变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火装置设计.pdf

消防设备研究Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火装置设计谢丹1,李越1,洪伟艺2,曹馨3（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021；2.国安达股份有限公司，福建 厦门 361023；3.福建省机电装备过程监测及系统优化高校重点实验室，福建 厦门 361021）摘要：针对变电站电气柜分布分散，火灾扑救困难等问题，设计了一种可用于变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火装置，包括火灾特征参量探测、火灾信息数据传输、气体灭火装置、火灾状态监控等模块。火灾探测模块对变电站电气柜内弧光、温度、烟雾和火焰特征参量进行实时探测。各部分之间探测收集到的信息采用一对多组网方式的 LoRa无线通信技术进行交互，各探测参量及灭火状态均可在监控端进行实时显示。气体灭火装置具有手动与自动两种控制模式，在自动模式下可根据火灾实时信息对发生火灾电气柜进行灭火。通过模拟灭火试验对装置性能进行了试验验证，结果表明，该装置对分散形式的电气柜的火灾探测准确可靠，能较好实现灭火功能，信息交互方式高效合理，可为变电站火灾安全提供可靠的技术支撑。关键词：变电站；气体灭火；LoRa通信；消防装置中图分类号：X923；TU892 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1126-05变电站作为电压转换的重要场所，其安全运行是电力输送的重要保障1。随着变电站电力需求的增加，变电站中的电气设备数量与种类也逐步增多，使得变电站运行情况逐渐复杂，尤其是电气柜负载增加，其消防安全显得愈发重要2-3。变电站电气柜若发生火灾事故，不仅会对电力系统造成巨大影响，还将严重威胁人们的生命财产安全并给区域经济造成巨大损失4。目前，国内变电站电气柜的消防仍存在诸多问题，在消防系统设计方面，有关规范标准尚不完善，导致消防工程存在缺陷。在消防设备方面，各消防设备之间相对独立缺乏联动，无法实时监测变电站消防设施的运行状况5。在消防信息网络化方面，火灾报警、设备运行状态等信息无法实时反馈，存在火灾报警和灭火设备需要进行人工控制启动等问题，自动化水平较低6-7。针对目前国内变电站电气柜存在的消防问题，赵志浩等8通过 LoRa 无线通信系统收集探火导管气压变化的信息实现火灾监测，当火灾发生时，熔断探火管触发灭火装置释放大量灭火气体，该系统只能在明火出现后实现探测及灭火。因传感器灵敏度高，易受空气粉尘等外界因素影响造成误报。张伟等9将消防机器人应用于变电站火灾防控，可提供超细干粉、消防水和泡沫等多种灭火介质，实现了变电站的火灾探测，但是无法对电气柜内部出现的火灾隐患进行早期探测。周芳菲等10将改进后的水喷雾灭火系统应用于变电站内大型设备的灭火。干粉、水雾等灭火剂均可能会对电气装置造成二次损伤。陈炳华等11将 D-S 证据理论应用于变电站自动巡检灭火机器人的数据处理，实现了变电站的移动式消防，但未对变电站电气设备内部火情进行实时探测。基于上述分析，设计一套应用于变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火装置。该装置将信息传感与无线通信技术结合，实现了电气柜内弧光信号、温度、烟雾浓度、火焰强度等数据实时监控，能迅速联动气体灭火设备完成灭火操作，具备远程报警操控与实时数据访问等功能，使变电站消防系统对火情的监测更加快速，灭火更加高效精准。1装置设计考虑到多站融合变电站的实际布置情况、变电站内的火灾特征以及变电站电气柜之间的距离，设计的变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火装置包括变电站电气柜内的火灾特征参量采集模块、基于 LoRa的传感控制网络、中央控制器以及气体灭火模块等。该装置整体设计如图 1所示。