光伏電站10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)的10kV開關(guān)柜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)信息相對(duì)單一，且無(wú)法對(duì)早期火災(zāi)以及潛在火災(zāi)因素進(jìn)行檢測(cè)。因此，從火災(zāi)檢測(cè)機(jī)理出發(fā)，對(duì)光伏電站10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研制進(jìn)行深入研究，開發(fā)一套高效節(jié)能的10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。以STM32單片機(jī)為控制核心，采用多傳感器對(duì)10kV開關(guān)柜的溫度、煙霧、弧光等信息進(jìn)行全方位感知。通過程序編譯與實(shí)物測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多重信號(hào)檢測(cè)，可提早預(yù)知火災(zāi)隱患。本文研制的光伏電站10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)特別適合在無(wú)人值守光伏電站中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光伏電站；火災(zāi)預(yù)警；10kV開關(guān)柜；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TM 41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)在的光伏電站中，大多數(shù)采用預(yù)制倉(cāng)式箱變進(jìn)行設(shè)備安裝，一旦10kV開關(guān)柜發(fā)生火災(zāi)，不僅會(huì)影響10kV系統(tǒng)的安全，還會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成損壞，社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)損失極大。電氣火災(zāi)是指由電氣設(shè)備出現(xiàn)故障、短路、過載等問題引發(fā)的火災(zāi)[1]。這種火災(zāi)具有快速、突然、破壞性大等特點(diǎn)，往往會(huì)給光伏電站的安全造成嚴(yán)重威脅。10kV開關(guān)柜中的電纜頭在長(zhǎng)期運(yùn)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)調(diào)查10kV開關(guān)柜火災(zāi)事故的成因90%是由電纜頭引起的[2]。因此，采取主動(dòng)性感知手段提高光伏電站10kV開關(guān)柜的火災(zāi)預(yù)警能力，已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)各界研究的重要關(guān)注點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的需求分析

如果10kV開關(guān)柜發(fā)生火災(zāi)，絕大多數(shù)是在開關(guān)柜的電纜室，電纜室內(nèi)部也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。例如，出現(xiàn)溫度異常升高、煙霧、弧光放電等情況。電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)兼具一般火災(zāi)和電氣故障的特征，可以結(jié)合電氣故障特征，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，確保相關(guān)工作人員能夠及時(shí)采取有效措施，消除安全隱患，避免火災(zāi)發(fā)生。對(duì)10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要是識(shí)別10kV開關(guān)柜異常工作的危險(xiǎn)信號(hào)，例如煙霧、弧光、異常溫升等。

1.2 系統(tǒng)的方案

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在10kV開關(guān)柜內(nèi)利用各種傳感器去檢測(cè)溫度情況、煙霧濃度以及弧光等，并轉(zhuǎn)化為信號(hào)傳輸?shù)娇刂菩酒?，再與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，從而推斷是否報(bào)警，進(jìn)而降低火災(zāi)隱患。10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的組成主要包括信息采集模塊（煙霧、溫度、弧光）、單片機(jī)核心處理系統(tǒng)、顯示模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊。

2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體電路設(shè)計(jì)

在10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中，必須使用A/D變換接口來(lái)進(jìn)行各種類型的傳感器的測(cè)量，而基于ARM內(nèi)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(jī)（例如STC89C52）更強(qiáng)，運(yùn)算速度也更快。因此，本文選擇了STM32系列的STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制芯片。系統(tǒng)的總體電路如圖1所示。

在硬件設(shè)計(jì)中，主要分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、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(bào)警模塊以及按鍵模塊。

STM32F103為單片機(jī)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(jī)與顯示器的數(shù)據(jù)傳輸連接線，R4為背光調(diào)節(jié)電阻，VCC為顯示器的電源。圖中S1～S4為按鍵模塊，采用4個(gè)獨(dú)立按鍵分別與單片機(jī)B11、B10、B1、B0連接。單片機(jī)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(cè)煙霧、甲烷、氫氣、汽油濃度等氣體，其反應(yīng)迅速，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，不容易被外部環(huán)境影響。生產(chǎn)費(fèi)用低廉且具有較長(zhǎng)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(gè)引腳，其中1、2、3為電源與VCC相連，4、6腳與單片機(jī)的A0連接作為數(shù)據(jù)傳輸通道，引腳5與6之間并聯(lián)了電阻R5、R6和電容C1，通過接地屏蔽了外部信號(hào)干擾。

