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

郭 強(qiáng) 李 陽 徐 鴻 朱 啟

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司天生橋局）

0 引言

近年來電力系統(tǒng)火災(zāi)現(xiàn)象頻發(fā)，例如：2019年興義6.18某變電站起火事件，2020年西北4.7某換流站變壓器套管火災(zāi)事件等，均造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。很多火災(zāi)如果能夠及早發(fā)現(xiàn)和處理，就能有效避免災(zāi)難的發(fā)生。高壓開關(guān)柜是變電站內(nèi)重要設(shè)備，其安裝工藝不合格、超期服役、元件老化、操作失當(dāng)、負(fù)荷突變及散熱不佳等，都會造成開關(guān)柜發(fā)熱，演變至著火爆炸，嚴(yán)重影響供電可靠性，給供電企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人身傷亡。

高壓開關(guān)柜作為超高壓換流站應(yīng)用數(shù)量較多的導(dǎo)流設(shè)備，發(fā)生火災(zāi)時常伴有濃煙和帶電危險(xiǎn)，無法判斷現(xiàn)場情況，貿(mào)然進(jìn)行滅火將危及生命安全。目前，國內(nèi)的火災(zāi)檢測大部分采用設(shè)置固定煙霧傳感器等方法，只能檢測是否有火災(zāi)，而不能進(jìn)行火災(zāi)有效預(yù)防；室內(nèi)自動滅火裝置大部分使用水噴淋方法，不適用于高壓開關(guān)等電氣設(shè)備；換流站多為無人值守和集中監(jiān)控模式，設(shè)備一旦發(fā)生火災(zāi)，人員需從監(jiān)控基地趕往變電站，失去了火災(zāi)救援的良好時機(jī)。

隨著智能化數(shù)字化換流站站模式的發(fā)展，站內(nèi)高壓開關(guān)柜火情發(fā)現(xiàn)遲、滅火處理慢的現(xiàn)狀已經(jīng)暴露，換流站內(nèi)高壓開關(guān)室的消防設(shè)施多采用煙霧傳感器自動報(bào)警、防火材料封堵和人工滅火器，存在火災(zāi)預(yù)警不靈敏、人工滅火時效性差、安全性沒保障等問題。

作者針對上述情況，結(jié)合高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特征、火災(zāi)產(chǎn)生原因、火災(zāi)特點(diǎn)以及滅火步驟，根據(jù)目前換流站站運(yùn)維模式，研究了一種基于多傳感技術(shù)適用于高壓開關(guān)室的火災(zāi)預(yù)警技術(shù)。

1 高壓開關(guān)柜及現(xiàn)階段火災(zāi)預(yù)警介紹

1.1 高壓開關(guān)柜介紹

高壓開關(guān)柜（見圖1）用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電，在電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用，高壓開關(guān)柜中的元器件短路、過負(fù)荷、接觸不良等原因都會引發(fā)電氣火災(zāi)。

圖1 高壓開關(guān)柜體

1.2 火災(zāi)預(yù)警傳感器

傳感器將檢測的信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、控制等要求。其是消防系統(tǒng)的“感覺器官”，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，將溫度、煙霧、氣體和輻射光強(qiáng)等物理量轉(zhuǎn)換成電信號，并立即動作向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)送報(bào)警信號。對于機(jī)器人來說，傳感器的存在，讓機(jī)器人有了觸覺、味覺和嗅覺等感官。

1.3 高壓開關(guān)柜火災(zāi)頻發(fā)原因分析

對全國電力系統(tǒng)6～35kV高壓開關(guān)柜在2014～2018年期間發(fā)生的事故分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 高壓開關(guān)柜事故分析圖

由圖2可見，高壓開關(guān)柜在運(yùn)行中產(chǎn)生火災(zāi)的主要原因是載流回路過熱引起，其次是設(shè)備老化或者絕緣降低發(fā)熱引起的火災(zāi)。因此，可得出初步結(jié)論：高壓開關(guān)柜大部分火災(zāi)是由于設(shè)備發(fā)熱引起的，如果可以對高壓開關(guān)柜進(jìn)行24h不間斷的發(fā)熱和火災(zāi)監(jiān)控，則可以有效避免火災(zāi)的發(fā)生。

1.4 高壓開關(guān)室的火災(zāi)報(bào)警裝置誤報(bào)率高分析

對全國電網(wǎng)2014～2018年多座變電站高壓開關(guān)室采用單一傳感器的火災(zāi)報(bào)警器產(chǎn)生誤報(bào)情況分析進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出初步結(jié)論：高壓開關(guān)柜火災(zāi)后產(chǎn)生可見火焰、溫度上升并伴隨大量的煙霧，單一類型傳感器本身精度和檢測信息單一，是誤報(bào)率高的主要原因，因此采用單一類型傳感器來檢測火災(zāi)是不夠科學(xué)的。

