光伏電站10kV開關柜火災預警系統設計

摘 要：傳統的10kV開關柜火災報警系統檢測信息相對單一，且無法對早期火災以及潛在火災因素進行檢測。因此，從火災檢測機理出發，對光伏電站10kV開關柜火災預警系統的研制進行深入研究，開發一套高效節能的10kV開關柜火災預警系統。以STM32單片機為控制核心，采用多傳感器對10kV開關柜的溫度、煙霧、弧光等信息進行全方位感知。通過程序編譯與實物測試，結果表明系統能夠實現多重信號檢測，可提早預知火災隱患。本文研制的光伏電站10kV開關柜火災預警系統特別適合在無人值守光伏電站中應用。

關鍵詞：光伏電站；火災預警；10kV開關柜；單片機

中圖分類號：TM 41 文獻標志碼：A

在現在的光伏電站中，大多數采用預制倉式箱變進行設備安裝，一旦10kV開關柜發生火災，不僅會影響10kV系統的安全，還會對其他設備造成損壞，社會影響及經濟損失極大。電氣火災是指由電氣設備出現故障、短路、過載等問題引發的火災[1]。這種火災具有快速、突然、破壞性大等特點，往往會給光伏電站的安全造成嚴重威脅。10kV開關柜中的電纜頭在長期運行過程中，由于工藝水平、局部放電以及電氣故障等，極易過熱且存在較大的火災風險，根據調查10kV開關柜火災事故的成因90%是由電纜頭引起的[2]。因此，采取主動性感知手段提高光伏電站10kV開關柜的火災預警能力，已經成為當前社會各界研究的重要關注點。

1 總體方案設計

1.1 系統的需求分析

如果10kV開關柜發生火災，絕大多數是在開關柜的電纜室，電纜室內部也會發生相應的變化。例如，出現溫度異常升高、煙霧、弧光放電等情況。電氣火災預警系統兼具一般火災和電氣故障的特征，可以結合電氣故障特征，及時發出預警信息，確保相關工作人員能夠及時采取有效措施，消除安全隱患，避免火災發生。對10kV開關柜火災預警系統來說，主要是識別10kV開關柜異常工作的危險信號，例如煙霧、弧光、異常溫升等。

1.2 系統的方案

根據設計需求，在10kV開關柜內利用各種傳感器去檢測溫度情況、煙霧濃度以及弧光等，并轉化為信號傳輸到控制芯片，再與預設值進行對比，從而推斷是否報警，進而降低火災隱患。10kV開關柜火災預警系統的組成主要包括信息采集模塊（煙霧、溫度、弧光）、單片機核心處理系統、顯示模塊、人機交互模塊、報警模塊。

2 火災預警系統的硬件設計

2.1 總體電路設計

在10kV開關柜火災預警系統中，必須使用A/D變換接口來進行各種類型的傳感器的測量，而基于ARM內核的STM32F103C8T6則是將A/D變換器整合在一起，并且它的性能要比51系列單片機（例如STC89C52）更強，運算速度也更快。因此，本文選擇了STM32系列的STM32F103C8T6單片機作為主控制芯片。系統的總體電路如圖1所示。

在硬件設計中，主要分為單片機最小系統、溫度采集模塊、煙霧濃度采集模塊、弧光采集模塊、顯示模塊、燈光和蜂鳴報警模塊以及按鍵模塊。

STM32F103為單片機作為主控制芯片，顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，D0～D7為單片機與顯示器的數據傳輸連接線，R4為背光調節電阻，VCC為顯示器的電源。圖中S1～S4為按鍵模塊，采用4個獨立按鍵分別與單片機B11、B10、B1、B0連接。單片機的A2口連接DSi200弧光傳感器，A0口連接MQ2煙霧傳感器，B9連接DS18B20溫度傳感器，傳感器模塊可分別采集弧光、煙霧濃度、溫度。

2.2 基于MQ-2傳感器的煙霧采集模塊

氣敏類的煙霧傳感器主要用于探測煙霧、甲烷、氫氣、汽油濃度等氣體，其反應迅速，長時間穩定工作，不容易被外部環境影響。生產費用低廉且具有較長的壽命[3]。因此，選擇MQ-2型氣體敏感元件作為敏感元件。煙霧采集模塊電路如圖2所示。

