電氣火災信號檢測方法及硬件電路設計

晉會杰

（商丘工學院，河南 商丘 476000）

一、引言

從2005年到2015年的這十年間，我國公安消防機關所調查的97萬余起火災事故中，電氣火災有24萬起，所占比例已經高達24.7%，而由于電氣火災造成的經濟損失則占火災總損失的36.9%[1]。為減少人員傷亡和財產損失，對電氣火災實施監控報警或預警已經成為重點研究對象，而報警或預警系統中相關信號的檢測是一個重要的環節，本文對根據電氣火災的現象歸納出檢測對象，對不同檢測對象提供了檢測方法，并設計了相應的檢測電路。

電氣火災一般由短路故障、過載故障、絕緣故障、接觸電阻故障、正弦波畸變故障等原因引起。這些故障產生的現象主要是高溫、電弧、超聲、紫外、煙霧、漏電流。漏電流產生時因不能確定漏電位置，通常不能直接測量，可選用剩余電流的測量來反映出異常漏電流的存在。下面將對這些參量進行分析并對相應的硬件檢測電路進行設計。

二、信號檢測

（一）溫度檢測

電氣火災的發生通常是由于電氣故障異常高溫引起[2]，因此溫度的檢測尤為重要。考慮到外界環境的溫度對檢測影響（主要是季節不同以及一天中溫度波動），外界溫度的變化一般總是緩慢變化的，電氣故障引起的供電線路溫度變化往往是較為快速的。這里采用溫度變化率和最大允許工作溫度來反映供電線路是否有可能發生電氣火災。因該裝置安裝在低壓配電柜內，溫度檢測也可反映出配電柜內的異常溫升。

溫度傳感器的選擇，一般PVC絕緣導線允許的最高溫度為70℃，故可選用Dallas半導體公司生產的數字式溫度傳感器DS18B20來對導線溫度進行檢測,DS18B20是可編程分辨率的單總線數字溫度計。

（二）超聲檢測

一些電氣故障的發生往往伴隨著電弧的出現，而電弧的溫度可以達到2000℃-3000℃，這極易發生電氣火災。因此電弧的檢測也是非常有必要的。

當發生短路或接地故障時，由于電氣放電會產生電弧，而電弧會發出25～45kHz的超聲。因此，可以利用超聲來對放電電弧進行檢測。

1.超聲傳感器的選擇

超聲的檢測選用壓電陶瓷超聲波傳感器TCT40-16R,該傳感器中心頻率為40±1.0kHz，方向角為+60°,接收靈敏度大于等于-68分貝。該傳感器中心頻率可滿足該系統檢測要求。

圖1 超聲檢測電路

2.超聲檢測硬件電路及測試

TCT40-16R的輸出為微弱的電壓信號，很難由微處理器直接接收處理，需要對其輸出為微弱的電壓信號進行放大和整形。

如圖1所示，TCT40-16R將接收到的微弱信號先通過交流耦合，然后到U1進行放大，其放大倍數為：A1=-R5/R4=-50；放大的信號再經交流耦合到另一運放U2放大，其放大倍數為A2=-R7/R6=20；因此總的增益為：A=A1*A2=1000。經過放大的信號再經過比較器LM393進行整形，輸出TTL電平用以被微處理器接收。

放大信號經整形后的波形及頻譜如圖2所示。

可以看出輸出波形頻率均為40KHz左右，能很好的反映出超聲波是否存在。

圖2 比較器整形后的波形及頻譜圖

（三）紫外檢測

1.紫外傳感器的選取

本系統選用日本濱松公司生產的R2868紫外檢測器。R2868是依據紫外線通過金屬所產生光電效應以及瓦斯乘法效果，從而發現和確定火星源。它可以探測到185～260納米的光譜敏感源，并且它不像其它的半導體光探測器需要過濾器過濾任何的可見光，它對可見光沒有反應[3]。

2.驅動硬件電路及測試

R2868官方推薦的驅動電路如圖3所示。因驅動電壓為325±25Vdc不易獲取，所以本系統采用濱松公司配套的驅動電路板C3704。C3704的供電電壓為10-30V，當檢測到紫外后輸出形式有三種：正5V脈沖、負5V脈沖、三極管集電極開路輸出。輸出脈沖寬度默認為10ms，可通過在CX端增加電容來調節脈沖寬度，如電容為1uF，脈沖寬度約為1S。

