牽引變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性探討

邵 成,陳 波,張忠杰

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

隨著我國客運專線、高速鐵路的建設(shè)步伐加快,對牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性也提出更高要求,變電站管理模式也逐步過渡為無人值班模式,牽引變電所為實現(xiàn)無人值班及供電安全，按照設(shè)計規(guī)范一般除了綜合自動化系統(tǒng)外,還配套設(shè)計視頻安全監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測控制等安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保牽引供電安全可靠,但從實際運營過程來看,效果還不太理想,存在一定問題,安全監(jiān)控系統(tǒng)自身安全可靠性也需要深入分析,確定更加合理的設(shè)計方案。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)主要面臨問題

工程設(shè)計中牽引變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實際現(xiàn)場需求主要包括視頻監(jiān)控設(shè)備,高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測設(shè)備以及所內(nèi)環(huán)境監(jiān)測控制設(shè)備及消防安全自動化設(shè)備、地震監(jiān)測設(shè)備等部分,根據(jù)專業(yè)劃分,有關(guān)消防安全設(shè)備由房建專業(yè)設(shè)計,視頻監(jiān)控系統(tǒng)由通信或電化專業(yè)設(shè)計,設(shè)備在線監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)控設(shè)備由電化專業(yè)設(shè)計。由于專業(yè)設(shè)計角度不同,技術(shù)接口也未明確。所以各部分投入使用后一般也均為分立系統(tǒng),設(shè)備相互之間很難執(zhí)行信息共享及聯(lián)動,目前國內(nèi)還沒有完整的牽引變電所安全監(jiān)控的解決方案。大多數(shù)牽引變電所的安全防護(hù)都處在非智能范疇,例如視頻監(jiān)控目前尚停留在普通的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控上,只是視覺監(jiān)視的遠(yuǎn)程的延伸,還不具備智能化視頻監(jiān)控的目標(biāo)。其次,各安全防護(hù)設(shè)備各系統(tǒng)間相互獨立,只能提供現(xiàn)場的監(jiān)視信息,尚不能為運營管理人員提供智能化判斷和決策依據(jù),必須人工輔助分析。有的設(shè)備安裝地點設(shè)計不合理,距離高壓帶電設(shè)備過近,檢修時要停電。另外,投入的安全監(jiān)控及防護(hù)設(shè)備由于設(shè)備自身質(zhì)量、施工安裝工藝及維護(hù)不到位等原因,往往系統(tǒng)投運時間不長就發(fā)生設(shè)備故障、頻繁誤報警等現(xiàn)象,運營管理部門往往不會向管理綜合自動化系統(tǒng)那樣及時認(rèn)真迅速處置,往往不做深入分析和故障排查,甚至對誤報警干擾有時只是簡單關(guān)閉報警項,這樣會存在很大的安全隱患,也完全忽視了設(shè)計安全監(jiān)控系統(tǒng)的初衷,造成投資的極大浪費。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)計原則

預(yù)防為主是系統(tǒng)設(shè)備安全管理的基本原則,變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用即保障所內(nèi)良好的設(shè)備工作環(huán)境,并實時監(jiān)測牽引供電設(shè)備運行工況,防止?fàn)恳╇娤到y(tǒng)帶病運行,提前排查隱患,為牽引變電所的供電安全、設(shè)備安全提供技術(shù)保障。實現(xiàn)手段即以管理為核心,通過智能化手段,營造一個安全、可靠、節(jié)能的設(shè)備運行空間。安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計以結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化、模塊化、集成化、智能化的方式實現(xiàn)。其主要構(gòu)成包括運行設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視,入侵檢測,環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控,設(shè)備運行參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測等幾部分。

安全監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)示意見圖1。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)示意

