葛健炎，高龙琴，李志昂，周得永

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225100）

0 引言

无论是在石油、化工、煤矿，还是商场、居民小区之间，一旦发生接地电弧性短路而未采取有效的防护措施，或者没有提前进行电气火灾报警，都会对人身安全、财产安全产生极大地损害。

本文进行了一种基于CAN 总线的检测电流发热量的电气火灾监控系统的开发，区别于传统的采用RS-485 进行通信的，运用剩余电流传感器及温度传感器进行探测的电气火灾报警器。该电气火灾监控系统通过波形检测和BP 神经网络判断电气线路发热量，通过CAN 总线传输数据，大大提高了数据传输的准确性以及报警的速度[1-2]。

1 系统总体设计

电气火灾发生前的一个重要特征是线路温度急剧上升，而常用的温度传感器受工作环境、设备内部环境影响，数据采集准确性大大降低，而且当温度探测器探测到温度超过限定值时，其实在产生剩余电流的部分的线路温度早已超过了该值。因此，本文以电流发热量为指标判断电气火灾。

2 监控器硬件部分

根据系统整体结构将监控器按照功能模块划分，监控器硬件电路整体结构如图1 所示，系统中的电气信号通过电流探测器检测到电流，并且通过信号处理单元完成信号转换，然后通过RS-485 总线传输给监控器。

图1 监控器硬件电路整体结构

3 监控器软件部分

监控器以STM32F103 为主控芯片，基于Keil 进行程序的开发，在设备上电后首先对外设进行初始化操作，包括键盘、LCD 显示、CAN 通信等部分的初始化，然后根据系统参数的变化进行LCD 页面的刷新，对接收到的电流探测器处理过的信号进行分析，通过BP 神经网络建立的波形和发热量的算法计算出电弧发热量，与限定值进行比较，判断是否需要发出报警信号。

4 接地电弧发热量计算

4.1 正常情况发热量

正常情况下，电路中的电压和电流接近正弦波，其发热量计算公式为：

通过式（1）很容易建立波形和发热量的关系。

4.2 电弧仿真

电路中存在漏电或电弧故障时，其波形比较复杂，发热量的求解也比较困难。常用来描述故障电弧的模型有Mayr 模型和Cassie 模型，公式（2）、公式（3）分别为其对应的方程式：

其中，g为电弧电导，u为电弧电压，i为电弧电流，uc为电弧电压常量；τ为柯西时间常数，P为电弧散热功率。

利用MATLAB Simulink 进行仿真。通过设置DEE 可以得到不同电弧模型对应的波形信息。取τ=2.25×10-4s，uc=50 V，电源电压有效值为220 V，频率为220 Hz，电阻为R=30 Ω，电弧模型为cassic 模型，得到p-t部分波形图（见图2）。

图2 p-t 波形图

4.3 电弧发热量

由式（1）可知，ui（p=ui）对t 积分即可得当前状态下电路节点的发热量。由于直接积分比较困难，将其通过傅里叶级数展开：

通过式（4）、式（5）即可求得任意条件下电气线路单位周期内的发热量。

5 现场测试

由图3 可以看出通过发热量计算和温度检测得到的报警情况一致，而且在相同电气状态下，前者比后者报警时间提前7 s 左右。

图3 现场测试数据

6 结论

本文以STM32F103 单片机为核心开发了一种基于CAN 总线的检测电流发热量的电气火灾监控系统。通过分布在电路各节点的探测器获取电气火灾信息，利用MATLAB 电弧仿真，得到p-t 波形图，对波形傅里叶展开，通过BP 神经网络建立了傅里叶系数和发热量的关系，检测出电线线路发热量，现场测试结果表明本系统能够有效检测电气火灾，且比温度传感器报警时间缩短7 s。