基于 ZigBee 技术的配电柜火灾监控系统设计

0 引 言

配电柜是建筑物中重要的配电设备之一。配电柜安全、稳定的运行直接关系到正常的生产与日常生活。据统计，配电柜运行过程中的主要安全隐患是电气火灾。据公安部消防局统计，电气火灾是引发火灾的首因，2017 年 1 ～10 月份，因电气引发的火灾共有 7.4 万起，造成 370 人死亡，226 人受伤，直接财产损失达 11.2 亿元。这些电气火灾大多由配电柜或配电柜外供线路引起。

电气火灾具有某些特殊性，其主要机理为 ：故障的局部部分长时间受热，导致绝缘进一步减少，最终导致线路短路并引起火灾 ；线路中的电流瞬间增大，积聚热量，温度升高而发生火灾。

从上述原理可以看出，检测温度与剩余电流可预警电气火灾的发生。因此，设计一种基于 ZigBee 技术的配电柜电气火灾监控系统具有重要意义。

ZigBee 技术主要适用于各种短距离设备之间的通信， 可工作在 2.4 GHz（全球流行）、915 MHz（美国流行）和868 MHz（欧洲流行）三个频段上，分别具有最高 250 Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s的传输速率，其传输距离为 10～75m， 可继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee的技术优势包括低功耗、低成本、高可靠性、大容量、小延迟、良好的安全性与兼容性等。同时，ZigBee网络具有自适应网络功能， 可满足不同环境下的组网需求。因此，应用 ZigBee技术对配电柜内的温度及剩余电流进行实时监测系统设计是可行的。

1 系统的总体设计

1.1 基本功能

监控系统的基本功能为 ：

(1) 可准确监控配电柜的内部温度，保护电路中的剩余电流值 ；

(2)可在短时间内将真空断路器的实时温度与剩余电流值连续发送到配电柜的电气火灾监控系统 ；

(3) 能自动识别出异常数据，以警示值班人员 ；

(4)能在一段时间内形成真空断路器温度变化曲线、剩余电流值。

当配电柜内电路的剩余电流或真空断路器温度值超过系统设置的阈值时，该检测系统发出警报以保护用电安全。

1.2 总体方案

基于 ZigBee 技术的配电柜电气火灾监测系统主要由配电柜内温度采集与处理部分、剩余电流采集与处理部分、数据通信部分和配电柜监测系统组成。温度检测系统包括多个温度传感器节点。线路剩余电流检测系统包括具有异常报警功能的多节点 ZigBee 无线通信系统与电气火灾监控系统。配电柜真空断路器旁的温度传感器收集真空断路器的温度， 线路中的电流由安装在线路上的剩余电流传感器监控。数据采用多传感器数据融合技术进行处理，监测数据通过多节点ZigBee 无线通信技术上传到配电柜电气火灾监控系统。配电柜监测系统对数据进行收集、处理并判断，根据来源对异常数据报警。总体设计图如图 1 所示。

图 1 总体设计图

2 系统硬件设计

2.1 温度检测模块

温度检测模块负责获取配电柜内真空断路器的温度数据并保证数据正确性。传统电路控制方法是在配电柜中安装真空断路器。真空断路器由于其灭弧介质与灭弧后接触间隙的绝缘介质而以高电弧命名，具有体积小、重量轻、适合频繁操作、无电弧放电、无需大修等优点，且具有过载、短路与欠压保护功能，以及保护线路与电源的功能，广泛应用于电网系统。

当线路中的真空断路器出现绝缘老化与局部放电等故障时，断路器的内部温度会发生异常。通过温度检测可实现对故障的预判，确保电力系统安全稳定运行。

2.2 真空断路器温度场模拟

真空灭弧室电弧室主要由壳体、触头、波纹管与护罩组成。在灭弧过程中，操作机构控制动态与静态触点电分离， 真空电弧在触点之间燃烧。当电流归零时，电弧熄灭，产生大量的热量，并且断路器每个区域的温度分布不同。该软件可应用于模拟温度场并建立电弧室结构的简化模型。通过对模型材料、电动势、电流等的设定，可求解得出断路器各区域温度分布情况。断路器温度场模拟图如图 2 所示。从模拟图中可以看出，移动与静止触点的周围易于发热，并且温度趋于从接触到外壳减小。因此，将温度传感器放置在靠近触点的绝缘壳体附近可真实地反映断路器的温度变化。

