漏電防火報警系統中連續過(guò)載電流調度算法的實(shí)現

摘要：漏電防火報警系統又稱(chēng)剩余電流報警系統，通過(guò)探測線(xiàn)路中漏電流的大小來(lái)判斷火災的發(fā)生的可能性，從而能夠提早預防火災發(fā)生，起到與現有消防系統相互補充的重要作用。針對供電系統實(shí)際情況，提出基于比例因子的連續過(guò)載電流調度算法，考慮到過(guò)載長(cháng)延時(shí)，過(guò)載短延時(shí)以及短路情況的不同，進(jìn)一步改進(jìn)控制算法，使得這種控制算法比較適合在該系統中推廣。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)試驗和時(shí)間驗證，這種對多規格延時(shí)的過(guò)載電流的調度算法能夠反映實(shí)際現場(chǎng)情況，較為滿(mǎn)意地實(shí)現過(guò)載電流的控制。
關(guān)鍵詞：AVRmega128單片機；指數發(fā)熱；散熱模型；電流反時(shí)限

0 引言
當今社會(huì )高層建筑不斷增多，對火災監控、預警和預報系統的需求不斷提高。根據公安部消防局公布的一項統計結果，近年來(lái)，中國城市火災發(fā)生率呈上升趨勢。一旦發(fā)生火災，不但對人的生命財產(chǎn)造成極大的危害，而且會(huì )對每一個(gè)家庭帶來(lái)災難性打擊?，F代建筑的發(fā)展普遍帶有智能系統，火災自動(dòng)報警系統正是適應現在樓宇建筑智能系統的配套硬件設施，對火災漏電監控，肩負起安全防范重大責任，在現代智能建筑中起著(zhù)非常重要的安全保障作用。在工業(yè)和民用建筑、賓館、圖書(shū)館、科研和商業(yè)部門(mén)，漏電火災自動(dòng)報警系統已成為必須的裝置。
對過(guò)載電流的監控是漏電火災自動(dòng)報警系統的一個(gè)重要組成部分，隨著(zhù)工業(yè)、民用用電量的不斷增加，過(guò)載電流引發(fā)的事故也在不斷增加，但過(guò)載電流不同于漏電，所以對過(guò)載電流處理原則是既不能影響工業(yè)生產(chǎn)和民建用電，又要對過(guò)載所引發(fā)的事故進(jìn)行預防。本文在分析過(guò)載電流特點(diǎn)的基礎上，提出對復合過(guò)載電流所引發(fā)的跳閘的新型調度算法。

1 過(guò)載電流分析以及處理方法
在實(shí)際工作生活中，引發(fā)電流過(guò)載的情況復雜，例如電器設備的數量不斷增長(cháng)引發(fā)的緩慢電流過(guò)載，也有瞬間達到額定電流的3～7倍，特殊情況下達到10倍引發(fā)的電流快速過(guò)載以及大電流過(guò)載情況或者短路。過(guò)載電流不會(huì )立即危害電器設備，但如果不加以控制，時(shí)間越長(cháng)，在線(xiàn)路上很難起到累計效應從而給電器設備帶來(lái)嚴重的破壞，更有可能造成火災事故的發(fā)生。
目前對電流過(guò)載多采用三段式過(guò)載保護特性：比較長(cháng)延時(shí)過(guò)載保護、短延時(shí)過(guò)載保護以及短路保護。
(1)對較長(cháng)時(shí)間延時(shí)電流過(guò)載的保護方法
長(cháng)時(shí)間延時(shí)，過(guò)載保護現有基本方法分為：
①基于過(guò)載電流長(cháng)延時(shí)的斜波特性，即I2t特性建立的數學(xué)表達式：

式中：IL為過(guò)載電流值；TL為跳閘動(dòng)作時(shí)間；k1為常數；Ir為電流整定值；tL為長(cháng)時(shí)間動(dòng)作時(shí)間整定值。在式(1)的等號右邊是已知的常量通常用K表示。根據式(1)可以判斷當跳閘動(dòng)作時(shí)間與發(fā)生過(guò)載的電流成反比，也就是說(shuō)當電流過(guò)載的時(shí)候，過(guò)載電流值越大那么發(fā)生跳閘的時(shí)間將會(huì )越短，這種特性通常叫做反時(shí)限特性。這種數學(xué)模型是在物理上模擬了斷路器出頭的發(fā)熱過(guò)程，當熱量累計到一定程序的時(shí)候跳閘。
②基于時(shí)間常數的指數發(fā)熱與散熱模型，數學(xué)表達式為：

這種模型的物理特性是模擬電機發(fā)熱，并將其作為一個(gè)均勻等溫體，根據熱平衡原理：蓄熱+散熱=發(fā)熱。式(2)微分方程的解為：

式中：為電機的穩態(tài)升溫；電機的熱時(shí)間常數；τ0為電機的初始溫升。其中P為電機功率，KT為散熱系數，A為散熱體面積，C為比熱，M為散熱體體積。
為了對時(shí)間常數的指數發(fā)熱方程進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，上述方程變化為：

式中：x1，x2，x3是數學(xué)模型參數，通過(guò)實(shí)際測量升溫τ和時(shí)間t在不同過(guò)載情況下的對應個(gè)多組數據，采用最小二乘法原理和高斯一牛頓下降法，在一定誤差容限ε下，估算出函數的參數，并以在不同過(guò)載情況下的函數計算升溫τ，當升溫達到過(guò)載保護要求的時(shí)候跳閘。
考慮到自動(dòng)合閘的情況，當電動(dòng)機停止運轉時(shí)，電機散熱到一定溫度下，要求能過(guò)自動(dòng)回復正常工作，所以對單時(shí)間常數冷卻方程同樣要做擬合模型。