牵引变电所安全监控系统的安全可靠性探讨

邵 成,陈 波,张忠杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着我国客运专线、高速铁路的建设步伐加快,对牵引供电系统的安全可靠性也提出更高要求,变电站管理模式也逐步过渡为无人值班模式,牵引变电所为实现无人值班及供电安全，按照设计规范一般除了综合自动化系统外,还配套设计视频安全监控、设备在线监测和环境监测控制等安全监控系统，以确保牵引供电安全可靠,但从实际运营过程来看,效果还不太理想,存在一定问题,安全监控系统自身安全可靠性也需要深入分析,确定更加合理的设计方案。

1 安全监控系统主要面临问题

工程设计中牵引变电所安全监控系统根据实际现场需求主要包括视频监控设备,高压电气设备在线监测设备以及所内环境监测控制设备及消防安全自动化设备、地震监测设备等部分,根据专业划分,有关消防安全设备由房建专业设计,视频监控系统由通信或电化专业设计,设备在线监测及环境监控设备由电化专业设计。由于专业设计角度不同,技术接口也未明确。所以各部分投入使用后一般也均为分立系统,设备相互之间很难执行信息共享及联动,目前国内还没有完整的牵引变电所安全监控的解决方案。大多数牵引变电所的安全防护都处在非智能范畴,例如视频监控目前尚停留在普通的网络视频监控上,只是视觉监视的远程的延伸,还不具备智能化视频监控的目标。其次,各安全防护设备各系统间相互独立,只能提供现场的监视信息,尚不能为运营管理人员提供智能化判断和决策依据,必须人工辅助分析。有的设备安装地点设计不合理,距离高压带电设备过近,检修时要停电。另外,投入的安全监控及防护设备由于设备自身质量、施工安装工艺及维护不到位等原因,往往系统投运时间不长就发生设备故障、频繁误报警等现象,运营管理部门往往不会向管理综合自动化系统那样及时认真迅速处置,往往不做深入分析和故障排查,甚至对误报警干扰有时只是简单关闭报警项,这样会存在很大的安全隐患,也完全忽视了设计安全监控系统的初衷,造成投资的极大浪费。

2 安全监控系统主要设计原则

预防为主是系统设备安全管理的基本原则,变电所安全监控系统的主要作用即保障所内良好的设备工作环境,并实时监测牵引供电设备运行工况,防止牵引供电系统带病运行,提前排查隐患,为牵引变电所的供电安全、设备安全提供技术保障。实现手段即以管理为核心,通过智能化手段,营造一个安全、可靠、节能的设备运行空间。安全监控系统设计以结构化、规范化、模块化、集成化、智能化的方式实现。其主要构成包括运行设备状态远程图像监视,入侵检测,环境状态监控,设备运行参数状态监测等几部分。

安全监控系统组网示意见图1。

图1 安全监控系统组网示意

系统各部分设计要点总结如下。

(1)运行设备状态远程监视：根据场地条件、设备布点、设备区监视目标及范围等综合考虑,配置摄像机数量及安装位置,安装方式以及摄像机选型及配套件如补光灯的设置,对于变电站主要监视区域为入口处、场地设备区、高压室设备区、监控设备区等部分。

(2)入侵检测：红外或激光围禁作为入侵检测的外围设备安装后应具备防拆卸措施,电源及信号线隐蔽且具有防短路保护功能。当发生非法翻越情况时,启动信号报警,区域摄像机则按预置位转向报警区域,当照明条件不满足要求时,自动打开本区投光灯,并自动启动硬盘录像和远方监控画面的视场切换。

门禁、玻璃破碎报警单元输出继电器接点给视频监控的矩阵报警输入模块和DVR的报警输入端,以实现对受控门点或相关部位的图像监视录像功能。

关键点如入口及场地摄像机可设计满足在复杂的天气和光线环境中精确侦测和识别单个或多个目标的运动情况、运动方向、运动特征等的智能摄像机。通过设置一定的安全规则定义报警的条件,一旦有运动目标侵入设定的保护区域,系统立即在视频画面中标识锁定目标并触发报警。

(3)环境状态监控：设备运行温湿度监测及控制,水淹检测报警,地震监测,火灾探测,视场照度控制等。

环境监控单元根据采集室内的温湿度信息可自动启停空调、加热设备,使室温满足有关设备运行工况。空调应采用带智能接口的网络空调。系统控制策略以节能为主要原则,并兼顾设备运行环境要求和空调启动次数最少的要求。