MQ-2煙霧傳感器有1～6共6個引腳，其中1、2、3為電源與VCC相連，4、6腳與單片機的A0連接作為數據傳輸通道，引腳5與6之間并聯了電阻R5、R6和電容C1，通過接地屏蔽了外部信號干擾。

MQ-2煙霧傳感器測量煙霧濃度主要是通過其電阻值變化與煙霧濃度的關系得出的。其門限電壓需要經過煙霧測試，輸出電壓與門限電壓進行比較即可得到準確的煙霧濃度，如公式（1）所示。

式中：m、n均為常數；n與氣體敏感度相關；m為傳感器靈敏度；R為傳感器的電阻值；C為氣體濃度。

傳感器的電阻值計算如公式（2）所示。

式中：R為傳感器電阻；VC為回路電壓；RL為負載電阻；VRL為負載電壓。

由此得出了MQ-2傳感器的輸出電壓是隨其電阻導電率而變化的，其輸出電壓如公式（3）所示。

式中：Uout為傳感器輸出電壓；R11為基準電阻值，RS為實測電阻值，VC為回路電壓。

2.3 基于DS18B20的溫度采集模塊

根據本設計的需求，雖然10kV開關柜內溫度較高，但是根據相關標準（《3.6～40.5kV金屬封閉開關設備和控制設備》（GB 3906））中規定：柜內的正常運行溫度為-5℃～+40℃。如果柜內環境溫度超過80℃就有火災風險[4]。而DS18B20的測溫范圍在-55℃～125℃，完全能滿足系統要求。溫度采集模塊電路如圖3所示。

DS18B20溫度傳感器有3個（1～3）引腳，其中引腳3為電源與電源VCC連接；引腳2為數據傳輸引腳與單片機的B9連接，用于數據傳輸；引腳1為接地；引腳3與引腳2之間加入一個10kΩ的電阻R7作為內阻。

DS18B20設計用于12位溫度數據的采集和轉換。轉換后的12位數據首先在傳感器內部存儲并備份，隨后被轉移到RAM中，預備后續的處理。在二進制表示中，前五位作為字符位。如果測得的溫度高于0，那么這五位全設為0；如果溫度低于0，那么這五位則全為1，然后通過乘以0.0625來計算實際溫度值。

2.4 基于DSi200傳感器的弧光采集模塊

在弧光檢測方面，利用材料燃燒產生的紫外光進行檢測，當出現弧光時，具有較強火輻射的區域都可以使用紫外光探測。與其他檢測設備配合使用，可以更早地發現火情，最大限度地降低損失。因此，采用了DSi200型的紫敏硅探測器，具體參數見表1。

弧光傳感器對弧光具有最高靈敏度，同時也會對普通光線產生響應，常用于弧光報警等應用。其輸出接口能直接連接至單片機的I/O端口。為了保護傳感器不受高溫損害，應保持適當與弧光的距離。DSi200能夠對200nm～1100nm波段的光源進行精準檢測。針對其輸出模式，采用了DO數字邏輯信號進行輸出。

2.5 報警指示模塊設計

蜂鳴器的報警機制工作原理如下：蜂鳴器的一端牢固地連接電源VCC，而另一端則通過一個智能三極管與地線相連。這個三極管的基極與STM32微控制器的引腳PB0相接，它作為一個開關，控制與蜂鳴器相連的電阻，進而決定其是否發出警報。報警指示電路如圖4所示。

報警指示電路可細分為蜂鳴器報警模塊和指示燈模塊。圖5左半部分為蜂鳴器報警模塊，B1為蜂鳴器，單片機A5引腳發出報警命令后，FM此時為高電平，通過1kΩ的限流電阻R1后，觸發三級管9012導通，從而三級管Q1發射極輸出高電平控制蜂鳴器報警。圖5右半部分為指示燈模塊，二極管D1、D2分別代表溫度報警、煙霧報警指示。電阻R2、R3阻值均為1kΩ，起到保護二極管的作用，并分別與單片機A7、A6連接，接收單片機的報警指示命令。

