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)定的運行直接關(guān)系到正常的生產(chǎn)與日常生活。據(jù)統(tǒng)計，配電柜運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，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，直接財產(chǎn)損失達 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(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警電氣火災(zāi)的發(fā)生。因此，設(shè)計一種基于 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，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行實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 基本功能

監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能為 ：

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

(2)可在短時間內(nèi)將真空斷路器的實時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) 能自動識別出異常數(shù)據(jù)，以警示值班人員 ；

(4)能在一段時間內(nèi)形成真空斷路器溫度變化曲線、剩余電流值。

當配電柜內(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，該檢測系統(tǒng)發(fā)出警報以保護用電安全。

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)包括多個溫度傳感器節(jié)點。線路剩余電流檢測系統(tǒng)包括具有異常報警功能的多節(jié)點 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)進行處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過多節(jié)點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)進行收集、處理并判斷，根據(jù)來源對異常數(shù)據(jù)報警?？傮w設(shè)計圖如圖 1 所示。

圖 1 總體設(shè)計圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊負責獲取配電柜內(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，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(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)。

當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，斷路器的內(nèi)部溫度會發(fā)生異常。通過溫度檢測可實現(xiàn)對故障的預判，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(gòu)控制動態(tài)與靜態(tài)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(chǎn)生大量的熱量，并且斷路器每個區(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，移動與靜止觸點的周圍易于發(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(tǒng)電路保護產(chǎn)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(zāi)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(tǒng)電路保護產(chǎn)品在某些參數(shù)下運行，因此無法及早預防。若故障電流未達到保護開關(guān)的設(shè)置，則保護開關(guān)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(tǒng)中，可用于檢測TN-C-S，TN-S 及本地 TT 系統(tǒng)中剩余電流電氣火災(zāi)產(chǎn)生的電氣參數(shù)。當受保護線路中的當前參數(shù)超過警報設(shè)定值時，可發(fā)送信號以消除由剩余電流引起的電氣火災(zāi)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(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)的判斷，目前通用的做法是將數(shù)據(jù)由剩余電流檢測器測試。由于配電柜內(nèi)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(zhì)量以及實際應(yīng)用中一些不可避免的因素都會導致探測出現(xiàn)較大誤差，因此可通過建立基于自適應(yīng)的加權(quán)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(shù)據(jù)精度。設(shè)各傳感器的測量值為 A1，A2，…，An，每個探測器的加權(quán)因子為W1，W2，…，Wn，估計真值為 X，組合均值和加權(quán)因子滿足 ：

通過計算加權(quán)剩余電流探測器數(shù)值可得到精確的電流值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)基于 IEEE 802.15.4 技術(shù)標準和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中定義了全功能設(shè)備（FFD）與精簡功能設(shè)備（RFD）。FFD 既可作為終端節(jié)點也可作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器使用 ；RFD 只能作為具有單個 FFD 的終端節(jié)點進行通信。ZigBee 具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，包括星型、網(wǎng)狀與集群拓撲。本文利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點通過串口和信號讀取器與 CC2530 通 信，收集斷路器的溫度數(shù)據(jù)及線路中剩余的電路數(shù)據(jù)，并與ZigBee 協(xié)調(diào)員溝通以完成信息傳輸。

ZigBee 協(xié)調(diào)器負責建立通信網(wǎng)絡(luò)，上電后執(zhí)行信道掃描，選擇適當?shù)男诺溃O(shè)置協(xié)調(diào)器短地址并選擇 PAN ID 以構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)。初始化網(wǎng)絡(luò)后，等待其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機顯示界面與網(wǎng)關(guān)軟件。網(wǎng)關(guān)軟件主要由主程序和 ZigBee 協(xié)調(diào)器子程序組成。引導完成后，ZigBee 協(xié)調(diào)器負責無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與新終端節(jié)點訪問，并將接收到的斷路器溫度信息與剩余電流信息發(fā)送到監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對配電柜內(nèi)溫度與剩余電流遠程監(jiān)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(tài)，通過與預設(shè)的報警閾值進行比較，當剩余電流與溫度超過設(shè)定值時報警，同時系統(tǒng)自動脫扣斷電，避免電氣線路出現(xiàn)過流、發(fā)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(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，配電柜內(nèi)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(shè)備中存在正常的剩余電路，整個配電系統(tǒng)中固有的剩余電流值不固定，其與配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備數(shù)量、線路運行時間、實時濕度等相關(guān)。實際測量后，固有剩余電流值與線路長度及接入系統(tǒng)中電氣設(shè)備的數(shù)量有關(guān)。系統(tǒng)需將所測得電流值減去固定電流值，并將結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)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(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，通過比較測量溫度及剩余電流值與設(shè)定的閾值，可在超過設(shè)定值時提示工人并報警。該系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定，成本低，具有一定的推廣價值。