电气火灾信号检测方法及硬件电路设计

晋会杰

（商丘工学院，河南 商丘 476000）

一、引言

从2005年到2015年的这十年间，我国公安消防机关所调查的97万余起火灾事故中，电气火灾有24万起，所占比例已经高达24.7%，而由于电气火灾造成的经济损失则占火灾总损失的36.9%[1]。为减少人员伤亡和财产损失，对电气火灾实施监控报警或预警已经成为重点研究对象，而报警或预警系统中相关信号的检测是一个重要的环节，本文对根据电气火灾的现象归纳出检测对象，对不同检测对象提供了检测方法，并设计了相应的检测电路。

电气火灾一般由短路故障、过载故障、绝缘故障、接触电阻故障、正弦波畸变故障等原因引起。这些故障产生的现象主要是高温、电弧、超声、紫外、烟雾、漏电流。漏电流产生时因不能确定漏电位置，通常不能直接测量，可选用剩余电流的测量来反映出异常漏电流的存在。下面将对这些参量进行分析并对相应的硬件检测电路进行设计。

二、信号检测

（一）温度检测

电气火灾的发生通常是由于电气故障异常高温引起[2]，因此温度的检测尤为重要。考虑到外界环境的温度对检测影响（主要是季节不同以及一天中温度波动），外界温度的变化一般总是缓慢变化的，电气故障引起的供电线路温度变化往往是较为快速的。这里采用温度变化率和最大允许工作温度来反映供电线路是否有可能发生电气火灾。因该装置安装在低压配电柜内，温度检测也可反映出配电柜内的异常温升。

温度传感器的选择，一般PVC绝缘导线允许的最高温度为70℃，故可选用Dallas半导体公司生产的数字式温度传感器DS18B20来对导线温度进行检测,DS18B20是可编程分辨率的单总线数字温度计。

（二）超声检测

一些电气故障的发生往往伴随着电弧的出现，而电弧的温度可以达到2000℃-3000℃，这极易发生电气火灾。因此电弧的检测也是非常有必要的。

当发生短路或接地故障时，由于电气放电会产生电弧，而电弧会发出25～45kHz的超声。因此，可以利用超声来对放电电弧进行检测。

1.超声传感器的选择

超声的检测选用压电陶瓷超声波传感器TCT40-16R,该传感器中心频率为40±1.0kHz，方向角为+60°,接收灵敏度大于等于-68分贝。该传感器中心频率可满足该系统检测要求。

图1 超声检测电路

2.超声检测硬件电路及测试

TCT40-16R的输出为微弱的电压信号，很难由微处理器直接接收处理，需要对其输出为微弱的电压信号进行放大和整形。

如图1所示，TCT40-16R将接收到的微弱信号先通过交流耦合，然后到U1进行放大，其放大倍数为：A1=-R5/R4=-50；放大的信号再经交流耦合到另一运放U2放大，其放大倍数为A2=-R7/R6=20；因此总的增益为：A=A1*A2=1000。经过放大的信号再经过比较器LM393进行整形，输出TTL电平用以被微处理器接收。

放大信号经整形后的波形及频谱如图2所示。

可以看出输出波形频率均为40KHz左右，能很好的反映出超声波是否存在。

图2 比较器整形后的波形及频谱图

（三）紫外检测

1.紫外传感器的选取

本系统选用日本滨松公司生产的R2868紫外检测器。R2868是依据紫外线通过金属所产生光电效应以及瓦斯乘法效果，从而发现和确定火星源。它可以探测到185～260纳米的光谱敏感源，并且它不像其它的半导体光探测器需要过滤器过滤任何的可见光，它对可见光没有反应[3]。

2.驱动硬件电路及测试

R2868官方推荐的驱动电路如图3所示。因驱动电压为325±25Vdc不易获取，所以本系统采用滨松公司配套的驱动电路板C3704。C3704的供电电压为10-30V，当检测到紫外后输出形式有三种：正5V脉冲、负5V脉冲、三极管集电极开路输出。输出脉冲宽度默认为10ms，可通过在CX端增加电容来调节脉冲宽度，如电容为1uF，脉冲宽度约为1S。