圖3 R2868驅動電路

圖4紫外檢測測試波形

測試波形如圖4所示。由圖可知當檢測到連續的電弧信號或火災信號時，紫外檢測模塊輸出寬度為10ms，周期為150ms的脈沖信號。

（四）煙霧檢測

根據經驗可知，在電氣火災將要發生或者已經發生時，會有大量的煙霧產生，因此對這一參量的檢測能夠提高系統對電氣火災的預報警準確性[4]。本系統選用MQ-2煙霧傳感器模塊。該傳感器適宜于易燃氣體和煙霧的探測，可在家庭和工廠中安裝，對氣體泄漏進行監測。

（五）剩余電流檢測

通過常見電氣故障的分析得出，電弧、高溫的產生很多情況下是由于配電線路的異常漏電流引起的，這一參量可以通過剩余電流傳感器進行檢測[5]。

從圖5中可以看出，選擇合適剩余電流測試點則可以判斷系統中是否存在異常的泄漏電流，這樣比直接測試漏電流容易的多，畢竟泄漏電流的發生位置通常都是無法預料的。

圖5 全波精密整流電路

1.剩余電流傳感器選型

文中選用上海新馳電氣有限公司的SLS-Y45剩余電流互感器，該互感器線性精度好、靈敏度高，有較強的抗過載能力，測量范圍寬（0-1000mA/2.5mA），電流誤差小（一般小于5%）。

2.剩余電流檢測信號調理電路

由于剩余電流互感器的輸出信號為正弦交流電信號，為方便處理器A/D采集，需對輸出信號進行調理，將電流信號變為電壓信號并進行整流。整流往往用到二極管，但由二極管組成的普通整流電路的輸出線性差，同時存在“門坎電壓”和整流死區電壓等問題，對小于0.6V的輸入電壓是無法實現整流的。為克服二極管組成的普通整流電路的缺點，可以采用運算放大器實現半波或全波精密整流電路，此電路接近理想的整流電路，它對μV級輸入交流信號，也能進行不失真的整流輸出。若對輸入μV級信號進行精密整流，可以將整流二極管置于負反饋環路中，利用運算放大器的放大作用和二極管的單向導電特性實現對輸入正、負半波信號引入不同深度的負反饋來實現[6]。

如圖 6所示：當 Vin＞0（正半波）時，A 輸出為負，D1截止，D2 導通，易知 A 的放大倍數 -2，Vout=-（-2Vin+Vin）=Vin。

圖6精密整流輸入輸出關系

當 Vin＜0（負半波）時，A 輸出為正，D1 導通，D2 截止，D1的導通，可以理解為“短接”了A的輸入輸出端，由“虛短”依據和D1的電壓鉗位作用可以求得A的輸出端電壓大約為+0.6V。A的輸出電壓（D2正極）值約為0V。可知，Vout=-Vin。Vin與Vout的電壓關系波形如圖7所示。

圖7 精密整流電流輸入輸出波形

使用信號發生器產生50Hz，3.2V信號作為輸入信號，輸入輸出波形如圖7所示。在輸入微處理器的A/D前加一個47uF平波電容的目的是使整流后的脈動輸出信號更加平穩，然后通過軟件濾波獲取較為穩定的檢測信號。

三、結論

本文根據火災發生時所產生的物理現象,分析出檢測電氣火災信號的電弧、輸電線溫度、煙霧、剩余電流等檢測量。同時對檢測溫度、超聲、紫外、煙霧、剩余電流等進行了檢測方法分析和檢測電路的硬件設計與測試，為設計電氣火災預警系統提供了依據。

參考文獻：

[1]方向生.基于電子鼻技術的電氣火災預警系統研究[D].杭州:浙江大學,2007.

[2]李新穎.電氣火災的產生及防范[J].科技資訊，2007（14）:13.

[3]邸曼,厲劍,張明,等.電氣火災分析與防治策略的研究[J].消防科學與技術，2008，27（1）：5-9.

[4]GB/T4776-2008.電氣安全術語[S].

[5]董愛華，李良.檢測與轉換技術[M].北京:中國電力出版社，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.