系統(tǒng)各部分設(shè)計要點總結(jié)如下。

(1)運行設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視：根據(jù)場地條件、設(shè)備布點、設(shè)備區(qū)監(jiān)視目標(biāo)及范圍等綜合考慮,配置攝像機數(shù)量及安裝位置,安裝方式以及攝像機選型及配套件如補光燈的設(shè)置,對于變電站主要監(jiān)視區(qū)域為入口處、場地設(shè)備區(qū)、高壓室設(shè)備區(qū)、監(jiān)控設(shè)備區(qū)等部分。

(2)入侵檢測：紅外或激光圍禁作為入侵檢測的外圍設(shè)備安裝后應(yīng)具備防拆卸措施,電源及信號線隱蔽且具有防短路保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生非法翻越情況時,啟動信號報警,區(qū)域攝像機則按預(yù)置位轉(zhuǎn)向報警區(qū)域,當(dāng)照明條件不滿足要求時,自動打開本區(qū)投光燈,并自動啟動硬盤錄像和遠(yuǎn)方監(jiān)控畫面的視場切換。

門禁、玻璃破碎報警單元輸出繼電器接點給視頻監(jiān)控的矩陣報警輸入模塊和DVR的報警輸入端,以實現(xiàn)對受控門點或相關(guān)部位的圖像監(jiān)視錄像功能。

關(guān)鍵點如入口及場地攝像機可設(shè)計滿足在復(fù)雜的天氣和光線環(huán)境中精確偵測和識別單個或多個目標(biāo)的運動情況、運動方向、運動特征等的智能攝像機。通過設(shè)置一定的安全規(guī)則定義報警的條件,一旦有運動目標(biāo)侵入設(shè)定的保護(hù)區(qū)域,系統(tǒng)立即在視頻畫面中標(biāo)識鎖定目標(biāo)并觸發(fā)報警。

(3)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控：設(shè)備運行溫濕度監(jiān)測及控制,水淹檢測報警,地震監(jiān)測,火災(zāi)探測,視場照度控制等。

環(huán)境監(jiān)控單元根據(jù)采集室內(nèi)的溫濕度信息可自動啟停空調(diào)、加熱設(shè)備,使室溫滿足有關(guān)設(shè)備運行工況。空調(diào)應(yīng)采用帶智能接口的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)。系統(tǒng)控制策略以節(jié)能為主要原則,并兼顧設(shè)備運行環(huán)境要求和空調(diào)啟動次數(shù)最少的要求。

消防單元通過采集監(jiān)測區(qū)域的有關(guān)溫度、煙感信息,實現(xiàn)對站內(nèi)火災(zāi)智能化監(jiān)測、遠(yuǎn)程報警和自動泡沫滅火及相關(guān)電源自動切除處理,同時可觸發(fā)本區(qū)域的監(jiān)視攝像機，通過預(yù)置位聯(lián)動模式自動將畫面切換到火災(zāi)發(fā)生地點。

地震監(jiān)測設(shè)備啟動后聯(lián)動切除牽引變電所進(jìn)線斷路器,對運行線路斷電,切除運行列車電源,防止災(zāi)害情況下次生觸電災(zāi)害的發(fā)生。

水浸傳感器檢測電纜溝進(jìn)水情況并及時報警,有條件的可自動啟動排水泵,防止電纜長期浸泡導(dǎo)致絕緣故障。

視場照度控制一般與監(jiān)控攝像機配合使用,當(dāng)視場照度不足時可啟動照明或補光燈,滿足形成良好的視場圖像條件。

(4)設(shè)備運行參數(shù)在線監(jiān)測

牽引供電設(shè)備運行參數(shù)在線監(jiān)測設(shè)備主要包括設(shè)備絕緣參數(shù)監(jiān)測、變壓器油色譜監(jiān)測、電纜頭、電纜及開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測等。

根據(jù)設(shè)備重要程度及電壓等級一般在變壓器高壓側(cè)設(shè)置必要的斷路器、互感器、避雷器絕緣參數(shù)監(jiān)測設(shè)備,主要對泄漏電流、介損、電容值等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測,對變壓器主要監(jiān)測油中氣體及微水含量及鐵芯接地電流,高壓電纜及開關(guān)柜主要采用光纖監(jiān)測溫度,達(dá)到排查故障隱患的目的。