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

式中：m、n均為常數(shù)；n與氣體敏感度相關(guān)；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(jì)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(fù)載電阻；VRL為負(fù)載電壓。

由此得出了MQ-2傳感器的輸出電壓是隨其電阻導(dǎo)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(zhǔn)電阻值，RS為實(shí)測(cè)電阻值，VC為回路電壓。

2.3 基于DS18B20的溫度采集模塊

根據(jù)本設(shè)計(jì)的需求，雖然10kV開關(guān)柜內(nèi)溫度較高，但是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（《3.6～40.5kV金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（GB 3906））中規(guī)定：柜內(nèi)的正常運(yùn)行溫度為-5℃～+40℃。如果柜內(nèi)環(huán)境溫度超過80℃就有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[4]。而DS18B20的測(cè)溫范圍在-55℃～125℃，完全能滿足系統(tǒng)要求。溫度采集模塊電路如圖3所示。

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

DS18B20設(shè)計(jì)用于12位溫度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)首先在傳感器內(nèi)部存儲(chǔ)并備份，隨后被轉(zhuǎn)移到RAM中，預(yù)備后續(xù)的處理。在二進(jìn)制表示中，前五位作為字符位。如果測(cè)得的溫度高于0，那么這五位全設(shè)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(lái)計(jì)算實(shí)際溫度值。

2.4 基于DSi200傳感器的弧光采集模塊

在弧光檢測(cè)方面，利用材料燃燒產(chǎn)生的紫外光進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)弧光時(shí)，具有較強(qiáng)火輻射的區(qū)域都可以使用紫外光探測(cè)。與其他檢測(cè)設(shè)備配合使用，可以更早地發(fā)現(xiàn)火情，最大限度地降低損失。因此，采用了DSi200型的紫敏硅探測(cè)器，具體參數(shù)見表1。

弧光傳感器對(duì)弧光具有最高靈敏度，同時(shí)也會(huì)對(duì)普通光線產(chǎn)生響應(yīng)，常用于弧光報(bào)警等應(yīng)用。其輸出接口能直接連接至單片機(jī)的I/O端口。為了保護(hù)傳感器不受高溫?fù)p害，應(yīng)保持適當(dāng)與弧光的距離。DSi200能夠?qū)?00nm～1100nm波段的光源進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。針對(duì)其輸出模式，采用了DO數(shù)字邏輯信號(hào)進(jìn)行輸出。

2.5 報(bào)警指示模塊設(shè)計(jì)

蜂鳴器的報(bào)警機(jī)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(gè)智能三極管與地線相連。這個(gè)三極管的基極與STM32微控制器的引腳PB0相接，它作為一個(gè)開關(guān)，控制與蜂鳴器相連的電阻，進(jìn)而決定其是否發(fā)出警報(bào)。報(bào)警指示電路如圖4所示。

報(bào)警指示電路可細(xì)分為蜂鳴器報(bào)警模塊和指示燈模塊。圖5左半部分為蜂鳴器報(bào)警模塊，B1為蜂鳴器，單片機(jī)A5引腳發(fā)出報(bào)警命令后，F(xiàn)M此時(shí)為高電平，通過1kΩ的限流電阻R1后，觸發(fā)三級(jí)管9012導(dǎo)通，從而三級(jí)管Q1發(fā)射極輸出高電平控制蜂鳴器報(bào)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(bào)警、煙霧報(bào)警指示。電阻R2、R3阻值均為1kΩ，起到保護(hù)二極管的作用，并分別與單片機(jī)A7、A6連接，接收單片機(jī)的報(bào)警指示命令。

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行精密對(duì)比。一旦觸發(fā)警報(bào)條件，指示燈便會(huì)根據(jù)設(shè)定的邏輯規(guī)則進(jìn)行響應(yīng)，即在與預(yù)設(shè)值相符的情況下，指示燈正常閃爍。

3 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試

3.1 主程序設(shè)計(jì)