1号电气柜2号电气柜n号电气柜弧光检测模块烟雾浓度探测模块温度检测模块火焰检测模块气体灭火控制器弧光检测模块烟雾浓度探测模块温度检测模块火焰检测模块气体灭火控制器弧光检测模块烟雾浓度探测模块温度检测模块火焰检测模块气体灭火控制器1号从机2号从机n号从机中央控制器监控器屏幕声光报警模块GPRS模块LoRa 协议通信LoRa 协 议通信LoRa协议通信图 1变电站电气柜火灾探测及分散式气体灭火消防装置整体设计图Fig.1Overall design drawing of fire detection and distributed gas fire extinguishing device in substation基金项目：国网山东省电力公司科技项目（520625200009）火灾特征参量采集模块包括弧光检测模块、温度检测模块、烟雾浓度检测模块以及火焰检测模块，用于实时探测多个分散式电气柜的安全状态，并将采集到的弧光、温度、烟雾及火焰等火灾参量数据传输至中央控制器进行处理；中央控制器则是为了处理各种特征参量数据，判断火情，传输灭火指令，若判断有火灾发生，则发出控制信号使气体灭火设备迅速启动。同时，中央控制器会将变电站内的火灾情况以及气体灭火设备的运作情况通过GPRS短信模块发送至管理员移动终端，以便第一时间获得变电站安全情况。气体灭火模块主要是气体灭火控制器，根据变电站内的火灾实时信息控制对应控制器完成灭火工作，实现分散式灭火；整个消防装置各模块间的通信通过 LoRa 完成，相较于蓝牙、ZigBee、WiFi 等无线通信技术，LoRa拥有更广的数据传输范围、功耗更低、大场合使用效果更好，而且 LoRa 的节点数更多、信息得到安全加密、寿命长、容量大，并具有多种数据传输工作模式：点对点、点对多以及广播传输，能较好适用于变电站内。该装置配备小型 UPS备用电源，为装置持续供电，防止变电站火灾后断电影响装置正常工作。2火灾特征参量采集模块设计电气柜内电气设备长时间运行出现老化或者绝缘损坏等情况时，造成绝缘体击穿放电，产生弧光，引发短路火灾危险。火灾发生前期至出现明火，变电站内可检测到明显的特征参量变化，如温度异常、烟颗粒含量上升、有明火存在等。根据变电站电气柜火灾特征，设计火灾特征参量采集模块，结构如图 2所示。选择光电迷宫式烟雾传感器、红外接收式火焰传感器、紫外弧光传感器、K型热电偶传感器对变电站电气柜内的火灾特征参量进行采集。传感器采集的信号由单片机进行处理，火灾特征参量采集模块的主控芯片采用 STC8单片机。LoRa通信模块选用型号为 ATK-LORA-01 的模块，可通过配置软件为每一个从机对应的 LoRa节点配置初始地址，中央控制器作为总节点，实现点对多的传输模式。烟雾探测采用的光电迷宫式烟雾传感器内部有红外发射和接收对管，烟雾颗粒进入传感器内部时，接收管接收到的红外光强度减弱，光电转化电路将光信号转化为电压信号判断烟雾的浓度变化。火灾发生早期，烟雾浓度往往较低，导致电压变化较弱，因此设计了对应的信号放大电路，采用集成运放芯片 MCP6002-I/MS。火焰传感器采用的是红外接收式火焰传感模块。该火焰传感器对火焰光谱较为敏感，探测角度为 60，模拟电压输出与单片机 AD采集口相连。温 度 探 测 选 用 K 型 热 电 偶 温 度 传 感 器。选 用MAX6675芯片和热电偶相连，该芯片能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D 转换及 SPI 串口数字化输出功能，温度分辨率可达 0.25，整个火灾探测模块需要直流+5 V和+3.3 V进行供电。弧光探测采用 C10807 模块，以 UV-R2868 紫外光敏管作为弧光信号接收器。该光敏管尺寸小、角度灵敏度高、方 向 性 宽，能 响 应 185265 nm 的 紫 外 波 长 信 号。C10807 模块的信号处理电路抵消了来自自然光的干扰，极大限度地减少了误报，因此 C10807输出信号不需要额外的滤波。将 C10807 模块与高灵敏度的 UV-R2868 紫外探测器相结合，能检测到肉眼看不见的电力设备放电现象。