图3 R2868驱动电路

图4紫外检测测试波形

测试波形如图4所示。由图可知当检测到连续的电弧信号或火灾信号时，紫外检测模块输出宽度为10ms，周期为150ms的脉冲信号。

（四）烟雾检测

根据经验可知，在电气火灾将要发生或者已经发生时，会有大量的烟雾产生，因此对这一参量的检测能够提高系统对电气火灾的预报警准确性[4]。本系统选用MQ-2烟雾传感器模块。该传感器适宜于易燃气体和烟雾的探测，可在家庭和工厂中安装，对气体泄漏进行监测。

（五）剩余电流检测

通过常见电气故障的分析得出，电弧、高温的产生很多情况下是由于配电线路的异常漏电流引起的，这一参量可以通过剩余电流传感器进行检测[5]。

从图5中可以看出，选择合适剩余电流测试点则可以判断系统中是否存在异常的泄漏电流，这样比直接测试漏电流容易的多，毕竟泄漏电流的发生位置通常都是无法预料的。

图5 全波精密整流电路

1.剩余电流传感器选型

文中选用上海新驰电气有限公司的SLS-Y45剩余电流互感器，该互感器线性精度好、灵敏度高，有较强的抗过载能力，测量范围宽（0-1000mA/2.5mA），电流误差小（一般小于5%）。

2.剩余电流检测信号调理电路

由于剩余电流互感器的输出信号为正弦交流电信号，为方便处理器A/D采集，需对输出信号进行调理，将电流信号变为电压信号并进行整流。整流往往用到二极管，但由二极管组成的普通整流电路的输出线性差，同时存在“门坎电压”和整流死区电压等问题，对小于0.6V的输入电压是无法实现整流的。为克服二极管组成的普通整流电路的缺点，可以采用运算放大器实现半波或全波精密整流电路，此电路接近理想的整流电路，它对μV级输入交流信号，也能进行不失真的整流输出。若对输入μV级信号进行精密整流，可以将整流二极管置于负反馈环路中，利用运算放大器的放大作用和二极管的单向导电特性实现对输入正、负半波信号引入不同深度的负反馈来实现[6]。

如图 6所示：当 Vin＞0（正半波）时，A 输出为负，D1截止，D2 导通，易知 A 的放大倍数 -2，Vout=-（-2Vin+Vin）=Vin。

图6精密整流输入输出关系

当 Vin＜0（负半波）时，A 输出为正，D1 导通，D2 截止，D1的导通，可以理解为“短接”了A的输入输出端，由“虚短”依据和D1的电压钳位作用可以求得A的输出端电压大约为+0.6V。A的输出电压（D2正极）值约为0V。可知，Vout=-Vin。Vin与Vout的电压关系波形如图7所示。

图7 精密整流电流输入输出波形

使用信号发生器产生50Hz，3.2V信号作为输入信号，输入输出波形如图7所示。在输入微处理器的A/D前加一个47uF平波电容的目的是使整流后的脉动输出信号更加平稳，然后通过软件滤波获取较为稳定的检测信号。

三、结论

本文根据火灾发生时所产生的物理现象,分析出检测电气火灾信号的电弧、输电线温度、烟雾、剩余电流等检测量。同时对检测温度、超声、紫外、烟雾、剩余电流等进行了检测方法分析和检测电路的硬件设计与测试，为设计电气火灾预警系统提供了依据。

参考文献：

[1]方向生.基于电子鼻技术的电气火灾预警系统研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[2]李新颖.电气火灾的产生及防范[J].科技资讯，2007（14）:13.

[3]邸曼,厉剑,张明,等.电气火灾分析与防治策略的研究[J].消防科学与技术，2008，27（1）：5-9.

[4]GB/T4776-2008.电气安全术语[S].

[5]董爱华，李良.检测与转换技术[M].北京:中国电力出版社，2007.

[6]CAI ZHIYUAN,Using Power Line Carrier Modules on the RemoteControland Protective SwitchingControlScheme[J].2010 International Conference on Information Security and Artificial Intelligence,2010.