10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的全面運(yùn)行流程中，系統(tǒng)啟動(dòng)并完成初始化后，用戶能夠借助設(shè)置鍵設(shè)置溫度及煙霧濃度的預(yù)警閾值，同時(shí)具備弧光的檢測(cè)功能。環(huán)境參數(shù)由溫度傳感器和煙霧濃度傳感器實(shí)時(shí)捕獲，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，之后這些信息會(huì)被傳遞進(jìn)行深度分析。分析結(jié)果將決定系統(tǒng)是否觸發(fā)報(bào)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(bào)警濃度的設(shè)置以及結(jié)合蜂鳴器和電源指示燈的聲光報(bào)警功能，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)用性，確保用戶操作無(wú)礙。

主程序流程如圖5所示。首先，程序開始，初始化單片機(jī)I/O，通過LCD顯示當(dāng)前的溫度、煙霧濃度信息。其次，通過單片機(jī)判別檢測(cè)的煙霧濃度是否大于閾值，如果超出閾值，就進(jìn)行聲光報(bào)警；如果不超標(biāo)，就繼續(xù)檢測(cè)溫度是否超過設(shè)定閾值，超溫也會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警；如果溫度不超標(biāo)，就繼續(xù)檢測(cè)弧光，檢測(cè)有弧光后也會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警。如果此時(shí)仍檢測(cè)不到弧光信息，就表明系統(tǒng)正常。

3.2 系統(tǒng)的測(cè)試

系統(tǒng)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(yù)熱一段時(shí)間才能工作，因此開機(jī)后需要等待20s后才能工作。

3.2.1 溫度測(cè)試

首先，進(jìn)行溫度測(cè)試，用打火機(jī)或者蠟燭在DS18B20周圍進(jìn)行升溫，此時(shí)觀測(cè)LCD顯示屏，顯示溫度在逐漸升高，設(shè)定報(bào)警溫度為40℃。

3.2.2 煙霧測(cè)試

煙霧測(cè)試是通過點(diǎn)燃的衛(wèi)生紙進(jìn)行測(cè)試。首先，設(shè)置煙霧濃度為10%。由于試驗(yàn)條件有限，因此對(duì)煙霧測(cè)試數(shù)據(jù)敏感度較高。溫度及煙霧測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

3.2.3 弧光報(bào)警測(cè)試

通過點(diǎn)燃打火機(jī)，在弧光傳感器周圍晃動(dòng)，系統(tǒng)可檢測(cè)到弧光，并發(fā)出報(bào)警提示音。

3.2.4 結(jié)果分析

通過上述測(cè)試可知，當(dāng)溫度、煙霧超過設(shè)定閾值或者有弧光時(shí)，10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)均發(fā)出報(bào)警提示音，同時(shí)其報(bào)警可采用不同指示燈區(qū)分不同的報(bào)警項(xiàng)目。在經(jīng)過實(shí)物調(diào)試及相應(yīng)的測(cè)試后，該系統(tǒng)已經(jīng)基本可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前科技發(fā)展水平迅速提高的時(shí)代大背景下，本文根據(jù)10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、使用成本和場(chǎng)合等要素，選擇MQ-2型的半導(dǎo)體電阻型煙霧傳感器，它具有較高的靈敏度，能夠做出及時(shí)快速的響應(yīng)，整體運(yùn)行狀態(tài)比較平穩(wěn)。尤其是在溫度越高的情況下，MQ-2型的半導(dǎo)體電阻型煙霧傳感器反應(yīng)速度越快。STM32F103單片機(jī)性能較好，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。各類監(jiān)測(cè)信息警報(bào)可以在大范圍的溫度下工作，3種傳感器均可以觸發(fā)報(bào)警，使10kV開關(guān)柜監(jiān)測(cè)更安全。綜上所述，從技術(shù)、功能到標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，光伏電站10kV開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)正處于高速發(fā)展階段，有廣闊的發(fā)展空間和巨大的市場(chǎng)空間，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)也必將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]謝丹，李越，洪偉藝，等.變電站電氣柜火災(zāi)探測(cè)及分散式氣體滅火裝置設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2023，42（8）：1126-1130.

[2]趙遠(yuǎn)輝，鄭慶圭，徐蒙，等.基于FDS的水下平臺(tái)內(nèi)電氣柜火災(zāi)數(shù)值模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（8）：1094-1098.

[3]姜德亮.10kV高壓開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警及滅火技術(shù)研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2023.

[4]郭強(qiáng)，李陽(yáng)，徐鴻，等.基于多維傳感技術(shù)的換流站高壓開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警裝置的研究[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2022（2）：52-55.