漏电火灾报警系统总体设计-漏电火灾报警系统
漏电火灾报警系统总体设计
摘要：漏电火灾报警系统是早期探测电气火灾、将电气火灾遏制在萌芽状态的重要设备。本文研究了漏电火灾报警控制器的总体设计方案，包括系统的功能设计、技术指标要求、以及介绍系统软件硬件设计。
关键词：漏电火灾报警系统，功能，设计
1.漏电火灾报警系统的研究现状
漏电火灾报警系统即电气火灾监控系统，是当被保护线路中的被探测参数超过设定值时，能够发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统，它由漏电火灾远程监控设备、防火漏电电流动作报警器组成。目前市面上的防火漏电电流动作报警器均按《防火漏电电流动作报警器》(GB14287-93)进行生产。该规范规定防火漏电电流动作报警器由漏电互感器和漏电报警控制器组成。漏电互感器将主回路中的漏电电流转化为漏电信号，漏电报警控制器接收来自互感器的漏电信号并发出报警信号。这类产品大致分两类，一类是将漏电互感器和漏电报警控制器分设;第二类是将二者结合并装设可直接断电的断路器，有些还加入诸如过、欠电压动作保护、缺相保护等功能。
据不完全统计，目前，国内已有十余家漏电火灾报警系统生产厂家，主要分布在河南、北京、广东等地。具有雄厚实力且规模相当的不多，产品品质良莠不齐，这是新产品初期市场的特点。根据其产品结构形式，主要有二种类型：
第一种是“多功能漏电开关型”，典型代表有广东和福建厂家的产品。其特点是：具有包括漏电电流探测、报警功能在内的扩展多功能，集漏电、短路、过载、过压、欠压、缺相、延时送电、防误合闸甚至防雷等功能于一身，并可以组网实现远程集中监控，外观为盒装，内部将探测器(电流互感器)、电源变换电路、信号处理电路、报警电路、通信联动接口、主回路分断开关(100A以下多用磁保持继电器、100A以上用接触器或塑壳断路器)整合在一起，形成多功能漏电开关。此种类型产品优点：保护功能多，内置电流互感器(包括电流互感器和零序电流互感器)，接线少，整合度高;缺点： 结构复杂、故障率偏高、产品品种不全。
第二种是电气火灾监控设备与电气火灾监控探测器(互感器)分离配置型，典型代表有北京多个厂家的产品。电气火灾监控设备通过火灾监控探测器(互感器)采样配电箱(柜)内的电流和漏电流信号经内置单片机系统分析处理后上报消防控制室的集中控制器，并通过塑壳断路器的脱扣装置(或接触器线圈)切断电源。优点：不含电源控制开关，不串入配电系统，只通过互感器取样信号和脱扣控制，无论新工程还是改造工程都比较方便，二总线，有总线短路保护，性能稳定可靠。缺点：监控设备与电气火灾监控探测器(互感器)之间需要敷设8芯信号线及2芯脱扣控制线，一般只有剩余电流和过电流探测功能。
2.漏电火灾报警系统总体设计
2.1主要功能设计
本系统集测量、保护、控制、通信等功能于一体，为此漏电火灾报警控制器必须对电流、电压等模拟量进行采样，采集开关量，并输出各种控制和报警信号，同时还可以和上位机进行通信，而且具有良好的人机交互功能。同时，在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能，以及电磁兼容问题。系统应具有如下主要功能：
(1)测量与计量功能
系统能实现多种测量和显示，包括三相电流、三相相电 压和线电压、不平衡度、频率、功率因素、有功功率、无功功率、谐波分量等，以及万年历时钟功能和主触头磨损程度及开关动作次数指示，以满足现场监视和一般测量的要求。
(2)保护功能
系统除具有原有过载、短路、单相接地等故障保护外，还应具有断相或不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能。
(3)故障历史记录及自诊断功能
故障发生后，可记录故障发生的具体时间(年月日，时分秒)，同时把故障发生时各种数据和信息均保存起来，以便于进行事后分析定性，尽快查出故障原因，减少线路维修时间。当控制器发生自检故障时，发出报警信号，并在页面显示何种故障(如控制器超温运行，读写故障等)。
(4)热记忆功能
反复过载可能引起导体发热，控制器因过载或短延时等故障延时动作后，具有模拟双金属片的热效应的功能，过载能量30min释放完毕，短延时能量15min释放完毕。在此期间闭合的断路器若再次发生过载或短延时，则延时动作的时间缩短，从而使线路和设备得到较好的保护。系统断电时自动清除积累热效应，且该功能可根据需要关断。
(5)人机交互功能(HMI)
由HMI模块完成，现场操作人员可通过键盘把开关设备 的保护整定值、功能设置等信息输入监控单元，并且将其值存入EEPROM中，实现友好的人机交互功能。
(6)通信功能
通过RS485总线或通信网络，向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机下传的数据和命令，即具有遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。可与消防控制中心联动，实现远程切断负载电源，并有反馈信号给消防控制中心报警;具有与电脑通讯的功能，可实现与用户联网，在一台电脑上能对1～250台漏电火灾报警器实现在线远程监控，随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断各用户供电线路。
2.2设计基本要求
(1)稳定性和可靠性：这是本系统设计的首要前提。
(2)先进性和实时性：系统采用先进、成熟、稳定、可 靠、符合国家标准的技术产品，保障其具有快速的实时反应能力。
(3)可维护性和经济性：系统的总体结构合理，线路简单，软件模块化，易于维护;故障率低，节约人力财力，具有良好的性能价格比。
2.3技术指标要求
漏电火灾报警系统包括漏电电流探测、报警功能在内的扩展多功能，集漏电、短路、过载、过压、欠压、缺相、延时送电、防误合闸等功能于一身，按《防火漏电电流动作报警器》(GB14287-93)技术要求，在下述环境条件下：气温：-10～40℃;相对湿度：10%～90%;气压：86～106kpa，防火漏电电流动作报警器技术指标要求如表1所示。
3.系统硬件设计
