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監控系統的工作原理。在工業現場24 V恒流源下，設計了具有檢測剩余電流和過流保護功能的4路剩余電流式電氣火災監控系統。實際運行結果表明，該系統能夠通過上位機及時可靠地為維護工程師提供準確的信息，具有檢測結果精確、響應迅速、操作方便等特點。
關鍵詞： 剩余電流； 電氣火災； 探測器； 監控系統
隨著科學技術的高速發展，工業用電以及人們日常生活用電日益增多，在造福人類的同時，電氣火災卻給國家經濟的發展和公民生命財產安全造成嚴重的危害。通過電氣火災監控系統可以在第一時間內發現電氣火災隱患，及時報警并且進行保護。本設計探測器終端采用飛思卡爾公司MC9S08AW60芯片。飛思卡爾半導體是全球領先的半導體公司，為汽車、消費、工業、網絡和無線市場設計并制造嵌入式半導體產品。其中MC9S08AW60是低成本、高性能8位微處理器S08家族中的成員，內部自帶10位高精度A/D轉換器。上位機采用PC機與LabVIEW軟件組成輔助監控人機界面。
1 電氣火災產生原因分析
電氣火災的誘因很多，其中接地電弧性短路是最危險且多發的電氣火災隱患。電弧性短路由于故障點接觸不良，未被熔融而迸發出電弧或電火花。發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，從而使電弧持續存在。據測，僅略大于0.5 A的電流產生的電弧溫度即可高達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時仍可使電弧連續穩定存在。這種短路電弧常成為電氣火災的點火源。通過剩余電流檢測，能實現此類電氣火災的及時預警，克服斷路器難以動作的缺點[1]。
2 系統的要求、組成和工作原理
漏電火災報警系統在我國國家規范中的應用早有規定,如GB50054-95《低壓配電設計規范》、GB50016-2006《建筑設計防火規范》、GB14287-2005《電氣火災監控系統》等。
2.1 主要技術性能和指標
(1) 剩余電流探測器集實時監測、指示燈報警、過流保護等多功能于一體。
(2)可編程報警設置, 剩余電流報警值可以設置在50 mA~1 000 mA之間,也可以設置關閉報警,動作時間可以設置在0.1 s~60 s。
(3)利用RS-485總線構成的分布式數據采集和控制系統,設備簡單, 價格低廉, 可進行較長距離的通信。
2.2 系統的組成
HCT210-LF型電流互感器與MC9S08AW60組成剩余電流探測器終端；PC機與LabVIEW軟件組成輔助監控人機界面。通過RS-485總線將下位機與上位機二者進行連接，形成剩余電流式電氣火災監控系統，如圖1所示。
2.3 系統的工作原理
電氣火災監測系統的工作原理如圖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)
當發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形鐵芯中產生磁通，零序電流互感器的二次側有電流輸出，通過檢測輸出電流的大小來控制脫扣裝置，切換供電網絡，防止電氣火災的發生，以達到監測保護的目的[2]。
3 剩余電流探測器終端的設計
3.1 傳感器的選擇
互感器的功能主要是隔開高電壓系統，將高電壓或大電流按比例變換成小電壓或者小電流，實現測量儀表、保護設備及自動控制設備的標準化、小型化。本系統選用的是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進行電壓采樣處理，因此在輸出端加一個負載電阻，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。放大倍數設為20時實驗測得效果最佳，既不會因放大倍數過大產生高出芯片的最大AD采樣值，也不會因交流信號出現芯片不能處理的負電壓值。
3.3 電源電路的設計
電源電路實現24 V轉5 V的DC/DC轉換功能,電路圖如圖4所示。電源電路設計采用2級轉換電路。開關穩壓芯片優點是轉化效率高、不易發熱，缺點是紋波大。線性穩壓芯片轉化效率低，但是紋波較小。本設計采用開關穩壓芯片LM2596生成第一級的12 V電壓再接線性穩壓芯片LM2940的級聯方式，在散熱最低情況下得到5 V直流穩壓電源。
3.4 其他模塊
繼電器控制電路選用常閉繼電器，當MC9S08AW60測得剩余電流超過設定閾值，繼電器斷開來切換供電網絡。LED報警燈正常工作時處于熄滅狀態，在芯片檢測到超過所設閾值的剩余電流時處于發光狀態以示報警。為了區分不同的下位機，采用了8位撥碼開關對探測頭進行地址編號。RS-485總線的數據最高傳輸速率為10 Mb/s，最大的通信距離約為1 219 m。利用RS-485總線構成的分布式數據采集和控制系統, 具有設備簡單、價格低廉、能進行長距離的通信等優點[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行中值濾波處理，確保采樣數據的有效性。第2步,將中值濾波的數據進行算數平均濾波處理，達到抑制隨機干擾的效果。在算數平均濾波中,連續采樣次數N是不能任意加的,必須滿足主采樣周期遠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，設兩次濾波處理后的電壓值為V1,R3左側電壓值為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電流大小函數為i(t)，由加法器基準電壓為2.5 V，放大倍數為20，可得：
5 上位機設計
上位機實現了微機遠程循環監控和日常管理,具有設置靈活、界面友好、操作簡單等特點。本設計可以根據需求調節報警閾值，顯示多路通道信息，在其中一路或多路超過設定報警閾值時發出光電和聲音警報，迅速切斷電路連接并告知相關人員，同時能通過曲線圖展示一段時間內的線路剩余電流變化。監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，其對應編碼繼電器于第一時間切斷外部電路，完成保護動作。
MC9S08AW60終端探測器可以實時監測配電系統剩余電流，通過RS-485總線組建總線型剩余電流式電氣火災監控系統，能夠及時可靠地為工廠運行維護工程師提供準確信息，避免因剩余電流過大而產生的電氣火災的發生。隨著剩余電流檢測技術的逐漸成熟，將會有越來越多的實際產品運用到實際工程中，為預防電氣火災的發生發揮作用。
參考文獻
[1] 王曉明. 剩余電流式電氣火災監控系統智能算法的研究[J].建筑科學,2009,25(8):65-66.
[2] 林思和. ARCM系列電氣火災監控探測器的設計和應用[J].電工電氣,2011(2):45-58.
[3] 胡雪彥. 總線型剩余電流式電氣火災監控系統的設計應用[C].電氣防火學術會議論文集,2008.
[4] 周航慈.嵌入式系統軟件設計中的常用算法[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2010.