基于MC9S08AW60剩余电流式电气火灾监控系统

杨 洋,汤丽娟

(1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000；2.江苏大学，江苏 镇江 212000)

随着科学技术的高速发展，工业用电以及人们日常生活用电日益增多，在造福人类的同时，电气火灾却给国家经济的发展和公民生命财产安全造成严重的危害。通过电气火灾监控系统可以在第一时间内发现电气火灾隐患，及时报警并且进行保护。本设计探测器终端采用飞思卡尔公司MC9S08AW60芯片。飞思卡尔半导体是全球领先的半导体公司，为汽车、消费、工业、网络和无线市场设计并制造嵌入式半导体产品。其中MC9S08AW60是低成本、高性能8位微处理器S08家族中的成员，内部自带10位高精度A/D转换器。上位机采用PC机与LabVIEW软件组成辅助监控人机界面。

1 电气火灾产生原因分析

电气火灾的诱因很多，其中接地电弧性短路是最危险且多发的电气火灾隐患。电弧性短路由于故障点接触不良，未被熔融而迸发出电弧或电火花。发生电弧性短路的故障点阻抗较大，它的短路电流并不大，断路器难以动作，从而使电弧持续存在。据测，仅略大于0.5 A的电流产生的电弧温度即可高达2 000℃~3 000℃，足以引燃任何可燃物，而且电弧的维持电压低至20 V时仍可使电弧连续稳定存在。这种短路电弧常成为电气火灾的点火源。通过剩余电流检测，能实现此类电气火灾的及时预警，克服断路器难以动作的缺点[1]。

2 系统的要求、组成和工作原理

漏电火灾报警系统在我国国家规范中的应用早有规定,如GB50054-95《低压配电设计规范》、GB50016-2006《建筑设计防火规范》、GB14287-2005《电气火灾监控系统》等。

2.1 主要技术性能和指标

(1)剩余电流探测器集实时监测、指示灯报警、过流保护等多功能于一体。

(2)可编程报警设置,剩余电流报警值可以设置在50 mA~1 000 mA之间,也可以设置关闭报警,动作时间可以设置在 0.1 s～60 s。

(3)利用RS-485总线构成的分布式数据采集和控制系统,设备简单,价格低廉,可进行较长距离的通信。

2.2 系统的组成

HCT210-LF型电流互感器与MC9S08AW60组成剩余电流探测器终端；PC机与LabVIEW软件组成辅助监控人机界面。通过RS-485总线将下位机与上位机二者进行连接，形成剩余电流式电气火灾监控系统，如图1所示。

图1 剩余电流式电气火灾监测系统总体框图

2.3 系统的工作原理

电气火灾监测系统的工作原理如图2所示，检测用到的主要部件为零序电流互感器，其工作原理是基于基尔霍夫电流定律。将A、B、C三相及N 4线穿过零序互感器，在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，即：

当发生接地或其他故障时，各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，零序电流互感器的二次侧有电流输出，通过检测输出电流的大小来控制脱扣装置，切换供电网络，防止电气火灾的发生，以达到监测保护的目的[2]。

3 剩余电流探测器终端的设计

3.1 传感器的选择

图2 剩余电流式电气火灾监测系统原理图

互感器的功能主要是隔开高电压系统，将高电压或大电流按比例变换成小电压或者小电流，实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。本系统选用的是HCT210-LF型零序电流互感器，其输入输出变比为 2 000：1，精度为 0.5%，线性度为 0.5%，且隔离耐压为3 000 Vac。

3.2 信号处理电路的设计

电流互感器输出为最大值不到0.5 mA的微小交流信号，MC9S08AW60进行电压采样处理，因此在输出端加一个负载电阻，同时叠加一个偏置电压。从实际效果和成本控制方面考虑，电路采用先放大微小信号后加偏置电压的加法器法，电路如图3所示。放大倍数设为20时实验测得效果最佳，既不会因放大倍数过大产生高出芯片的最大AD采样值，也不会因交流信号出现芯片不能处理的负电压值。

图3 信号处理电路

3.3 电源电路的设计

电源电路实现24 V转5 V的DC/DC转换功能,电路图如图4所示。电源电路设计采用2级转换电路。开关稳压芯片优点是转化效率高、不易发热，缺点是纹波大。线性稳压芯片转化效率低，但是纹波较小。本设计采用开关稳压芯片LM2596生成第一级的12 V电压再接线性稳压芯片LM2940的级联方式，在散热最低情况下得到5 V直流稳压电源。

3.4 其他模块

继电器控制电路选用常闭继电器，当MC9S08AW60测得剩余电流超过设定阈值，继电器断开来切换供电网络。LED报警灯正常工作时处于熄灭状态，在芯片检测到超过所设阈值的剩余电流时处于发光状态以示报警。为了区分不同的下位机，采用了8位拨码开关对探测头进行地址编号。RS-485总线的数据最高传输速率为10 Mb/s，最大的通信距离约为1 219 m。利用RS-485总线构成的分布式数据采集和控制系统,具有设备简单、价格低廉、能进行长距离的通信等优点[3]。

图4 电源电路

4 算法描述

第1步,对微处理器所采集到的瞬时电压值进行中值滤波处理，确保采样数据的有效性。第2步,将中值滤波的数据进行算数平均滤波处理，达到抑制随机干扰的效果。在算数平均滤波中,连续采样次数N是不能任意加的,必须满足主采样周期远大于子采样周期的条件[4]。第3步,将两次滤波后的电压值经过一系列运算还原为电路上的剩余电流的大小。参考图3，设两次滤波处理后的电压值为V1,R3左侧电压值为V2，互感器采集的电流值为 I1，被测电路上剩余电流瞬时值为 I2，若干个 I2随时间变化形成的连续电流大小函数为i(t)，由加法器基准电压为2.5 V，放大倍数为20，可得：

5 上位机设计

上位机实现了微机远程循环监控和日常管理,具有设置灵活、界面友好、操作简单等特点。本设计可以根据需求调节报警阈值，显示多路通道信息，在其中一路或多路超过设定报警阈值时发出光电和声音警报，迅速切断电路连接并告知相关人员，同时能通过曲线图展示一段时间内的线路剩余电流变化。监控界面和剩余电流曲线波形分别如图5、图6所示，从图中可看出上位机界面简洁明朗，第1、2、4路检测正常，第3路检测剩余电流超出安全阈值，处于报警状态，其对应编码继电器于第一时间切断外部电路，完成保护动作。

图5 4路监控界面

图6 剩余电流曲线图

MC9S08AW60终端探测器可以实时监测配电系统剩余电流，通过RS-485总线组建总线型剩余电流式电气火灾监控系统，能够及时可靠地为工厂运行维护工程师提供准确信息，避免因剩余电流过大而产生的电气火灾的发生。随着剩余电流检测技术的逐渐成熟，将会有越来越多的实际产品运用到实际工程中，为预防电气火灾的发生发挥作用。

[1]王晓明.剩余电流式电气火灾监控系统智能算法的研究[J].建 筑 科 学,2009,25(8)：65-66.

[2]林思和.ARCM系列电气火灾监控探测器的设计和应用[J].电 工 电 气,2011(2)：45-58.

[3]胡雪彦.总线型剩余电流式电气火灾监控系统的设计应用[C].电气防火学术会议论文集,2008.

[4]周航慈.嵌入式系统软件设计中的常用算法[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010.