模块检测到的紫外线弧光信号以脉冲形式输出，当检测到弧光信号则输出 10 ms 脉冲，传输至单片机 IO口进行判断。3远程通信模块设计为了在变电站内发生火灾时第一时间使工作人员得知火情信息，利用 GPRS 远程传输模块进行信息发送。远程通信模块主要由 SIM800C 芯片及外围器件组成。SIM800C 是一款四频段 GSM/GPRS 模块。工作频率为850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。其性能稳定，外观小巧。发现火情时将信息通过短信方式发送至工作人员移动设备端。4灭火剂与气体灭火设备控制气体灭火剂灭火效率高，灭火启动快，多数无毒无味。变电站中电气设备错综复杂，导线遍布密集，气体灭火剂可快速有效对变电站进行灭火，且气体灭火剂可以避免对电气设备的二次伤害12。4.1灭火剂的选择目前变电站常用的气体灭火剂主要有二氧化碳、七氟丙烷和 IG54113-15。其气体灭火剂特点对比和适用场所如表 1所示。表 1常用气体灭火剂对比以及适用场所Table 1Comparison and application of commonly used gas extinguishing agents二氧化碳灭火器具备洁净灭火的特征，但其适用于无人场所，数据中心无精密设备区可采用二氧化碳灭火剂16。通信机房、电容器室、电抗室、控制室等人员活动弧光传感器烟雾传感器火焰传感器温度传感器STC8系列单片机LoRa通信电源模块图 2火灾特征参量采集模块结构图Fig.2Structure diagram of fire characteristic parameter acquisition module1126消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期火灾特征参量采集模块包括弧光检测模块、温度检测模块、烟雾浓度检测模块以及火焰检测模块，用于实时探测多个分散式电气柜的安全状态，并将采集到的弧光、温度、烟雾及火焰等火灾参量数据传输至中央控制器进行处理；中央控制器则是为了处理各种特征参量数据，判断火情，传输灭火指令，若判断有火灾发生，则发出控制信号使气体灭火设备迅速启动。同时，中央控制器会将变电站内的火灾情况以及气体灭火设备的运作情况通过GPRS短信模块发送至管理员移动终端，以便第一时间获得变电站安全情况。气体灭火模块主要是气体灭火控制器，根据变电站内的火灾实时信息控制对应控制器完成灭火工作，实现分散式灭火；整个消防装置各模块间的通信通过 LoRa 完成，相较于蓝牙、ZigBee、WiFi 等无线通信技术，LoRa拥有更广的数据传输范围、功耗更低、大场合使用效果更好，而且 LoRa 的节点数更多、信息得到安全加密、寿命长、容量大，并具有多种数据传输工作模式：点对点、点对多以及广播传输，能较好适用于变电站内。该装置配备小型 UPS备用电源，为装置持续供电，防止变电站火灾后断电影响装置正常工作。2火灾特征参量采集模块设计电气柜内电气设备长时间运行出现老化或者绝缘损坏等情况时，造成绝缘体击穿放电，产生弧光，引发短路火灾危险。火灾发生前期至出现明火，变电站内可检测到明显的特征参量变化，如温度异常、烟颗粒含量上升、有明火存在等。根据变电站电气柜火灾特征，设计火灾特征参量采集模块，结构如图 2所示。选择光电迷宫式烟雾传感器、红外接收式火焰传感器、紫外弧光传感器、K型热电偶传感器对变电站电气柜内的火灾特征参量进行采集。传感器采集的信号由单片机进行处理，火灾特征参量采集模块的主控芯片采用 STC8单片机。LoRa通信模块选用型号为 ATK-LORA-01 的模块，可通过配置软件为每一个从机对应的 LoRa节点配置初始地址，中央控制器作为总节点，实现点对多的传输模式。烟雾探测采用的光电迷宫式烟雾传感器内部有红外发射和接收对管，烟雾颗粒进入传感器内部时，接收管接收到的红外光强度减弱，光电转化电路将光信号转化为电压信号判断烟雾的浓度变化。火灾发生早期，烟雾浓度往往较低，导致电压变化较弱，因此设计了对应的信号放大电路，采用集成运放芯片 MCP6002-I/MS。火焰传感器采用的是红外接收式火焰传感模块。该火焰传