基于CAN 總線的檢測電流發熱量的電氣火災監控系統的開發

葛健炎，高龍琴，李志昂，周得永

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225100）

0 引言

無論是在石油、化工、煤礦，還是商場、居民小區之間，一旦發生接地電弧性短路而未采取有效的防護措施，或者沒有提前進行電氣火災報警，都會對人身安全、財產安全產生極大地損害。

本文進行了一種基于CAN 總線的檢測電流發熱量的電氣火災監控系統的開發，區別于傳統的采用RS-485 進行通信的，運用剩余電流傳感器及溫度傳感器進行探測的電氣火災報警器。該電氣火災監控系統通過波形檢測和BP 神經網絡判斷電氣線路發熱量，通過CAN 總線傳輸數據，大大提高了數據傳輸的準確性以及報警的速度[1-2]。

1 系統總體設計

電氣火災發生前的一個重要特征是線路溫度急劇上升，而常用的溫度傳感器受工作環境、設備內部環境影響，數據采集準確性大大降低，而且當溫度探測器探測到溫度超過限定值時，其實在產生剩余電流的部分的線路溫度早已超過了該值。因此，本文以電流發熱量為指標判斷電氣火災。

2 監控器硬件部分

根據系統整體結構將監控器按照功能模塊劃分，監控器硬件電路整體結構如圖1 所示，系統中的電氣信號通過電流探測器檢測到電流，并且通過信號處理單元完成信號轉換，然后通過RS-485 總線傳輸給監控器。

圖1 監控器硬件電路整體結構

3 監控器軟件部分

監控器以STM32F103 為主控芯片，基于Keil 進行程序的開發，在設備上電后首先對外設進行初始化操作，包括鍵盤、LCD 顯示、CAN 通信等部分的初始化，然后根據系統參數的變化進行LCD 頁面的刷新，對接收到的電流探測器處理過的信號進行分析，通過BP 神經網絡建立的波形和發熱量的算法計算出電弧發熱量，與限定值進行比較，判斷是否需要發出報警信號。

4 接地電弧發熱量計算

4.1 正常情況發熱量

正常情況下，電路中的電壓和電流接近正弦波，其發熱量計算公式為：

通過式（1）很容易建立波形和發熱量的關系。

4.2 電弧仿真

電路中存在漏電或電弧故障時，其波形比較復雜，發熱量的求解也比較困難。常用來描述故障電弧的模型有Mayr 模型和Cassie 模型，公式（2）、公式（3）分別為其對應的方程式：

其中，g為電弧電導，u為電弧電壓，i為電弧電流，uc為電弧電壓常量；τ為柯西時間常數，P為電弧散熱功率。

利用MATLAB Simulink 進行仿真。通過設置DEE 可以得到不同電弧模型對應的波形信息。取τ=2.25×10-4s，uc=50 V，電源電壓有效值為220 V，頻率為220 Hz，電阻為R=30 Ω，電弧模型為cassic 模型，得到p-t部分波形圖（見圖2）。

圖2 p-t 波形圖

4.3 電弧發熱量

由式（1）可知，ui（p=ui）對t 積分即可得當前狀態下電路節點的發熱量。由于直接積分比較困難，將其通過傅里葉級數展開：

通過式（4）、式（5）即可求得任意條件下電氣線路單位周期內的發熱量。

5 現場測試

由圖3 可以看出通過發熱量計算和溫度檢測得到的報警情況一致，而且在相同電氣狀態下，前者比后者報警時間提前7 s 左右。

圖3 現場測試數據

6 結論

本文以STM32F103 單片機為核心開發了一種基于CAN 總線的檢測電流發熱量的電氣火災監控系統。通過分布在電路各節點的探測器獲取電氣火災信息，利用MATLAB 電弧仿真，得到p-t 波形圖，對波形傅里葉展開，通過BP 神經網絡建立了傅里葉系數和發熱量的關系，檢測出電線線路發熱量，現場測試結果表明本系統能夠有效檢測電氣火災，且比溫度傳感器報警時間縮短7 s。