絕緣參數(shù)監(jiān)測設(shè)備安裝及檢測原理不得改變原有設(shè)備接線及接地方式。

上述視頻監(jiān)控設(shè)備可與綜合自動化系統(tǒng)、環(huán)境安全監(jiān)控設(shè)備、在線監(jiān)測設(shè)備形成聯(lián)動,通過統(tǒng)一的安防系統(tǒng)監(jiān)控平臺設(shè)置。

變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)要求設(shè)置合理,要充分考慮系統(tǒng)功能的擴展,在監(jiān)測原理、設(shè)備選型、供電、組網(wǎng)接線、施工工藝、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)充分考慮系統(tǒng)架構(gòu)的合理性,安裝及維修便利性等保證系統(tǒng)的安全可靠性。系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷和自恢復(fù)功能,當(dāng)診斷出故障或異常時能自動閉鎖或退出故障單元及設(shè)備,并發(fā)出告警信號以便及時維修處置。系統(tǒng)具備必要的容錯性,當(dāng)某一單元故障或退出均不影響系統(tǒng)整體的正常運行。

3 主要設(shè)備選型及施工安裝

3.1 主要設(shè)備選型安裝

(1)編解碼器

視頻監(jiān)控環(huán)節(jié)主要部件除了前端攝像機,關(guān)鍵核心設(shè)備即為編解碼器,它的好壞直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量、圖像質(zhì)量及系統(tǒng)穩(wěn)定性。選擇編解碼器主要關(guān)注在同一網(wǎng)絡(luò)帶寬約束下的編解碼格式、傳輸特性、圖像質(zhì)量等指標(biāo)。要選擇支持MPEG-4和H.264編碼格式的編解碼器,傳輸速率及清晰度也可在一定的范圍內(nèi)作相應(yīng)的變化,便于用戶根據(jù)自己對錄像時間、傳輸路數(shù)和清晰度的不同要求進(jìn)行不同的設(shè)置,提高系統(tǒng)使用時的適應(yīng)性和靈活性。也可采用動態(tài)偵測技術(shù),動態(tài)時快錄,靜態(tài)時慢錄,從而減少平均數(shù)據(jù)量,節(jié)省存儲空間。而且當(dāng)傳輸有誤碼或丟包現(xiàn)象時能迅速恢復(fù)。

(2)攝像機

根據(jù)使用功能和安裝環(huán)境不同,變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)選用不同的攝像機。根據(jù)監(jiān)視點實際需要一般要明確監(jiān)視距離、視場大小、照度范圍、背景條件等指標(biāo)。變電所室外主變、進(jìn)線、高壓設(shè)備處以及主控室、高壓室內(nèi)應(yīng)選擇一體化球機,可以控制云臺觀看不同位置處圖像,在電容室等觀看對象較為集中的地方安裝固定攝像機。如果需要夜間觀看圖像,須選裝帶紅外或激光補光功能的攝像機,或者單獨安裝補光燈。

攝像機、補光燈的安裝距離需要滿足高壓設(shè)備的安全凈距。根據(jù)不同視角采用壁裝或吊裝方式。攝像機支架、吊桿的強度須保證對攝像機和云臺的支撐,支架、吊桿安裝座與墻壁、屋頂?shù)劝惭b部位用指定的膨脹螺栓固定,不可采用直徑小于要求的螺栓,不可少于要求的安裝數(shù)量。

(3)圍禁設(shè)備(圖2)

圍禁設(shè)備如紅外對射,激光對射要選擇長壽命,安裝自由度可調(diào)節(jié)的設(shè)備。對射傳感器的安裝必須遵循成對安裝,次序排列,高度一致,水平對齊的原則。即發(fā)射端加接收端組成一個有效防護(hù)單元,圍墻幾個墻體的防護(hù)單元從發(fā)射端到接收端的光線發(fā)射順序必須保持一致。