2.3 剩余电流探测器

传统电路保护产品（如过电流过载保护装置）可防止电线之间金属短路故障引起的火灾及长期过载加热或接地电弧短路故障，但基本属于被动预防。特别是对于金属端子短路、过载故障或接地电弧故障引起的线路端子温度上升、线路缓慢增加或漏电流缓慢增加，不能起到较好的效果。由于传统电路保护产品在某些参数下运行，因此无法及早预防。若故障电流未达到保护开关的设置，则保护开关将不工作，而在线路中安装剩余电流检测器可解决此类问题。

剩余电流检测器安装在低压配电系统中，可用于检测TN-C-S，TN-S 及本地 TT 系统中剩余电流电气火灾产生的电气参数。当受保护线路中的当前参数超过警报设定值时，可发送信号以消除由剩余电流引起的电气火灾危险。剩余电流检测器的安装接线如图 3 所示。

剩余电流的处理是整个监测系统中最重要的部分。剩余电流的准确性与可靠性直接影响对系统的判断，目前通用的做法是将数据由剩余电流检测器测试。由于配电柜内线路复杂，通信容易受到干扰，探测器失效的可能性较高，探测器自身质量以及实际应用中一些不可避免的因素都会导致探测出现较大误差，因此可通过建立基于自适应的加权算法降低误差，提高准确性。

以各剩余电流探测器某一时刻测量值为前提条件，运算 得到总均方误差最小的测量值（且总均方误差小于单个探测器的均方误差），可在一定程度上提高数据精度。设各传感器的测量值为 A1，A2，…，An，每个探测器的加权因子为W1，W2，…，Wn，估计真值为 X，组合均值和加权因子满足 ：

通过计算加权剩余电流探测器数值可得到精确的电流值。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee 无线网络

ZigBee 无线网络基于 IEEE 802.15.4 技术标准和 ZigBee网络协议。ZigBee 网络中定义了全功能设备（FFD）与精简功能设备（RFD）。FFD 既可作为终端节点也可作为网络协调器使用 ；RFD 只能作为具有单个 FFD 的终端节点进行通信。ZigBee 具有强大的网络功能，包括星型、网状与集群拓扑。本文利用 ZigBee 网络构建星型网络，其结构如图 4 所示。

网络终端节点通过串口和信号读取器与 CC2530 通 信，收集断路器的温度数据及线路中剩余的电路数据，并与ZigBee 协调员沟通以完成信息传输。

ZigBee 协调器负责建立通信网络，上电后执行信道扫描，选择适当的信道，设置协调器短地址并选择 PAN ID 以构建新网络。初始化网络后，等待其他节点加入网络。

3.2 系统软件设计

系统软件设计主要包括上位机显示界面与网关软件。网关软件主要由主程序和 ZigBee 协调器子程序组成。引导完成后，ZigBee 协调器负责无线通信网络构建与新终端节点访问，并将接收到的断路器温度信息与剩余电流信息发送到监控平台，实现对配电柜内温度与剩余电流远程监控与集中管理的目的。断路器温度传感器或剩余电流传感器收集配电柜中的过电流或热量等异常状态，通过与预设的报警阈值进行比较，当剩余电流与温度超过设定值时报警，同时系统自动脱扣断电，避免电气线路出现过流、发热等故障。软件流程如图 5 所示。

4 实验通电运行

配电柜的电气火灾监测系统安装完成后，配电柜内真空断路器的温度变化曲线如图 6 所示。

配电柜线路与电气设备中存在正常的剩余电路，整个配电系统中固有的剩余电流值不固定，其与配电系统中的电气设备数量、线路运行时间、实时湿度等相关。实际测量后，固有剩余电流值与线路长度及接入系统中电气设备的数量有关。系统需将所测得电流值减去固定电流值，并将结果与系统设定的阈值进行比较，判断剩余电流值是否异常。测得的220 V 线路固有电流见表 1 所列。

5 结 语

本文设计了一种基于 ZigBee 技术的配电柜电气火灾监控系统，通过比较测量温度及剩余电流值与设定的阈值，可在超过设定值时提示工人并报警。该系统操作简单、稳定，成本低，具有一定的推广价值。