基于ZigBee技術的配電柜火災監控系統設計

言娟

摘 要：電氣火災是引發火災的首要原因，配電柜是建筑物中重要的配電設備，其能否安全運行直接影響正常生產與生活。文中設計一種基于ZigBee的配電柜電氣火災監測系統，通過對真空斷路器溫度及線路中剩余電流的監測判斷配電柜的異常。該系統具有運行穩定、成本低廉、適用面廣等優點，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：電氣火災;配電柜;ZigBee;斷路器;溫度監測;剩余電流

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

配電柜是建筑物中重要的配電設備之一。配電柜安全、穩定的運行直接關系到正常的生產與日常生活。據統計，配電柜運行過程中的主要安全隱患是電氣火災。據公安部消防局統計，電氣火災是引發火災的首因，2017年1～10月份，因電氣引發的火災共有7.4萬起，造成370人死亡，226人受傷，直接財產損失達11.2億元。這些電氣火災大多由配電柜或配電柜外供線路引起。

電氣火災具有某些特殊性，其主要機理為：故障的局部部分長時間受熱，導致絕緣進一步減少，最終導致線路短路并引起火災;線路中的電流瞬間增大，積聚熱量，溫度升高而發生火災。

從上述原理可以看出，檢測溫度與剩余電流可預警電氣火災的發生。因此，設計一種基于ZigBee技術的配電柜電氣火災監控系統具有重要意義。

ZigBee技術主要適用于各種短距離設備之間的通信，可工作在2.4 GHz（全球流行）、915 MHz（美國流行）和

868 MHz（歐洲流行）三個頻段上，分別具有最高250 Kbit/s、

40 Kbit/s和20 Kbit/s的傳輸速率，其傳輸距離為10～75 m，可繼續增加。作為一種無線通信技術，ZigBee的技術優勢包括低功耗、低成本、高可靠性、大容量、小延遲、良好的安全性與兼容性等。同時，ZigBee網絡具有自適應網絡功能，可滿足不同環境下的組網需求。因此，應用ZigBee技術對配電柜內的溫度及剩余電流進行實時監測系統設計是可行的。

1 系統的總體設計

1.1 基本功能

監控系統的基本功能為：

（1）可準確監控配電柜的內部溫度，保護電路中的剩余電流值;

（2）可在短時間內將真空斷路器的實時溫度與剩余電流值連續發送到配電柜的電氣火災監控系統;

（3）能自動識別出異常數據，以警示值班人員;

（4）能在一段時間內形成真空斷路器溫度變化曲線、剩余電流值。

當配電柜內電路的剩余電流或真空斷路器溫度值超過系統設置的閾值時，該檢測系統發出警報以保護用電安全。

1.2 總體方案

基于ZigBee技術的配電柜電氣火災監測系統主要由配電柜內溫度采集與處理部分、剩余電流采集與處理部分、數據通信部分和配電柜監測系統組成。溫度檢測系統包括多個溫度傳感器節點。線路剩余電流檢測系統包括具有異常報警功能的多節點ZigBee無線通信系統與電氣火災監控系統。配電柜真空斷路器旁的溫度傳感器收集真空斷路器的溫度，線路中的電流由安裝在線路上的剩余電流傳感器監控。數據采用多傳感器數據融合技術進行處理，監測數據通過多節點ZigBee無線通信技術上傳到配電柜電氣火災監控系統。配電柜監測系統對數據進行收集、處理并判斷，根據來源對異常數據報警?？傮w設計圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊負責獲取配電柜內真空斷路器的溫度數據并保證數據正確性。傳統電路控制方法是在配電柜中安裝真空斷路器。真空斷路器由于其滅弧介質與滅弧后接觸間隙的絕緣介質而以高電弧命名，具有體積小、重量輕、適合頻繁操作、無電弧放電、無需大修等優點，且具有過載、短路與欠壓保護功能，以及保護線路與電源的功能，廣泛應用于電網系統。

當線路中的真空斷路器出現絕緣老化與局部放電等故障時，斷路器的內部溫度會發生異常。通過溫度檢測可實現對故障的預判，確保電力系統安全穩定運行。

2.2 真空斷路器溫度場模擬

真空滅弧室電弧室主要由殼體、觸頭、波紋管與護罩組成。在滅弧過程中，操作機構控制動態與靜態觸點電分離，真空電弧在觸點之間燃燒。當電流歸零時，電弧熄滅，產生大量的熱量，并且斷路器每個區域的溫度分布不同。該軟件可應用于模擬溫度場并建立電弧室結構的簡化模型。通過對模型材料、電動勢、電流等的設定，可求解得出斷路器各區域溫度分布情況。斷路器溫度場模擬圖如圖2所示。從模擬圖中可以看出，移動與靜止觸點的周圍易于發熱，并且溫度趨于從接觸到外殼減小。因此，將溫度傳感器放置在靠近觸點的絕緣殼體附近可真實地反映斷路器的溫度變化。

