1 引言

　　近年來， 全國火災事故呈上升趨勢， 而在火災事故中， 電氣火災的比例居高不下， 占火災年均發生次數的27%，損失占火災損失的52%，每年火災造成的人員傷亡和財產損失巨大，預防和有效遏制電氣火災的任務已經迫在眉睫。國家有關部門相繼制訂或修改了有關標準規范，要求在建筑中設置電氣火災監控報警系統。本文根據電氣火災監控系統的新標準（GB14827-2005），設計了一智能型剩余電流式電氣火災監控探測器，它既可以單獨使用，也可以通過RS485 總線與電氣火災監控設備聯網， 構成一套完整的電氣火災監控系統。

　　2 電氣火災監控探測器的設計依據

　　2.1 探測器相關標準

　　設計的裝置應符合《電氣火災監控系統》（GB 14287-2005）、《剩余電流式電氣火災監控警裝置》（GB14287.2-2005）、《設計建筑防火規范》（GB 50096-2006）、《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045-2005）、《建筑電氣火災預防要求和檢測方法》和《剩余電流動作保護裝置的安裝和運行》（GB13955-2005）等標準。

　　2.2 電氣火災監控系統的簡介

　　電氣火災監控系統是由電氣火災監控設備和電氣火災監控探測器組成，系統應當滿足《電氣火災監控系統》（GB 14287-2005）的要求。當被保護的線路中的被探測參數超過報警設定值時，電氣火災監控系統能發出報警信號、控制信號并能指示報警部位。

　　電氣火災監控設備能接受來自電氣火災監控探測器的報警信號， 發出聲、光報警信號和控制信號， 指示報警部位， 記錄并保存報警信息。

　　剩余電流式電氣火災監控探測器可以探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數的變化，按工作方式可以分兩類：一是獨立式探測器（具有監控報警功能的探測器），二是非獨立式探測器。本文設計了一智能型獨立式探測器。

　　2.3 剩余電流產生的原因

　　正常情況下，電路中沒有發生設備漏電或接地故障時，如圖1 所示，根據電路原理可知， 三相四線電源的電流相量和等于零，即Ia+Ib+Ic+In=0 ，在電流互感器中產生磁通的矢量和等于零。此時，二次線圈中感應電流IL=0，因此線路正常供電。當電路中發生設備漏電或故障接地時， 例如出現故障漏電電流Z I ， 則三相四線電源的電流相量和將不等于零，即Ia+Ib+Ic+In≠0 ，在電流互感器中產生磁通的矢量和也不等于零， 此時，二次線圈中有感應電流，即剩余電流IL≠0 。

　　圖1 剩余電流互感器工作原理。

　　2.4 設置電氣火災探測器的必要性

　　電氣接地故障中電弧性對地短路是引發電氣火災的重要原因。電弧性對地短路具有很大的阻抗和電壓降， 它限制了故障電流， 使過電流保護器不能動作或不能及時動作來切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產生的局部高溫可達2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物而引起火災。況且， 用電設備分布在建筑物的各個角落， 危害范圍廣， 如不對系統的漏電進行監測和防控， 就會對人身和財產安全構成威脅，存在很大的火災隱患。剩余電流式電氣火災監控探測器能準確監控電氣線路的故障和異常狀態，能有效預防常見的因漏電導致接地電弧所引起的建筑物電氣火災事故。為了保證人民生命財產安全，在建筑物的電源進線處及干線上安裝剩余電流式電氣火災監控探測器十分必要。

　　3 探測器的設計

　　3.1 系統基本功能

　　智能型剩余電流式電氣火災監控探測器集剩余電流、短路、過載、過壓和欠壓（缺相）等電氣故障的監測、分析、報警及控制于一體。主要具有以下功能：

　　（1） 具有漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和短路瞬時保護功能，組成所需的保護特性。智能設定漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和過電流瞬時的整定值及預警值。另外還具有過欠壓報警功能、缺相報警功能。

　　（2） 顯示并儲存故障發生點的線路地址、故障類型、故障發生時間和漏電電流、三相電流值。可記錄多達1000 條歷史故障，長期保存，直到用指令刪除。

　　（3） 采用 RS485 總線通訊技術，可以利用總線與主機構成主從式監控系統， 實現用戶連網， 在一臺電腦上可對1～250 臺智能探測器在線遠程監控，隨時檢查各用戶安全用電情況， 隨時接通或分斷各用戶供電線路。

　　（4） 有預報警功能，當接近動作參數時提前報警、超標報警脫扣的人性化智能控制策略，以超前主動防護模式， 采用智能化控制結構， 對電力運行線路安全狀況進行數據記錄和控制，并能夠遠程實現指定節點的斷路器脫扣。

