基于多维传感技术的换流站高压开关柜火灾预警装置的研究

郭 强 李 阳 徐 鸿 朱 启

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局）

0 引言

近年来电力系统火灾现象频发，例如：2019年兴义6.18某变电站起火事件，2020年西北4.7某换流站变压器套管火灾事件等，均造成巨大经济损失。很多火灾如果能够及早发现和处理，就能有效避免灾难的发生。高压开关柜是变电站内重要设备，其安装工艺不合格、超期服役、元件老化、操作失当、负荷突变及散热不佳等，都会造成开关柜发热，演变至着火爆炸，严重影响供电可靠性，给供电企业带来严重的经济损失，甚至造成人身伤亡。

高压开关柜作为超高压换流站应用数量较多的导流设备，发生火灾时常伴有浓烟和带电危险，无法判断现场情况，贸然进行灭火将危及生命安全。目前，国内的火灾检测大部分采用设置固定烟雾传感器等方法，只能检测是否有火灾，而不能进行火灾有效预防；室内自动灭火装置大部分使用水喷淋方法，不适用于高压开关等电气设备；换流站多为无人值守和集中监控模式，设备一旦发生火灾，人员需从监控基地赶往变电站，失去了火灾救援的良好时机。

随着智能化数字化换流站站模式的发展，站内高压开关柜火情发现迟、灭火处理慢的现状已经暴露，换流站内高压开关室的消防设施多采用烟雾传感器自动报警、防火材料封堵和人工灭火器，存在火灾预警不灵敏、人工灭火时效性差、安全性没保障等问题。

作者针对上述情况，结合高压开关柜的结构特征、火灾产生原因、火灾特点以及灭火步骤，根据目前换流站站运维模式，研究了一种基于多传感技术适用于高压开关室的火灾预警技术。

1 高压开关柜及现阶段火灾预警介绍

1.1 高压开关柜介绍

高压开关柜（见图1）用于电力系统发电、输电、配电，在电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，高压开关柜中的元器件短路、过负荷、接触不良等原因都会引发电气火灾。

图1 高压开关柜体

1.2 火灾预警传感器

传感器将检测的信息按照一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、控制等要求。其是消防系统的“感觉器官”，一旦出现火灾，将温度、烟雾、气体和辐射光强等物理量转换成电信号，并立即动作向火灾报警控制器发送报警信号。对于机器人来说，传感器的存在，让机器人有了触觉、味觉和嗅觉等感官。

1.3 高压开关柜火灾频发原因分析

对全国电力系统6～35kV高压开关柜在2014～2018年期间发生的事故分析结果如图2所示。

图2 高压开关柜事故分析图

由图2可见，高压开关柜在运行中产生火灾的主要原因是载流回路过热引起，其次是设备老化或者绝缘降低发热引起的火灾。因此，可得出初步结论：高压开关柜大部分火灾是由于设备发热引起的，如果可以对高压开关柜进行24h不间断的发热和火灾监控，则可以有效避免火灾的发生。

1.4 高压开关室的火灾报警装置误报率高分析

对全国电网2014～2018年多座变电站高压开关室采用单一传感器的火灾报警器产生误报情况分析进行调查，统计结果如表1所示。通过统计数据分析得出初步结论：高压开关柜火灾后产生可见火焰、温度上升并伴随大量的烟雾，单一类型传感器本身精度和检测信息单一，是误报率高的主要原因，因此采用单一类型传感器来检测火灾是不够科学的。

表1 单一传感器误报情况统计表

1.5 灭火装置灭火时效性差原因分析

作者对灭火各流程作业时间进行统计，绘制了时间柱状图，如图3所示更直观地反应各环节的耗时情况，从图中不难看出，从火灾预警装置发出报警到运维人员赶到现场判断火势、扑灭火势整个流程耗时长，除此之外高压室发生险情时常伴有浓烟，无法判断现场情况，贸然进行灭火将危及生命安全。另外，目前的变电站多为无人值守“四遥”变电站，当运维人员到达现场时需要前期准备、路途遥远等占用时间过多，高达143min，使得火灾有扩大趋势。

图3 传统灭火各流程作业时间图

1.6 本论文研究目标

多传感器信息融合技术在其他领域已经广泛应用，机器人技术也已十分成熟。因此，本文基于多维传感器技术进行研究，对多信息融合技术和机器人进行理论结合，提出一种基于多维传感技术的换流站高压开关柜火灾预警装置设计具备火灾预警，达到火灾预警准确度达到98%，火灾报警与自动灭火时间总和控制在20min以内的目标。

2 方案设计

2.1 总体设计

根据设计需求，结合机器人定期巡检的方法来进行高压开关柜火灾信息不间断监测，提出采用多传感器融合系统采集火灾信息。当判别出现火灾时，发告警信息并启动灭火装置进行灭火，提出总体方案如图4所示。

图4 总体方案图

2.2 方案分解

根据上述资源和理论，对设计思路进行分析，总体方案进行分析，设计思路分析如表2所示，系统图如图5所示。

图5 方案系统图

表2 设计思路表

多传感器信息系统采用的传感器功能包括识别高压开关室内设备温度的变化，以及对火焰和烟雾的区分进而实现分级灭火。图6为各种传感器不同类型的对比图。

图6 传感器的分类

3 效益分析

3.1 经济效益分析

根据设计方案演练结果，装置从发现火情到扑灭火灾的平均时间为13.3min，比人工的四五个小时效率提高了300%以上；成本不到2万元的灭火机器人，在配网应急中的成本只有几千块钱，不但可以挽回价值30万元以上电力设备和2.4万kWh的电量损失，还大大减少了人力劳动、换回员工性命。即便应急失败，只是损失不到2万元的机器。若在全国电力公司推广，预计可带来直接经济效益超10亿元。

3.2 社会效益分析

1）目前生产一线缺少作业人员的问题普遍存在，该成果的投入运用，降低了作业人员的劳动强度，减少了人力资源投入，有效弥补人力不足。

2）电力行业属于火灾多发行业，研制准确和高效的灭火机器人能有效提升变电站消防应急处置能力，助推本质安全，在全国有示范效应。

3）保证电网的安全稳定运行，提高供电可靠性，树立了南方电网公司的良好社会形象。

4 结束语

本装置设计方案符合现场安全工作要求，且使用本装置可实现人员与火灾现场隔离，消除人员伤亡的可能性。

设计方案模拟断路器位置由红绿灯显示一目了然。外观接孔布置清晰、合理，按照现场作业指导书操作，使用方法简单易懂，且备自投调试原理清晰，可靠反应备自投逻辑动作的正确性。

本装置设计方案在进行火灾预警时，无需人员亲赴现场，避免人员伤亡情况，实现了机器人代人受过的功能。机器人的正确动作避免大面积停电和电网设备损坏事故，提高了供电可靠性。且本装置成本低廉，功能全面，具有较高的经济性。