Контроллер мониторинга электропроводки в помещении

Введение

Напомним, что одной из самых частых причин пожаров в квартирах и промышленных помещениях является возгорание электропроводки. Возгорание электропроводки может возникать по нескольким причинам:

• использование старых шлейфов электропроводки и автоматических выключателей приводит к короткому замыканию (далее – КЗ) и к нагреву компонентов шлейфов;
• наличие слабых контактов соединений приводит к перегреву изоляции шлейфов;
• длительная перегрузка в электросети или некачественное оборудование также приводит к недопустимому нагреву шлейфов и распределительных коробок.

Указанные деструктивные факторы могут привести к воспламенению даже после срабатывания автоматов защиты и УЗО. Наибольшую пожароопасность представляет короткое замыкание в шлейфе. Вероятность возгорания электропроводки из-за перегрузки значительно ниже, поскольку в современных электроустановках зданий для защиты от сверхтоков в обязательном порядке (Правила устройства электроустановок (ПУЭ), актуальная версия на 2024 год – глава 7.1) должны применяться устройства защиты от импульсных помех и перенапряжений (УЗИПы) и автоматы выключения. Для раннего обнаружения и блокирования ситуаций короткого замыкания, перегрузки по напряжению, нагрева проводов в шлейфах электропроводки необходим быстродействующий контроллер мониторинга тока, сетевого напряжения, температуры изоляции проводников с последующим отключением повреждённых шлейфов.

При разработке контроллера мониторинга был проведён анализ типовых схем разводки электропроводки в квартирах, частных домах и складских помещениях с учётом требований документа «Правила устройства электроустановок (ПУЭ), актуальная версия на 2024 год».

Данное устройство является дополнением, а не заменой существующего оборудования, размещается в электрошкафу последовательно с центральным автоматом защитного выключения и может быть интегрировано в систему Умный дом, Интернет вещей (IoT) по интерфейсу Wi-Fi.

Техническое описание устройства

С целью минимизации ложных срабатываний алгоритм работы устройства должен учитывать характеристики современного подключаемого оборудования.

Современное подключаемое оборудование, как то: АС/DC-модули светодиодных осветительных приборов, встроенные электродвигатели различных устройств, компьютерные бестрансформаторные блоки питания обладают значительным реактивным импедансом нагрузки (ёмкостным или индуктивным), что приводит к искажению гармонической формы тока в шлейфе и импульсным броскам тока и напряжения. Электродвигатели свыше 1 кВт обладают значительным начальным пусковым током, порядка 30–35 А, и в момент запуска двигателя это приводит к возникновению ударных токов свыше 100 А.

Принципы функционирования и состав устройства

В основу работы контроллера мониторинга электропроводки в помещении заложено следующее техническое решение.

1. Используется алгоритм обнаружения КЗ и токовых перегрузок, основанный на непрерывном, с интервалом 0,002 с, отслеживании скоростей изменения (производ­ных) токовых характеристик в контролируемых шлейфах и сравнении полученных величин с пороговыми значениями. При превышении этих значений выдаётся команда на выключение быстродействующего (время отключения не более 0,01 с) сильноточного твердотельного оптореле переменного тока, входящего в состав устройства мониторинга.
2. Текущие значения производных токовых характеристик рассчитываются программным обеспечением (ПО) микроконтроллера, входящего в состав устройства, на основе сигналов, поступающих с внешних бесконтактных датчиков тока, закреплённых на фазных проводах шлейфов.
3. В составе устройства применяется специальный защитный дроссель, ограничивающий скорость нарастания тока в шлейфе при КЗ и токовых перегрузках.
4. В шлейфах производится непрерывный температурный мониторинг изоляции проводов с помощью контактных температурных датчиков.
5. Осуществляется мониторинг сетевого напряжения на входе контроллера. При выходе значений величин сетевого напряжения из диапазона 197–254 В переменного тока контроллер генерирует сообщение «Перегрузка по напряжению».

Функциональная схема контроллера мониторинга электропроводки представлена на рис. 1.

Конструктивно аппаратура контроллера размещена в стандартном корпусе D4MG размерами 90×71×57 мм с креплением на DIN-рейке. Внешний вид контроллера мониторинга показан на рис. 2.

Данная реализация устройства (версия 1) поддерживает подключение до 3 шлейфов. В последующих версиях предполагается реализовать расширение с помощью сетевого объединения контроллеров.

Как видно из представленной схемы, ядром устройства мониторинга является микроконтроллер с прошитой в нём программой, реализующей алгоритм работы устройства.

При мониторинге бесконтактными токовыми сенсорами производятся измерения токов в шлейфах. Сенсоры закреплены с помощью клипс непосредственно на кабелях шлейфов (на фото рис. 2 датчик тока в корпусе чёрного цвета).

