范圍廣， 如不對(duì)系統(tǒng)的漏電進(jìn)行監(jiān)測(cè)和防控， 就會(huì)對(duì)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(cè)器能準(zhǔn)確監(jiān)控電氣線路的

6、故障和異常狀態(tài)，能有效預(yù)防常見(jiàn)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(cè)器十分必要。3 探測(cè)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(cè)器集剩余電流、短路、過(guò)載、過(guò)壓和欠壓（缺相）等電氣故障的監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警及控制于一體。主要具有以下功能：（1） 具有漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)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(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的整定值及預(yù)警值。另外還具有過(guò)欠壓報(bào)警功能、缺相報(bào)警功能。（2） 顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類(lèi)型、故

7、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(zhǎng)期保存，直到用指令刪除。（3） 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(tái)電腦上可對(duì)1250 臺(tái)智能探測(cè)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。（4） 有預(yù)報(bào)警功能，當(dāng)接近動(dòng)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(dòng)防護(hù)模式， 采用智能化控制結(jié)構(gòu)， 對(duì)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。（5） 可與感溫探頭、感煙探頭、可燃?xì)怏w探測(cè)器等連接， 與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中心聯(lián)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切

8、斷負(fù)載電源，并有DC12V 信號(hào)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(cè)器主要由電源、單片機(jī)PIC24FJ96、三相交流電電壓電流檢測(cè)電路、剩余電流檢測(cè)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(cè)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(hào)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(duì)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(hào)等。其分析的結(jié)果也可以通過(guò)RS485 總線傳送到上位機(jī)。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CP

9、U， 是探測(cè)器的核心， 它完成探測(cè)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。剩余電流檢測(cè)電路是一個(gè)零序電流互感器。被保護(hù)的相線、中性線穿過(guò)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(méi)有漏電發(fā)生， 這時(shí)流過(guò)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(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)，這個(gè)信號(hào)就會(huì)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(cè)電路。處理后的信號(hào)送入到單片機(jī)中，單

10、片機(jī)每個(gè)周期采樣20 個(gè)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。電壓檢測(cè)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(cè)器對(duì)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(cè)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(hào)，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。圖4 RS485 總線硬件電路。探測(cè)器與上位機(jī)采用RS485 總線通信，一臺(tái)主機(jī)可以控制多達(dá)250 臺(tái)探測(cè)器，RS485 通信系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。因此在一個(gè)通訊系統(tǒng)中， 只用一臺(tái)上

11、位機(jī)作為主機(jī)， 其它各臺(tái)從機(jī)之間不能通信，即使有信息交換也必須通過(guò)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(cè)器的軟件設(shè)計(jì)軟件完成整個(gè)探測(cè)器的功能，采用模塊化結(jié)構(gòu)化的C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方案，C 語(yǔ)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(cè)報(bào)警判定是軟件設(shè)計(jì)中較重要的部分，它通過(guò)對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)器對(duì)剩余電流連續(xù)檢測(cè)， 超過(guò)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(guó)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(cè)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(wú)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