漏电火灾报警系统对线路中的电流、电压及负载等故障进行保护，负责监控终端电气故障，实现远传远控和报警显示功能。系统的硬件总体设计采用以高性能的单片机为核心，以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。外围芯片按功能模块扩展，由信号检测、信号调理电路、输入与显示部分、微控制器PIC16F877A、断路器(含电操机构)、通讯接口、远程监控、执行输出元件等模块组成。系统硬件总体设计框图如图1
电压互感器、电流互感器和零序互感器检测供电线路中的电流、电压信号，该信号经信号调理电路处理后由多路选择开关送入PIC16F877A自带的A/D转换模块将其转换为数字信号。CPU根据这些信号进行逻辑运算与处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号;逻辑信号经放大后可直接驱动断路器的电操机构使断路器动作。
4.漏电报警控制器软件设计
(1)开机：正确安装完毕后，合上供电系统总开关，此时控制器输入指示亮，表明供电正常;
(2)“报警/静音”开关扳到“报警”状态;
(3)打开本机电源开关，主机进入自检状态，主机自检完毕后发出“滴”的一声，并且点亮“漏电选择”的800mA指示，提示主机控制系统进入待机状态。延时5s后自动合闸接通用户电源，点亮输出指示。
(4)通过“漏电选择”与“漏电设定”可改变漏电动作电流设定值：800mA、400mA、200mA。默认值为800mA。故障报警指示设计：当供电系统出现故障，进行故障报警，提示用户尽快查明原因排除故障。
(1)漏电报警：在供电线路发生漏电，其漏电电流超过漏电动作电流设定值时，在0.1s内发出指令切断电源，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现漏电现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行;
(2)过载指示报警：在三相四线制供电中有任何一相出现过载时，经延时5s-10s后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行;
(3)欠压报警：当供电线路中有任何一相(A相不能缺相)电压欠压时，经延时5s-10s后仍在欠压时，控制器发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现欠压现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行;
(4)过压报警：在三相四线制供电中有任何一相过压时，在0.1s内发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路存在短路现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行;
(5)短路报警：在三相四线制供电中有任何一相出现短路时，经延时5s-10s后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象，此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行;
(6)负载指示：对三相四线制供电线路的负荷进行指示，当供电线路处于满负荷运行状态，接近报警值时，应提醒用户注意用电安全，并采取有效措施减轻负荷。
5.系统调试及测试
5.1测试系统的构建
为了确保产品的可靠性，本课题研制的漏电火灾报警系统，首先在实验室进行了模拟实验，然后在企业现场测试。试验漏电火灾报警系统包括公司产品XL-380系列防火漏电电流动作报警器和远程监控上位PC机。
通过改变输入防火漏电电流动作报警器的电流、电压值，进行相关功能的测试。同时，通过测试仪器记录实际的参考值来判定防火漏电电流动作报警器的性能，同时通过上位机进行实时的监控与命令指示，主要进行了漏电、过压、欠压、过载、监控和通信测试。
5.2测试结果
5.2.1保护测试结果
按《防火漏电电流动作报警器》(GB14287-93)技术要求，经现场对XL—380系列防火漏电电流动作报警器额定工作电流100A产品进行保护动作特性测试，测试在下述正常条件下进行：气温：15～35℃;相对湿度：45%～75%;气压：86～106kpa，测试数据为连续一星期工作日二十四小时不间断电源条件下，XL-380系列防火漏电电流动作报警器实际测试数据的平均值。
测试结果表明：防火漏电电流动作报警器实现了漏电保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过载保护等功能，保护特性动作时间误差不大，满足《防火漏电电流动作报警器》(GB14287-93)中的技术参数要求。
5.2.2通信和监控测试结果
经现场测试，能实现上下位机的通信，下位机即防火漏电电流动作报警器将实时测量的运行状态(三相电流、三相电压等)准确地传到上位PC机的远程监控界面上，并且可以通过上位PC机进行远程控制，实现了通信与监控功能。
上述测试结果表明：本设计漏电火灾报警系统实现了漏电保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过载保护等功能，保护特性动作时间误差不大，满足《防火漏电电流动作报警器》(GB14287-93)中的技术参数要求。
5.2.2通信和监控测试结果
经现场测试，能实现上下位机的通信，下位机即防火漏电电流动作报警器将实时测量的运行状态(三相电流、三相电压等)准确地传到上位PC机的远程监控界面上，并且可以通过上位PC机进行远程控制，实现了通信与监控功能。
上述测试结果表明：本设计漏电火灾报警系统实现了漏电保护、过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护等，测试数据完全符合各项技术指标要求;实现了上下位机的通信，下位机实时状态能准确地传到上位PC机的远程监控界面上，上位PC机可以对下位机进行实时远程控制，实现了通信与监控功能。
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