表1 單一傳感器誤報(bào)情況統(tǒng)計(jì)表

1.5 滅火裝置滅火時效性差原因分析

作者對滅火各流程作業(yè)時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制了時間柱狀圖，如圖3所示更直觀地反應(yīng)各環(huán)節(jié)的耗時情況，從圖中不難看出，從火災(zāi)預(yù)警裝置發(fā)出報(bào)警到運(yùn)維人員趕到現(xiàn)場判斷火勢、撲滅火勢整個流程耗時長，除此之外高壓室發(fā)生險(xiǎn)情時常伴有濃煙，無法判斷現(xiàn)場情況，貿(mào)然進(jìn)行滅火將危及生命安全。另外，目前的變電站多為無人值守“四遙”變電站，當(dāng)運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場時需要前期準(zhǔn)備、路途遙遠(yuǎn)等占用時間過多，高達(dá)143min，使得火災(zāi)有擴(kuò)大趨勢。

圖3 傳統(tǒng)滅火各流程作業(yè)時間圖

1.6 本論文研究目標(biāo)

多傳感器信息融合技術(shù)在其他領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，機(jī)器人技術(shù)也已十分成熟。因此，本文基于多維傳感器技術(shù)進(jìn)行研究，對多信息融合技術(shù)和機(jī)器人進(jìn)行理論結(jié)合，提出一種基于多維傳感技術(shù)的換流站高壓開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)具備火災(zāi)預(yù)警，達(dá)到火災(zāi)預(yù)警準(zhǔn)確度達(dá)到98%，火災(zāi)報(bào)警與自動滅火時間總和控制在20min以內(nèi)的目標(biāo)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合機(jī)器人定期巡檢的方法來進(jìn)行高壓開關(guān)柜火災(zāi)信息不間斷監(jiān)測，提出采用多傳感器融合系統(tǒng)采集火災(zāi)信息。當(dāng)判別出現(xiàn)火災(zāi)時，發(fā)告警信息并啟動滅火裝置進(jìn)行滅火，提出總體方案如圖4所示。

圖4 總體方案圖

2.2 方案分解

根據(jù)上述資源和理論，對設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，總體方案進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)思路分析如表2所示，系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 方案系統(tǒng)圖

表2 設(shè)計(jì)思路表

多傳感器信息系統(tǒng)采用的傳感器功能包括識別高壓開關(guān)室內(nèi)設(shè)備溫度的變化，以及對火焰和煙霧的區(qū)分進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分級滅火。圖6為各種傳感器不同類型的對比圖。

圖6 傳感器的分類

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案演練結(jié)果，裝置從發(fā)現(xiàn)火情到撲滅火災(zāi)的平均時間為13.3min，比人工的四五個小時效率提高了300%以上；成本不到2萬元的滅火機(jī)器人，在配網(wǎng)應(yīng)急中的成本只有幾千塊錢，不但可以挽回價值30萬元以上電力設(shè)備和2.4萬kWh的電量損失，還大大減少了人力勞動、換回員工性命。即便應(yīng)急失敗，只是損失不到2萬元的機(jī)器。若在全國電力公司推廣，預(yù)計(jì)可帶來直接經(jīng)濟(jì)效益超10億元。

3.2 社會效益分析

1）目前生產(chǎn)一線缺少作業(yè)人員的問題普遍存在，該成果的投入運(yùn)用，降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，減少了人力資源投入，有效彌補(bǔ)人力不足。

2）電力行業(yè)屬于火災(zāi)多發(fā)行業(yè)，研制準(zhǔn)確和高效的滅火機(jī)器人能有效提升變電站消防應(yīng)急處置能力，助推本質(zhì)安全，在全國有示范效應(yīng)。

3）保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性，樹立了南方電網(wǎng)公司的良好社會形象。

4 結(jié)束語

本裝置設(shè)計(jì)方案符合現(xiàn)場安全工作要求，且使用本裝置可實(shí)現(xiàn)人員與火災(zāi)現(xiàn)場隔離，消除人員傷亡的可能性。

設(shè)計(jì)方案模擬斷路器位置由紅綠燈顯示一目了然。外觀接孔布置清晰、合理，按照現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)書操作，使用方法簡單易懂，且備自投調(diào)試原理清晰，可靠反應(yīng)備自投邏輯動作的正確性。

本裝置設(shè)計(jì)方案在進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警時，無需人員親赴現(xiàn)場，避免人員傷亡情況，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人代人受過的功能。機(jī)器人的正確動作避免大面積停電和電網(wǎng)設(shè)備損壞事故，提高了供電可靠性。且本裝置成本低廉，功能全面，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。