消防单元通过采集监测区域的有关温度、烟感信息,实现对站内火灾智能化监测、远程报警和自动泡沫灭火及相关电源自动切除处理,同时可触发本区域的监视摄像机，通过预置位联动模式自动将画面切换到火灾发生地点。

地震监测设备启动后联动切除牵引变电所进线断路器,对运行线路断电,切除运行列车电源,防止灾害情况下次生触电灾害的发生。

水浸传感器检测电缆沟进水情况并及时报警,有条件的可自动启动排水泵,防止电缆长期浸泡导致绝缘故障。

视场照度控制一般与监控摄像机配合使用,当视场照度不足时可启动照明或补光灯,满足形成良好的视场图像条件。

(4)设备运行参数在线监测

牵引供电设备运行参数在线监测设备主要包括设备绝缘参数监测、变压器油色谱监测、电缆头、电缆及开关柜触头温度监测等。

根据设备重要程度及电压等级一般在变压器高压侧设置必要的断路器、互感器、避雷器绝缘参数监测设备,主要对泄漏电流、介损、电容值等参数进行实时监测,对变压器主要监测油中气体及微水含量及铁芯接地电流,高压电缆及开关柜主要采用光纤监测温度,达到排查故障隐患的目的。

绝缘参数监测设备安装及检测原理不得改变原有设备接线及接地方式。

上述视频监控设备可与综合自动化系统、环境安全监控设备、在线监测设备形成联动,通过统一的安防系统监控平台设置。

变电所安全监控系统要求设置合理,要充分考虑系统功能的扩展,在监测原理、设备选型、供电、组网接线、施工工艺、维护等各个环节充分考虑系统架构的合理性,安装及维修便利性等保证系统的安全可靠性。系统应具有自诊断和自恢复功能,当诊断出故障或异常时能自动闭锁或退出故障单元及设备,并发出告警信号以便及时维修处置。系统具备必要的容错性,当某一单元故障或退出均不影响系统整体的正常运行。

3 主要设备选型及施工安装

3.1 主要设备选型安装

(1)编解码器

视频监控环节主要部件除了前端摄像机,关键核心设备即为编解码器,它的好坏直接关系产品质量、图像质量及系统稳定性。选择编解码器主要关注在同一网络带宽约束下的编解码格式、传输特性、图像质量等指标。要选择支持MPEG-4和H.264编码格式的编解码器,传输速率及清晰度也可在一定的范围内作相应的变化,便于用户根据自己对录像时间、传输路数和清晰度的不同要求进行不同的设置,提高系统使用时的适应性和灵活性。也可采用动态侦测技术,动态时快录,静态时慢录,从而减少平均数据量,节省存储空间。而且当传输有误码或丢包现象时能迅速恢复。

(2)摄像机

根据使用功能和安装环境不同,变电所安全监控系统应选用不同的摄像机。根据监视点实际需要一般要明确监视距离、视场大小、照度范围、背景条件等指标。变电所室外主变、进线、高压设备处以及主控室、高压室内应选择一体化球机,可以控制云台观看不同位置处图像,在电容室等观看对象较为集中的地方安装固定摄像机。如果需要夜间观看图像,须选装带红外或激光补光功能的摄像机,或者单独安装补光灯。

摄像机、补光灯的安装距离需要满足高压设备的安全净距。根据不同视角采用壁装或吊装方式。摄像机支架、吊杆的强度须保证对摄像机和云台的支撑,支架、吊杆安装座与墙壁、屋顶等安装部位用指定的膨胀螺栓固定,不可采用直径小于要求的螺栓,不可少于要求的安装数量。

(3)围禁设备(图2)

围禁设备如红外对射,激光对射要选择长寿命,安装自由度可调节的设备。对射传感器的安装必须遵循成对安装,次序排列,高度一致,水平对齐的原则。即发射端加接收端组成一个有效防护单元,围墙几个墙体的防护单元从发射端到接收端的光线发射顺序必须保持一致。

