葛健炎，高龍琴，李志昂，周得永

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100）

0 引言

無(wú)論是在石油、化工、煤礦，還是商場(chǎng)、居民小區(qū)之間，一旦發(fā)生接地電弧性短路而未采取有效的防護(hù)措施，或者沒(méi)有提前進(jìn)行電氣火災(zāi)報(bào)警，都會(huì)對(duì)人身安全、財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大地?fù)p害。

本文進(jìn)行了一種基于CAN 總線的檢測(cè)電流發(fā)熱量的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，區(qū)別于傳統(tǒng)的采用RS-485 進(jìn)行通信的，運(yùn)用剩余電流傳感器及溫度傳感器進(jìn)行探測(cè)的電氣火災(zāi)報(bào)警器。該電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)波形檢測(cè)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷電氣線路發(fā)熱量，通過(guò)CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及報(bào)警的速度[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電氣火災(zāi)發(fā)生前的一個(gè)重要特征是線路溫度急劇上升，而常用的溫度傳感器受工作環(huán)境、設(shè)備內(nèi)部環(huán)境影響，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性大大降低，而且當(dāng)溫度探測(cè)器探測(cè)到溫度超過(guò)限定值時(shí)，其實(shí)在產(chǎn)生剩余電流的部分的線路溫度早已超過(guò)了該值。因此，本文以電流發(fā)熱量為指標(biāo)判斷電氣火災(zāi)。

2 監(jiān)控器硬件部分

根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)將監(jiān)控器按照功能模塊劃分，監(jiān)控器硬件電路整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)中的電氣信號(hào)通過(guò)電流探測(cè)器檢測(cè)到電流，并且通過(guò)信號(hào)處理單元完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)RS-485 總線傳輸給監(jiān)控器。

圖1 監(jiān)控器硬件電路整體結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控器軟件部分

監(jiān)控器以STM32F103 為主控芯片，基于Keil 進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，在設(shè)備上電后首先對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化操作，包括鍵盤、LCD 顯示、CAN 通信等部分的初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化進(jìn)行LCD 頁(yè)面的刷新，對(duì)接收到的電流探測(cè)器處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的波形和發(fā)熱量的算法計(jì)算出電弧發(fā)熱量，與限定值進(jìn)行比較，判斷是否需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 接地電弧發(fā)熱量計(jì)算

4.1 正常情況發(fā)熱量

正常情況下，電路中的電壓和電流接近正弦波，其發(fā)熱量計(jì)算公式為：

通過(guò)式（1）很容易建立波形和發(fā)熱量的關(guān)系。

4.2 電弧仿真

電路中存在漏電或電弧故障時(shí)，其波形比較復(fù)雜，發(fā)熱量的求解也比較困難。常用來(lái)描述故障電弧的模型有Mayr 模型和Cassie 模型，公式（2）、公式（3）分別為其對(duì)應(yīng)的方程式：

其中，g為電弧電導(dǎo)，u為電弧電壓，i為電弧電流，uc為電弧電壓常量；τ為柯西時(shí)間常數(shù)，P為電弧散熱功率。

利用MATLAB Simulink 進(jìn)行仿真。通過(guò)設(shè)置DEE 可以得到不同電弧模型對(duì)應(yīng)的波形信息。取τ=2.25×10-4s，uc=50 V，電源電壓有效值為220 V，頻率為220 Hz，電阻為R=30 Ω，電弧模型為cassic 模型，得到p-t部分波形圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 p-t 波形圖

4.3 電弧發(fā)熱量

由式（1）可知，ui（p=ui）對(duì)t 積分即可得當(dāng)前狀態(tài)下電路節(jié)點(diǎn)的發(fā)熱量。由于直接積分比較困難，將其通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：

通過(guò)式（4）、式（5）即可求得任意條件下電氣線路單位周期內(nèi)的發(fā)熱量。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由圖3 可以看出通過(guò)發(fā)熱量計(jì)算和溫度檢測(cè)得到的報(bào)警情況一致，而且在相同電氣狀態(tài)下，前者比后者報(bào)警時(shí)間提前7 s 左右。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文以STM32F103 單片機(jī)為核心開(kāi)發(fā)了一種基于CAN 總線的檢測(cè)電流發(fā)熱量的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)分布在電路各節(jié)點(diǎn)的探測(cè)器獲取電氣火災(zāi)信息，利用MATLAB 電弧仿真，得到p-t 波形圖，對(duì)波形傅里葉展開(kāi)，通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了傅里葉系數(shù)和發(fā)熱量的關(guān)系，檢測(cè)出電線線路發(fā)熱量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)電氣火災(zāi)，且比溫度傳感器報(bào)警時(shí)間縮短7 s。