保持對射收發(fā)器安裝在同一高度,并且水平相向?qū)R。

圖2 圍禁設(shè)備施工安裝布置

(4)煙感

煙感探測器必須選擇消防認(rèn)證的產(chǎn)品,探測器要安裝在被探測設(shè)備的上方,便于火災(zāi)氣體和煙霧的收集,采用吸頂安裝,每一種煙感探測器都有一定的保護(hù)范圍,被探測設(shè)備必須安裝在煙感的有效保護(hù)范圍內(nèi)。

(5)碎窗

碎窗傳感器具有一定的探測距離和范圍,可以安裝于天花板,或與玻璃相對的墻上,玻璃任一角距碎窗探測器不可超出保護(hù)距離和探測角度限制,避開干擾源。一般情況下,不要安裝在距被保護(hù)玻璃所在墻壁、或任一堅硬回音墻壁1.5 m以內(nèi)的地方。

(6)纜式火災(zāi)探測器(圖3)

纜式火災(zāi)探測器與電纜溝內(nèi)被檢測電纜接觸或懸掛安裝,正弦波方式敷設(shè),感溫電纜不能承受積壓和拉力,間隔半個波長用塑料卡具固定,避免感溫電纜打結(jié),嚴(yán)重扭折或彎曲,感溫電纜不可與其他電纜或電纜橋架短路。

圖3 纜式火災(zāi)探測設(shè)備安裝示意

(7)光纖測溫傳感器

由于牽引變電所采用大量高壓電纜連接變壓器及開關(guān)柜以及上網(wǎng)供電線,且電纜過熱故障90%以上發(fā)生在接頭處,因此在設(shè)計中一般都配置光纖電纜測溫設(shè)備。工程安裝中一般將光纖溫度傳感器布設(shè)在電纜接頭的外封套上,在最靠近接頭處用環(huán)氧導(dǎo)熱膠將光纖傳感器固定在上面,為保證牢固需要用防火耐熱尼龍帶將傳感器緊固。注意安裝前要對電纜接頭外封套進(jìn)行灰塵、鐵銹、污物等的清潔工作。

(8)水浸傳感器

水浸傳感器主要探測變電所電纜溝內(nèi)積水,探頭及供電回路、信號接點傳輸回路必須考慮防水要求,探頭電極一般采用薄不銹鋼材料,固定在絕緣板上,保證長期浸在水中不會銹蝕及失效。探測器應(yīng)豎直安裝,有足夠長度,電源及信號接頭采用防水航空連接組件,浸于水中也不會短路。

(9)門禁

鎖具選擇在門禁系統(tǒng)中是比較重要的環(huán)節(jié),一般在設(shè)計階段只是平面圖,只能看出是單扇還是雙扇門,電磁鎖是最佳選擇,安裝方便,適合各種門。同時設(shè)計要注意電磁鎖應(yīng)具備火災(zāi)報警自動釋放功能,防止在有人檢修試驗時突發(fā)火災(zāi)由于安全門或檢修門鎖閉導(dǎo)致事故發(fā)生。

(10)泄漏電流傳感器

泄漏電流傳感器是在線監(jiān)測設(shè)備的主要參數(shù)采集設(shè)備。傳感器是信號采樣的關(guān)鍵環(huán)節(jié),尤其作為強電磁干擾環(huán)境中的微弱電流采集的傳感器,戶外安裝應(yīng)采用高可靠傳感器。結(jié)構(gòu)應(yīng)采用穿芯式,套在設(shè)備末屏或末端接地線上來獲取泄漏電流信號,這種方式不影響被監(jiān)測高壓設(shè)備的原有接線方式,安全可靠性好。電流傳感器材料應(yīng)選用起始導(dǎo)磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯,并采用深度負(fù)反饋補償技術(shù)對鐵芯的激磁磁勢進(jìn)行全自動補償,使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態(tài),同時需對線圈進(jìn)行屏蔽,可有效提高傳感器角差和比差的穩(wěn)定性,并使傳感器具有良好的溫度特性。