保持对射收发器安装在同一高度,并且水平相向对齐。

图2 围禁设备施工安装布置

(4)烟感

烟感探测器必须选择消防认证的产品,探测器要安装在被探测设备的上方,便于火灾气体和烟雾的收集,采用吸顶安装,每一种烟感探测器都有一定的保护范围,被探测设备必须安装在烟感的有效保护范围内。

(5)碎窗

碎窗传感器具有一定的探测距离和范围,可以安装于天花板,或与玻璃相对的墙上,玻璃任一角距碎窗探测器不可超出保护距离和探测角度限制,避开干扰源。一般情况下,不要安装在距被保护玻璃所在墙壁、或任一坚硬回音墙壁1.5 m以内的地方。

(6)缆式火灾探测器(图3)

缆式火灾探测器与电缆沟内被检测电缆接触或悬挂安装,正弦波方式敷设,感温电缆不能承受积压和拉力,间隔半个波长用塑料卡具固定,避免感温电缆打结,严重扭折或弯曲,感温电缆不可与其他电缆或电缆桥架短路。

图3 缆式火灾探测设备安装示意

(7)光纤测温传感器

由于牵引变电所采用大量高压电缆连接变压器及开关柜以及上网供电线,且电缆过热故障90%以上发生在接头处,因此在设计中一般都配置光纤电缆测温设备。工程安装中一般将光纤温度传感器布设在电缆接头的外封套上,在最靠近接头处用环氧导热胶将光纤传感器固定在上面,为保证牢固需要用防火耐热尼龙带将传感器紧固。注意安装前要对电缆接头外封套进行灰尘、铁锈、污物等的清洁工作。

(8)水浸传感器

水浸传感器主要探测变电所电缆沟内积水,探头及供电回路、信号接点传输回路必须考虑防水要求,探头电极一般采用薄不锈钢材料,固定在绝缘板上,保证长期浸在水中不会锈蚀及失效。探测器应竖直安装,有足够长度,电源及信号接头采用防水航空连接组件,浸于水中也不会短路。

(9)门禁

锁具选择在门禁系统中是比较重要的环节,一般在设计阶段只是平面图,只能看出是单扇还是双扇门,电磁锁是最佳选择,安装方便,适合各种门。同时设计要注意电磁锁应具备火灾报警自动释放功能,防止在有人检修试验时突发火灾由于安全门或检修门锁闭导致事故发生。

(10)泄漏电流传感器

泄漏电流传感器是在线监测设备的主要参数采集设备。传感器是信号采样的关键环节,尤其作为强电磁干扰环境中的微弱电流采集的传感器,户外安装应采用高可靠传感器。结构应采用穿芯式,套在设备末屏或末端接地线上来获取泄漏电流信号,这种方式不影响被监测高压设备的原有接线方式,安全可靠性好。电流传感器材料应选用起始导磁率高、损耗小的坡莫合金作铁芯,并采用深度负反馈补偿技术对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿,使铁芯工作在接近理想的零磁通状态,同时需对线圈进行屏蔽,可有效提高传感器角差和比差的稳定性,并使传感器具有良好的温度特性。

3.2 电源及电缆敷设3.2.1 供电电源

供电电源要按电压等级、分类分群设置策略,每路按设备容量独立考虑,各供电回路之间考虑必要的隔离限压限流措施,防止一路故障影响其他设备的正常运行。

对于长线供电要考虑电压衰减影响。例如变电所内距离监控主机较远的摄像机若按照其供电电源要求直接输送低电压(如DC12V,AC24V)很容易衰减和受干扰,造成摄像机工作状态不稳定,因此对于远距离供电的摄像机,设计时需要直接输送AC220V电源,在摄像机处再配置输入电压范围宽,密封性好的开关电源或线性电源转换成设备需要的低电压。

为了避免AC220V受高压干扰,以及本身对信号线、视频线的干扰,电源电缆要选择带屏蔽层的电缆,屏蔽层密度也要符合要求。同样,信号线、视频线也要选用带屏蔽的优质电缆。

电缆线径的选择需要考虑功耗、衰减条件,满足布线距离的要求。

3.2.2 电缆敷设及支架安装

安全监控系统电缆走线需要穿管,明铺配管要求横平竖直、整齐美观,可以选用PVC管或线槽,有可能产生高压干扰的地方须配钢管,暗配管要求尽可能做到管路简洁有效、减少弯头,必须选用钢管。管内穿线截面积和最多不可超过管内孔截面积的70%,弯曲半径应符合所穿入电缆弯曲半径的规定。电缆避免接头,如不得已则需要压接或焊接,接头处不可着力。交流电源线需要单独穿管,不能与信号线和低压直流电源线穿在同一管内。