Выходы сигналов с токовых, температурных сенсоров и датчика сетевого напряжения, размещённого в блоке питания, подключены к портам АЦП микроконтроллера «Сенсор тока 1», «Сенсор тока 2», «Сенсор тока 3» и «Сенсор температуры 1», «Сенсор температуры 2», «Сенсор температуры 3», «Датчик напряжения сети» соответственно.

Модифицированная передаточная характеристика датчика тока выражается формулой:

U(t) = 0,033 × I(t) + 1,8 (1),

где U(t) – напряжение на выходе датчика; I(t) – регистрируемый ток.

Модификация передаточной характеристики токового сенсора относительно исходной U(t) = 0,033 × I(t) необходима для согласования диапазона выходных сигналов датчика ±2 В, соответствующих диапазону токов ±60 А, с входным диапазоном 0...3,6 В канала АЦП микроконтроллера. Для всех 3 каналов модификация осуществляется схемотехническим методом.

При возникновении аварийных ситуаций в шлейфе (короткое замыкание, длительное импульсное перенапряжение) происходит резкое, в 4–5 раз, повышение скоростей изменения токов относительно номинальных. При этом ПО микроконтроллера на линии Упр ОР вырабатывает сигнал выключения соответствующего оптореле (ОР), осуществляет фиксацию номера повреждённого шлейфа, температуры проводников и даты события в формате месяц-день-час-минута.

Период измерения тока составляет 0,002 с. Время выключения аварийного шлейфа при обнаружении токовой перегрузки или короткого замыкания не превышает 0,005–0,007 с, что в 3–4 раза быстрее времени реакции на это событие стандартных автоматов выключения электропитания.

Температурный мониторинг изоляции проводов шлейфов осуществляется с периодом 2 с (контактные температурные сенсоры 1–3). При температуре изоляции свыше 75 градусов (при максимально допустимой температуре нагрева 100°C) происходит аварийное отключение соответствующего шлейфа.

Дроссели 1–3 позволяют ограничить скорость нарастания ударных токов при коротком замыкании и тем самым снижают вероятность разрушения и оплавления токоведущих жил, а также предотвращают ложные выключения устройства мониторинга из-за воздействия кратковременных импульсных помех и пусковых токов при включении электроинструмента.

Рассмотрим физический механизм работы дросселей на примере.

Пусть шлейф электропроводки содержит проводники сечением 1,5 мм² (диаметр 0,7 мм). В этом случае его погонная индуктивность составляет 1,6 мкГн/м. Оценку проведём для длины шлейфа, равной 30 м. Предположим, что при КЗ сопротивление нагрузки снизилось до 0,5 Ом, а напряжение электропитания подаётся на изначально короткозамкнутый шлейф. Начальная фаза подачи напряжения равна 0.

Численные оценки характеристики переходного процесса для тока были выполнены в среде MicroCap 12.

С учётом суммарного L = 48 мкГн за интервал выключения оптореле 5 мс ток в цепи достигнет максимальной амплитудной величины 620 А. При последовательном включении в линию дросселя величиной 5 мГн за это же время ток достигнет величины порядка 270 А. Индуктивность дросселя выбиралась из компромиссных соображений: ограничение нарастания сверхтока при КЗ и минимальное влияние на характеристики нагрузок электрооборудования.

Таким образом, при наличии защитного дросселя на электропроводку при КЗ воздействует значительно меньший сверхток, что снижает риски повреждения электропроводки и электрооборудования.

Для подавления индуктивных выбросов при выключении оптореле в схеме устройства по входу и выходу предусмотрены быстродействующие (время срабатывания порядка 1 нс) двуполярные защитные диоды D1–D4.

Главными отличительными особенностями представляемого устройства от аналогичных по назначению являются анализ производной токовой характеристики и применение защитного дросселя. В устройстве также предусмотрена светодиодная индикация состояния шлейфов: индикатор синего цвета – «норма», индикатор красного цвета – «авария».

Для минимизации ложной диагностики состояния КЗ при подключении сильноточных нагрузок, имеющих значительные пусковые токи (свыше 30 А), например, мощного электроинструмента, предусмотрен режим блокирования мониторинга КЗ. Этот режим запускается пользователем с помощью подачи специальной команды. При работе в этом режиме с частотой 1 Гц мигает индикатор синего цвета.