3.2 電源及電纜敷設(shè)3.2.1 供電電源

供電電源要按電壓等級、分類分群設(shè)置策略,每路按設(shè)備容量獨立考慮,各供電回路之間考慮必要的隔離限壓限流措施,防止一路故障影響其他設(shè)備的正常運行。

對于長線供電要考慮電壓衰減影響。例如變電所內(nèi)距離監(jiān)控主機較遠(yuǎn)的攝像機若按照其供電電源要求直接輸送低電壓(如DC12V,AC24V)很容易衰減和受干擾,造成攝像機工作狀態(tài)不穩(wěn)定,因此對于遠(yuǎn)距離供電的攝像機,設(shè)計時需要直接輸送AC220V電源,在攝像機處再配置輸入電壓范圍寬,密封性好的開關(guān)電源或線性電源轉(zhuǎn)換成設(shè)備需要的低電壓。

為了避免AC220V受高壓干擾,以及本身對信號線、視頻線的干擾,電源電纜要選擇帶屏蔽層的電纜,屏蔽層密度也要符合要求。同樣,信號線、視頻線也要選用帶屏蔽的優(yōu)質(zhì)電纜。

電纜線徑的選擇需要考慮功耗、衰減條件,滿足布線距離的要求。

3.2.2 電纜敷設(shè)及支架安裝

安全監(jiān)控系統(tǒng)電纜走線需要穿管,明鋪配管要求橫平豎直、整齊美觀,可以選用PVC管或線槽,有可能產(chǎn)生高壓干擾的地方須配鋼管,暗配管要求盡可能做到管路簡潔有效、減少彎頭,必須選用鋼管。管內(nèi)穿線截面積和最多不可超過管內(nèi)孔截面積的70%,彎曲半徑應(yīng)符合所穿入電纜彎曲半徑的規(guī)定。電纜避免接頭,如不得已則需要壓接或焊接,接頭處不可著力。交流電源線需要單獨穿管,不能與信號線和低壓直流電源線穿在同一管內(nèi)。

各類攝像機、紅外及激光對射傳感器等都配套有安裝支架,支架安裝是系統(tǒng)可靠運行的重要保障,如圍墻支架安裝要考慮基礎(chǔ)沉降、平整性及風(fēng)偏影響,固定或預(yù)埋要牢固,支架應(yīng)有足夠強度,外力作用下不應(yīng)產(chǎn)生晃動。

3.3 戶外安裝設(shè)備電磁兼容及防雷

3.3.1 電磁兼容性

各類安全監(jiān)控前端設(shè)備要滿足電磁兼容試驗標(biāo)準(zhǔn),傳輸信號電纜屏蔽性能、安裝接線工藝要符合要求,外殼盡量采用金屬屏蔽罩。設(shè)備采用一點接地措施。以變電所關(guān)鍵設(shè)備攝像機安裝為例,當(dāng)變電所安裝的室內(nèi)或室外攝像機與視頻監(jiān)控主機多點接地,容易在攝像機和監(jiān)控主機多個接地點間產(chǎn)生地電位差,從而產(chǎn)生地電流對圖像傳輸產(chǎn)生干擾。表現(xiàn)為視頻圖像上存在寬暗橫帶持續(xù)不斷滾動或圖像扭曲。為了避免地環(huán)路干擾,變電所內(nèi)安裝攝像機時一定要注意使攝像機和監(jiān)控主機具有共同的接地。施工中,攝像機與安裝位置處不接地,接地線引入室內(nèi)監(jiān)控機柜與監(jiān)控主機接入同一接地點。如圖4所示。

