基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間：2021-11-11 18:48:28

關(guān)鍵字：電氣火災(zāi) 配電柜 Zigbee 斷路器溫度監(jiān)測剩余電流

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[導(dǎo)讀]摘要：電氣火災(zāi)是引發(fā)火災(zāi)的首要原因，配電柜是建筑物中重要的配電設(shè)備，其能否安全運(yùn)行直接影響正常生產(chǎn)與生活。文中設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對真空斷路器溫度及線路中剩余電流的監(jiān)測判斷配電柜的異常。該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價(jià)值。

0 引言

配電柜是建筑物中重要的配電設(shè)備之一。配電柜安全、穩(wěn)定的運(yùn)行直接關(guān)系到正常的生產(chǎn)與日常生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電柜運(yùn)行過程中的主要安全隱患是電氣火災(zāi)。據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，電氣火災(zāi)是引發(fā)火災(zāi)的首因，2017 年 1 ～10 月份，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共有 7.4 萬起，造成 370 人死亡，226 人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá) 11.2 億元。這些電氣火災(zāi)大多由配電柜或配電柜外供線路引起。

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

從上述原理可以看出，檢測溫度與剩余電流可預(yù)警電氣火災(zāi)的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

ZigBee 技術(shù)主要適用于各種短距離設(shè)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(gè)頻段上，分別具有最高 250 Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s的傳輸速率，其傳輸距離為 10～75m，可繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee的技術(shù)優(yōu)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(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能，可滿足不同環(huán)境下的組網(wǎng)需求。因此，應(yīng)用 ZigBee技術(shù)對配電柜內(nèi)的溫度及剩余電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 基本功能

監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能為：

(1) 可準(zhǔn)確監(jiān)控配電柜的內(nèi)部溫度，保護(hù)電路中的剩余電流值；

(2)可在短時(shí)間內(nèi)將真空斷路器的實(shí)時(shí)溫度與剩余電流值連續(xù)發(fā)送到配電柜的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) ；

(3) 能自動(dòng)識(shí)別出異常數(shù)據(jù)，以警示值班人員；

(4)能在一段時(shí)間內(nèi)形成真空斷路器溫度變化曲線、剩余電流值。

當(dāng)配電柜內(nèi)電路的剩余電流或真空斷路器溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，該檢測系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)以保護(hù)用電安全。

1.2 總體方案

基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要由配電柜內(nèi)溫度采集與處理部分、剩余電流采集與處理部分、數(shù)據(jù)通信部分和配電柜監(jiān)測系統(tǒng)組成。溫度檢測系統(tǒng)包括多個(gè)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)。線路剩余電流檢測系統(tǒng)包括具有異常報(bào)警功能的多節(jié)點(diǎn) ZigBee 無線通信系統(tǒng)與電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。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(jiān)控。數(shù)據(jù)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過多節(jié)點(diǎn)ZigBee 無線通信技術(shù)上傳到配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。配電柜監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理并判斷，根據(jù)來源對異常數(shù)據(jù)報(bào)警?？傮w設(shè)計(jì)圖如圖 1 所示。

圖 1 總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊負(fù)責(zé)獲取配電柜內(nèi)真空斷路器的溫度數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)正確性。傳統(tǒng)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(zhì)與滅弧后接觸間隙的絕緣介質(zhì)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(yōu)點(diǎn)，且具有過載、短路與欠壓保護(hù)功能，以及保護(hù)線路與電源的功能，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)。

當(dāng)線路中的真空斷路器出現(xiàn)絕緣老化與局部放電等故障時(shí)，斷路器的內(nèi)部溫度會(huì)發(fā)生異常。通過溫度檢測可實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)判，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(hù)罩組成。在滅弧過程中，操作機(jī)構(gòu)控制動(dòng)態(tài)與靜態(tài)觸點(diǎn)電分離，真空電弧在觸點(diǎn)之間燃燒。當(dāng)電流歸零時(shí)，電弧熄滅，產(chǎn)生大量的熱量，并且斷路器每個(gè)區(qū)域的溫度分布不同。該軟件可應(yīng)用于模擬溫度場并建立電弧室結(jié)構(gòu)的簡化模型。通過對模型材料、電動(dòng)勢、電流等的設(shè)定，可求解得出斷路器各區(qū)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(dòng)與靜止觸點(diǎn)的周圍易于發(fā)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(diǎn)的絕緣殼體附近可真實(shí)地反映斷路器的溫度變化。