Элементная база контроллера

В изделии применены следующие широкодоступные и недорогие компоненты:

• микроконтроллер STM32F103C8T6;
• быстродействующие оптосимисторные реле переменного тока SSR-60DA с временем выключения не более 10 мс;
• бесконтактные датчики тока CSCT.60, имеющие диапазон измерений –60...+60 А и чувствительность 0,033 В/А. Преимуществами данного датчика на основе электромагнитной индукции перед интегральными токовыми сенсорами на эффекте Холла являются: бесконтактность, надёжность, простота монтажа, отсутствие электропитания;
• температурные сенсоры MF52A103F-3950 10k – 1%. Температурный диапазон –55...+125°С;
• быстродействующие двуполярные защитные диоды 1.5КЕ440СА.

Взаимодействие с пользователем

Как было сказано выше, контроллер мониторинга может быть интегрирован в систему Умный дом, Интернет вещей по интерфейсу Wi-Fi. С этой целью в нём предусмотрен модуль Wi-Fi ESP-01 – один из самых популярных модулей серии ESP8266 [2] китайского производителя Espressif Systems.

Данный компонент поддерживает стандарт 802.11b/g/n, имеет рабочую частоту 2,4 ГГц и выходную мощность 20 дБм. Радиус действия на открытой местности составляет примерно 500 м.

Основанием для выбора данной модели является и то, что для неё существуют бесплатные программные средства разработки и большой выбор библиотек и готовых решений, представленных в Интернете.

Модуль ESP-01 может быть сконфигурирован как точка доступа (soft-AP) или как станция (soft-STA). В первом случае он выступает как роутер в локальной сети без выхода в Интернет. Во второй конфигурации модуль подключается к роутеру Wi-Fi домашней сети с выходом в Интернет.

Для получения информации от контроллера о результатах мониторинга в onlinе-режиме наиболее предпочтителен последний вариант.

В данном устройстве реализован протокол ТСР. В последующих версиях изделия планируется использовать набирающие популярность в IoT-системах экономичные протоколы MQTT или CoAP [3].

В ПО контроллера мониторинга заложена возможность управлять включением/выключением подачи электропитания на шлейфы, а также предоставлять информацию о состоянии шлейфов электропроводки: величине протекающего тока, напряжении в сети, наличии/отсутствии перегрузок по напряжению, наличии состояния КЗ. С этой целью на базе микроконтроллера устройства создаётся небольшой веб-сервер.

Связь пользователя с сервером может быть обеспечена двумя способами.

Способ 1 – по НТТР-протоколу передачи данных с использованием «клиент-серверной» модели. При обращении к веб-серверу клиент должен послать с любого браузера HTTP-запрос, в котором должен указать IP-адрес устройства и команду для совершения конкретного действия, например, http://10.0.1.11/lon/ – включить контроллер мониторинга с IP-адресом 10.0.1.11.

IP-адрес устройства назначается Wi-Fi-роутером домашней сети. Информацию о нём можно получить при подключении ПК к USB-порту (виртуальный СОМ-порт) в любой терминальной программе. Данное действие, а также мнемоника запросов при различных командах приведены в Руководстве по эксплуатации.

В контроллере предусмотрены 4 вида команд:

• «lon» – включение;
• «lof» – выключение;
• «lgo» – запрос результатов мониторинга;
• «ofkz» – отключить режим обнаружения КЗ.

Далее представлены скриншоты отображения информации, когда к контроллеру подключён один шлейф с нагрузкой. Скриншоты окон браузера Opera при запросе клиентом результатов мониторинга для рабочего и аварийного режима показаны на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

В окне представлена информация о токе в шлейфе, температуре провод­ников, напряжении в электросети и отсутствии перегрузок по напряжению.

Способ 2 – с помощью установленного на смартфоне, ПК или планшете бесплатного приложения TCP-client.

Скриншот окна приложения показан на рис. 5. В первой строке указано имя домашней сети, например, MyProWiFi, во второй строке – IP-адрес контроллера 10.0.1.11 и номер порта ТСР-соединения (80). Скриншот приложения при отображении результатов мониторинга в рабочем режиме показан на рис. 6. 

Содержание окна аналогично показанному на рис. 3.

Электропитание контроллера

При мониторинге в нормальном рабочем режиме электропитание осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц – с выхода внешнего общего автомата выключения. При возникновении аварийной ситуации возможно размыкание внешнего автомата. В этом случае аппаратура контроллера автоматически переходит на работу от встроенной АКБ. Для этой цели модуль питания содержит схему подзарядки АКБ. При размещении устройства в неотапливаемом помещении рекомендуется использовать морозостойкие литий-полимерные АКБ LP383454LC фирмы EEMB с возможностью работы при температуре от –40°C, ёмкостью 720 мА·ч и номинальным напряжением 3,7 В. Для устройства, предназначенного для работы в отапливаемом помещении, возможно использование более дешёвых обычных литий-полимерных АКБ ёмкостью 2000...3000 мА·ч. Назначение автономного электропитания – обеспечивать функционирование Wi-Fi-модуля для связи с пользователем при отсутствии напряжения в электросети.