各类摄像机、红外及激光对射传感器等都配套有安装支架,支架安装是系统可靠运行的重要保障,如围墙支架安装要考虑基础沉降、平整性及风偏影响,固定或预埋要牢固,支架应有足够强度,外力作用下不应产生晃动。

3.3 户外安装设备电磁兼容及防雷

3.3.1 电磁兼容性

各类安全监控前端设备要满足电磁兼容试验标准,传输信号电缆屏蔽性能、安装接线工艺要符合要求,外壳尽量采用金属屏蔽罩。设备采用一点接地措施。以变电所关键设备摄像机安装为例,当变电所安装的室内或室外摄像机与视频监控主机多点接地,容易在摄像机和监控主机多个接地点间产生地电位差,从而产生地电流对图像传输产生干扰。表现为视频图像上存在宽暗横带持续不断滚动或图像扭曲。为了避免地环路干扰,变电所内安装摄像机时一定要注意使摄像机和监控主机具有共同的接地。施工中,摄像机与安装位置处不接地,接地线引入室内监控机柜与监控主机接入同一接地点。如图4所示。

图4 户外摄像机接地施工工艺

3.3.2 防雷

由于安全监控设备大多安装在户外开放地点,有的还处于环境高点,容易遭受雷电袭击,必须考虑防雷措施。目前户外安装的设备防雷有时存在着一定误区,简单的以为接地即防雷,错误地用防雷器预防雷击等。

以户外摄像机为例,当雷击发生时,如果室外摄像机直接接地,雷击产生的高电压会使避雷针和室外摄像机接地处形成地回路,产生地电流,从而击毁摄像机,甚至电流会沿着连接线缆使监控主机等室内设备都受到影响。

因此室外摄像机的防雷需要避免雷击地回路的产生,室外摄像机不能安装在避雷针上,要单独立杆安装并且尽量绝缘,安装不可直接接地,且立杆应处于避雷针有效保护范围内。信号传输需设置电涌保护器。如图5所示。

图5 户外立杆监控设备防雷安装示意

4 运营及维护

系统设计时就需要考虑运行维护的便利性,设备可便于分区域停电检修,户外设备安装点与一次高压供电设备有必要的安全检修距离,避免高压设备停电才能进行设备检修。

在安全监控系统施工建设期内,相关维护部门应提前介入,迅速熟悉设备原理、组成、测试试验及维修方法等工作内容。当电站安全监控系统投入使用后,有关电站安全监控系统信息远传维修调度,维护人员针对每条报警主要设备要定时检查和清理,避免灰尘、雨水、飞虫、落叶、蛛网等对监视和防护效果的影响。检查和清理时注意防静电操作。定期要对设备进行工作正常性测试,可以采用实际操作,模拟警报,设备自带手动测试等方式。测试时注意技术要求,避免误操作,测试完毕后恢复正常布防状态。

设备故障后要及时查找故障原因,如果因线缆连接、安装固定等因素造成要及时处理,设备故障的维护一定按照设备维修手册进行,及时联系设备供货厂家提供技术指导。

5 结论

笔者对变电所安全监控系统的设计原则、设备选型及安装进行了详细分析,并总结了运营维护要求,主要研究结论如下。

(1)变电所安全监控系统是为牵引供电系统稳定运行保驾护航的关键性设备,它为牵引供电系统的安全可靠提供了技术条件,以管理为核心,通过智能化手段营造安全、可靠、节能的设备运行空间。安全监控系统主要包括设备运行状态远程图像监控、入侵检测、环境状态监控、设备运行参数状态检测等几部分,以结构化、规范化、模块化、集成化、智能化的方式实现。

(2)变电所安全监控系统自身的安全可靠性是其发挥作用的根本条件。因此,必须从材料选型、系统设计、安装施工及后期维护等方面综合考虑系统架构的合理性,以及安装及维修便利性等保证系统的安全可靠性,充分发挥安全监控系统的作用,为提高牵引供电系统整体安全可靠性打好基础。

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