2.3 剩余電流探測器

傳統電路保護產品（如過電流過載保護裝置）可防止電線之間金屬短路故障引起的火災及長期過載加熱或接地電弧短路故障，但基本屬于被動預防。特別是對于金屬端子短路、過載故障或接地電弧故障引起的線路端子溫度上升、線路緩慢增加或漏電流緩慢增加，不能起到較好的效果。由于傳統電路保護產品在某些參數下運行，因此無法及早預防。若故障電流未達到保護開關的設置，則保護開關將不工作，而在線路中安裝剩余電流檢測器可解決此類問題。

剩余電流檢測器安裝在低壓配電系統中，可用于檢測TN-C-S，TN-S及本地TT系統中剩余電流電氣火災產生的電氣參數。當受保護線路中的當前參數超過警報設定值時，可發送信號以消除由剩余電流引起的電氣火災危險。剩余電流檢測器的安裝接線如圖3所示。

剩余電流的處理是整個監測系統中最重要的部分。剩余電流的準確性與可靠性直接影響對系統的判斷，目前通用的做法是將數據由剩余電流檢測器測試。由于配電柜內線路復雜，通信容易受到干擾，探測器失效的可能性較高，探測器自身質量以及實際應用中一些不可避免的因素都會導致探測出現較大誤差，因此可通過建立基于自適應的加權算法降低誤差，提高準確性。

以各剩余電流探測器某一時刻測量值為前提條件，運算得到總均方誤差最小的測量值（且總均方誤差小于單個探測器的均方誤差），可在一定程度上提高數據精度。設各傳感器的測量值為A1，A2，…，An，每個探測器的加權因子為W1，W2，…，Wn，估計真值為X，組合均值和加權因子滿足：

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee無線網絡

ZigBee無線網絡基于IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議。ZigBee網絡中定義了全功能設備（FFD）與精簡功能設備（RFD）。FFD既可作為終端節點也可作為網絡協調器使用;RFD只能作為具有單個FFD的終端節點進行通信。ZigBee具有強大的網絡功能，包括星型、網狀與集群拓撲。本文利用ZigBee網絡構建星型網絡，其結構如圖4所示。

網絡終端節點通過串口和信號讀取器與CC2530通信，收集斷路器的溫度數據及線路中剩余的電路數據，并與ZigBee協調員溝通以完成信息傳輸。

ZigBee協調器負責建立通信網絡，上電后執行信道掃描，選擇適當的信道，設置協調器短地址并選擇PAN ID以構建新網絡。初始化網絡后，等待其他節點加入網絡。

3.2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機顯示界面與網關軟件。網關軟件主要由主程序和ZigBee協調器子程序組成。引導完成后，ZigBee協調器負責無線通信網絡構建與新終端節點訪問，并將接收到的斷路器溫度信息與剩余電流信息發送到監控平臺，實現對配電柜內溫度與剩余電流遠程監控與集中管理的目的。斷路器溫度傳感器或剩余電流傳感器收集配電柜中的過電流或熱量等異常狀態，通過與預設的報警閾值進行比較，當剩余電流與溫度超過設定值時報警，同時系統自動脫扣斷電，避免電氣線路出現過流、發熱等故障。軟件流程如圖5所示。

4 實驗通電運行

配電柜的電氣火災監測系統安裝完成后，配電柜內真空斷路器的溫度變化曲線如圖6所示。

配電柜線路與電氣設備中存在正常的剩余電路，整個配電系統中固有的剩余電流值不固定，其與配電系統中的電氣設備數量、線路運行時間、實時濕度等相關。實際測量后，固有剩余電流值與線路長度及接入系統中電氣設備的數量有關。系統需將所測得電流值減去固定電流值，并將結果與系統設定的閾值進行比較，判斷剩余電流值是否異常。測得的220 V線路固有電流見表1所列。

5 結 語

本文設計了一種基于ZigBee技術的配電柜電氣火災監控系統，通過比較測量溫度及剩余電流值與設定的閾值，可在超過設定值時提示工人并報警。該系統操作簡單、穩定，成本低，具有一定的推廣價值。

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