圖4 戶外攝像機接地施工工藝

3.3.2 防雷

由于安全監(jiān)控設(shè)備大多安裝在戶外開放地點,有的還處于環(huán)境高點,容易遭受雷電襲擊,必須考慮防雷措施。目前戶外安裝的設(shè)備防雷有時存在著一定誤區(qū),簡單的以為接地即防雷,錯誤地用防雷器預(yù)防雷擊等。

以戶外攝像機為例,當(dāng)雷擊發(fā)生時,如果室外攝像機直接接地,雷擊產(chǎn)生的高電壓會使避雷針和室外攝像機接地處形成地回路,產(chǎn)生地電流,從而擊毀攝像機,甚至電流會沿著連接線纜使監(jiān)控主機等室內(nèi)設(shè)備都受到影響。

因此室外攝像機的防雷需要避免雷擊地回路的產(chǎn)生,室外攝像機不能安裝在避雷針上,要單獨立桿安裝并且盡量絕緣,安裝不可直接接地,且立桿應(yīng)處于避雷針有效保護(hù)范圍內(nèi)。信號傳輸需設(shè)置電涌保護(hù)器。如圖5所示。

圖5 戶外立桿監(jiān)控設(shè)備防雷安裝示意

4 運營及維護(hù)

系統(tǒng)設(shè)計時就需要考慮運行維護(hù)的便利性,設(shè)備可便于分區(qū)域停電檢修,戶外設(shè)備安裝點與一次高壓供電設(shè)備有必要的安全檢修距離,避免高壓設(shè)備停電才能進(jìn)行設(shè)備檢修。

在安全監(jiān)控系統(tǒng)施工建設(shè)期內(nèi),相關(guān)維護(hù)部門應(yīng)提前介入,迅速熟悉設(shè)備原理、組成、測試試驗及維修方法等工作內(nèi)容。當(dāng)電站安全監(jiān)控系統(tǒng)投入使用后,有關(guān)電站安全監(jiān)控系統(tǒng)信息遠(yuǎn)傳維修調(diào)度,維護(hù)人員針對每條報警主要設(shè)備要定時檢查和清理,避免灰塵、雨水、飛蟲、落葉、蛛網(wǎng)等對監(jiān)視和防護(hù)效果的影響。檢查和清理時注意防靜電操作。定期要對設(shè)備進(jìn)行工作正常性測試,可以采用實際操作,模擬警報,設(shè)備自帶手動測試等方式。測試時注意技術(shù)要求,避免誤操作,測試完畢后恢復(fù)正常布防狀態(tài)。

設(shè)備故障后要及時查找故障原因,如果因線纜連接、安裝固定等因素造成要及時處理,設(shè)備故障的維護(hù)一定按照設(shè)備維修手冊進(jìn)行,及時聯(lián)系設(shè)備供貨廠家提供技術(shù)指導(dǎo)。

5 結(jié)論

筆者對變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則、設(shè)備選型及安裝進(jìn)行了詳細(xì)分析,并總結(jié)了運營維護(hù)要求,主要研究結(jié)論如下。

(1)變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)是為牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行保駕護(hù)航的關(guān)鍵性設(shè)備,它為牽引供電系統(tǒng)的安全可靠提供了技術(shù)條件,以管理為核心,通過智能化手段營造安全、可靠、節(jié)能的設(shè)備運行空間。安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括設(shè)備運行狀態(tài)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控、入侵檢測、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運行參數(shù)狀態(tài)檢測等幾部分,以結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化、模塊化、集成化、智能化的方式實現(xiàn)。

(2)變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)自身的安全可靠性是其發(fā)揮作用的根本條件。因此,必須從材料選型、系統(tǒng)設(shè)計、安裝施工及后期維護(hù)等方面綜合考慮系統(tǒng)架構(gòu)的合理性,以及安裝及維修便利性等保證系統(tǒng)的安全可靠性,充分發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用,為提高牽引供電系統(tǒng)整體安全可靠性打好基礎(chǔ)。

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