Требования к программному обеспечению

При разработке ПО микроконтроллера учитывалось несколько важных требований, среди которых:

• быстродействие изделия. Определение аварийной ситуации и её блокирование должны выполняться за минимальный интервал времени. Для этого в данной разработке применяются решения, позволяющие использовать возможности аппаратного ускорения операций;
• автономность изделия. Контроллер мониторинга должен самостоятельно и без участия оператора выполнять весь рабочий цикл. Для выполнения этого требования связь с клиентом поддерживается исходя из следующих принципов:
  – мониторинг осуществляется на основе вырабатываемых внутренних критериев;
  – обмен данными с клиентом выполняется только по инициативе клиента;
  – информационные сигналы посылаются клиенту только при его подключении к изделию;
• взаимодействие с модулем Wi-Fi.

Базовая конфигурация модуля ESP-01 должна производиться с помощью АТ-команд и храниться в ПО микроконтроллера. Пример конфигурации модуля в режиме станции приводится ниже.

«AT» – проверка правильности подключения и работы модуля. Модуль ответит подтверждением.

«AT+RESTORE» – сброс настроек модуля Wi-Fi.

«AT+SLEEP=0» – перевод модуля в рабочий режим из SLEEP-режима.

«AT+CWLAP» – определение точек доступа и уровень их сигнала в зоне действия.

«AT+CWMODE=1» – устанавливает режим станции STA.

«AT+CWJAP»=”SSID”,”PASSWORD” – подключение ESP-01 к домашнему роутеру с именем SSID и паролем PASSWORD.

«AT+CIPSTA?» – отображение полученного IP-адреса для контроллера мониторинга, значения маски и шлюза. По этому адресу осуществляется запрос в поисковой строке браузера клиента.

«AT+CIPMODE=0» – включение сквозного режима передачи данных.

«AT+CIPMUX=1» – включение возможности множественного подключения.

«AT+CIPSERVER=1,80» – запуск сервера с указанием номера порта (80).

«AT+CIPSTO=180» – тайм-аут сервера в секундах.

«AT+PING="ya.ru"» – проверка пинга с Интернетом. Дальнейшие настройки не приводятся, так как это уже в меньшей степени относится к ПО устройства и в большей степени к разбору логики работы веб-сети и протокола HTTP.

Испытание изделия

Были проведены предварительные испытания устройства, целью которых являлось подтверждение правильности выбора алгоритмов работы, схемотехнических решений и достоверности обнаружения аварийных ситуаций «короткое замыкание», «перегрузка по напряжению». Испытания в целом подтвердили правильность выбранных технических решений. По результатам проведённых испытаний были оптимизированы характеристики защитных дросселей и топология размещения компонентов на материнской плате изделия.

Выводы

Проведена разработка, и на её основе создан недорогой контроллер мониторинга электропроводки в помещении.

Основное назначение устройства – своевременное обнаружение аварийных ситуаций в шлейфах электропроводки, таких как короткое замыкание, перегрузка по току с последующим быстрым отключением аварийных шлейфов, тем самым предотвращая возгорание электропроводки и подключённого к ней электрооборудования.

Время обесточивания аварийного шлейфа в 2–2,5 раза меньше времени срабатывания стандартного автоматического выключателя при перегрузке по току или КЗ. Данное изделие является дополнением, а не заменой существующего оборудования, размещается в электрошкафу последовательно с центральным автоматом защитного выключения и может быть интегрировано в систему Умный дом, Интернет вещей по интерфейсу Wi-Fi.

Информацию о результатах автоматического мониторинга через установленное приложение TCP-client или с использованием любого веб-браузера пользователь может получать на ПК, смартфон или планшет.

Главными отличительными особенностями представляемого устройства от аналогичных по назначению являются анализ производной токовой характеристики и применение защитных дросселей для ограничения нарастания тока при КЗ.

Контроллер мониторинга может выпускаться в двух исполнениях: для работы в отапливаемом помещении и для работы в неотапливаемом помещении. В настоящее время идёт подготовка к выпуску РКД на изделие с последующим выпуском опытной партии и сертификацией устройства.

В следующей модификации контроллера мониторинга для гибкой интеграции в сеть IoT планируется использование протокола MQTT или CoAP, а также улучшение дизайна веб-страницы пользователя.

Ожидаемая себестоимость производства изделия при объёме выпуска 200 шт. в месяц – 900...1000 рублей.

©СТА-ПРЕСС, 2025