采集的數據經過單片機處理，與預設閾值進行精密對比。一旦觸發警報條件，指示燈便會根據設定的邏輯規則進行響應，即在與預設值相符的情況下，指示燈正常閃爍。

3 火災預警系統的軟件設計及系統測試

3.1 主程序設計

10kV開關柜火災預警系統的全面運行流程中，系統啟動并完成初始化后，用戶能夠借助設置鍵設置溫度及煙霧濃度的預警閾值，同時具備弧光的檢測功能。環境參數由溫度傳感器和煙霧濃度傳感器實時捕獲，并對獲取的數據進行預處理，之后這些信息會被傳遞進行深度分析。分析結果將決定系統是否觸發報警。主程序還集成了液晶顯示屏，以直觀展示信息，具備自定義報警濃度的設置以及結合蜂鳴器和電源指示燈的聲光報警功能，從而提高了系統的實用性，確保用戶操作無礙。

主程序流程如圖5所示。首先，程序開始，初始化單片機I/O，通過LCD顯示當前的溫度、煙霧濃度信息。其次，通過單片機判別檢測的煙霧濃度是否大于閾值，如果超出閾值，就進行聲光報警；如果不超標，就繼續檢測溫度是否超過設定閾值，超溫也會觸發聲光報警；如果溫度不超標，就繼續檢測弧光，檢測有弧光后也會觸發聲光報警。如果此時仍檢測不到弧光信息，就表明系統正常。

3.2 系統的測試

系統上電后，LCD1602顯示器顯示煙霧傳感器正在載入，由于煙霧傳感器需要預熱一段時間才能工作，因此開機后需要等待20s后才能工作。

3.2.1 溫度測試

首先，進行溫度測試，用打火機或者蠟燭在DS18B20周圍進行升溫，此時觀測LCD顯示屏，顯示溫度在逐漸升高，設定報警溫度為40℃。

3.2.2 煙霧測試

煙霧測試是通過點燃的衛生紙進行測試。首先，設置煙霧濃度為10%。由于試驗條件有限，因此對煙霧測試數據敏感度較高。溫度及煙霧測試數據見表2。

3.2.3 弧光報警測試

通過點燃打火機，在弧光傳感器周圍晃動，系統可檢測到弧光，并發出報警提示音。

3.2.4 結果分析

通過上述測試可知，當溫度、煙霧超過設定閾值或者有弧光時，10kV開關柜火災預警系統均發出報警提示音，同時其報警可采用不同指示燈區分不同的報警項目。在經過實物調試及相應的測試后，該系統已經基本可以達到預期的設計標準。

4 結語

在當前科技發展水平迅速提高的時代大背景下，本文根據10kV開關柜火災預警系統的設計標準、使用成本和場合等要素，選擇MQ-2型的半導體電阻型煙霧傳感器，它具有較高的靈敏度，能夠做出及時快速的響應，整體運行狀態比較平穩。尤其是在溫度越高的情況下，MQ-2型的半導體電阻型煙霧傳感器反應速度越快。STM32F103單片機性能較好，能夠實現自動化、小型化的設計目標。各類監測信息警報可以在大范圍的溫度下工作，3種傳感器均可以觸發報警，使10kV開關柜監測更安全。綜上所述，從技術、功能到標準來看，光伏電站10kV開關柜火災預警系統正處于高速發展階段，有廣闊的發展空間和巨大的市場空間，火災預警系統也必將成為今后的發展趨勢。

參考文獻

[1]謝丹，李越，洪偉藝，等.變電站電氣柜火災探測及分散式氣體滅火裝置設計[J].消防科學與技術，2023，42（8）：1126-1130.

[2]趙遠輝，鄭慶圭，徐蒙，等.基于FDS的水下平臺內電氣柜火災數值模擬[J].消防科學與技術，2018，37（8）：1094-1098.

[3]姜德亮.10kV高壓開關柜火災預警及滅火技術研究[D].南昌：南昌大學，2023.

[4]郭強，李陽，徐鴻，等.基于多維傳感技術的換流站高壓開關柜火災預警裝置的研究[J].電氣技術與經濟，2022（2）：52-55.