　　（5） 可與感溫探頭、感煙探頭、可燃氣體探測器等連接， 與火災自動報警系統中心聯動， 實現遠程切斷負載電源，并有DC12V 信號反饋給報警中心觸發報警。

　　3.2 整體硬件設計

　　剩余電流式電氣火災監控探測器主要由電源、單片機PIC24FJ96、三相交流電電壓電流檢測電路、剩余電流檢測電路、RS485 通信模塊、報警器及按鍵和顯示等幾部分構成的， 如圖2 所示。

　　圖2 探測器框圖。

　　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、漏電及電壓信號進行調理后，輸入到單片機的A/D 轉換， 單片機對其進行采樣后進行分析， 輸出相應的顯示及報警信號等。其分析的結果也可以通過RS485 總線傳送到上位機。

　　3.2.1 單片機電路

　　單片機選用PIC24FJ96，它是由Microchip 公司設計的一款改進型哈佛架構的高性能CPU， 是探測器的核心， 它完成探測器的各種控制功能， 包括三相電壓、三相電流和漏電電流的采樣、數據處理、報警輸出、與上位機通信、液晶顯示及按鍵等功能。

　　3.2.2 剩余電流檢測電路

　　剩余電流檢測電路是一個零序電流互感器。被保護的相線、中性線穿過環形鐵心， 構成了互感器的一次線圈， 纏繞在環形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線圈， 如果沒有漏電發生， 這時流過相線、中性線的電流向量和等于零， 因此在二次線圈上也不能產生相應的感應電動勢。如果發生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等于零， 就使二次線圈上產生感應電動勢，這個信號就會被送到中間環節進行進一步的處理， 如圖3 所示。

　　圖3 剩余電流檢測電路。

　　處理后的信號送入到單片機中，單片機每個周期采樣20 個點，根據式（1）可以計算出剩余電流的有效值。

　　其中X 為采樣值。

　　3.2.3 三相電壓電流檢測

　　電壓檢測由線性光隔器、運算放大器和整流濾波電路路組成。由于探測器對電壓的精度要求不高，采用光隔器可以大大減小系統的體積。

　　電流檢測由三相交流互感器、運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換為電壓信號，經運算放大器構成的電路調理后整流濾波輸入到單片機的A/D 轉換器進行轉換。

3.2.4 RS485 總線硬件電路

　　圖4 RS485 總線硬件電路。探測器與上位機采用RS485 總線通信，一臺主機可以控制多達250 臺探測器，RS485 通信系統采用主從式結構，從機不主動發送命令或數據，一切都由主機控制。

　　因此在一個通訊系統中， 只用一臺上位機作為主機， 其它各臺從機之間不能通信，即使有信息交換也必須通過主機轉發。與上位機通信硬件電路如圖4 所示。

　　圖4 RS485 總線硬件電路。

　　4　探測器的軟件設計

　　軟件完成整個探測器的功能，采用模塊化結構化的C 語言程序設計方案，C 語言具有生成代碼質量高，程序執行效率高， 可移植性好等優點。軟件部分包括電壓、電流及漏電采樣、數據處理、報警輸出、按鍵輸入及液晶顯示等。軟件的系統框圖如圖5 ：

　　圖5 軟件系統框圖。

　　剩余電流探測報警判定是軟件設計中較重要的部分，它通過對A/D 轉換后的數據進行分析、比較、判斷，并轉入相應的子程序。如果檢測到的剩余電流值小于設定值但是大于0.8 倍的設定值時，探測器則以聲光報警的形式提醒值班人員。如果剩余電流大于設定值時，為防止干擾， 探測器對剩余電流連續檢測， 超過設定時間后跳閘。

　　與上位機之間采用Modbus 通信協議，Modbus 通信協議是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通信協議之一。當上位機發送通信命令至探測時，符合相應地址碼的從機接收通信命令，并根據功能碼及相關要求讀取信息。如果CRC 校驗無誤，則執行相應的任務，然后把執行結果返送給主機。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執行后的數據以及CRC 校驗碼。如果CRC 校驗出錯， 就不返回任何信息。

　　5 結束語

　　采用單片機進行剩余電流式電氣火災探測器的智能化設計， 實現傳統斷路器功能的組合化和智能化， 并能夠通過總線通信技術的應用實現斷路器控制的系統化和網絡化。經過實際工作的測試，本文中的剩余電流式電氣火災探測器達到預期的目的并通過國家消防電子質量檢驗了鑒定。