抽水蓄能电站典型场景超前期火灾监测方法研究

魏 刚，王吉康，王贵林，罗 涛，高俊波

（1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.国网新源控股有限公司，北京 100761）

0 引言

随着我国经济快速发展，环境和安全备受重视，能源的清洁低碳安全高效利用成为加快推动绿色低碳发展的重要内容。抽水蓄能发电不仅能提供清洁能源，同时，也是电网进行削峰填谷、事故备用的重要方式。抽水蓄能电站借助地形优势，进行能量转化，其核心电力设备多处于地下洞体中，相对封闭的运行环境对大负荷、持续运行的电力设备安全提出更高要求。在电站安全管理中，防火安全尤为重要，而电力设备火灾具有隐蔽性、突发性特点，且设备处于地下厂房，空间封闭、环境特殊，火灾一旦发生，难以救援，损失和影响大，因此，提前预防火灾是关键。目前，抽水蓄能电站常规火灾监测方法主要采用传统感烟、感温方式，当其发生报警时，现场火灾一般已发展到烟雾浓，火势强的规模，报警相对滞后。因此，针对电站设备的火灾特点进行分析，采用“热解离子”探测技术，研究抽水蓄能电站超前期火灾安全监测方法，识别超前期火灾风险，有利于提前发现火灾征兆，最大限度地降低或避免火灾损失和影响。

1 抽水蓄能电站火灾分析

抽水蓄能电站包括上水库、下水库、水道系统、发电系统、开关站及出线场等，作为核心部分的发电系统位于地下厂房内，如发电机组、主变压器、动力线缆、控制箱、控制柜等设备高度集中，是电力火灾的高隐患区。而电站的地下厂房由于其构造特点，不仅空间局限，低温潮湿，而且环境相对封闭，空气仅能通过与地面连接的通道进出，通风环境较差。其火灾特点表现为：1）隐蔽性强，作为承载高电压、大负荷运行的电站厂房处于地下，有些区域人员不易到达，又存在监控盲区，火灾发生后难以发现，早期火灾风险更难察觉；2）烟雾浓度大，地下厂房仅通过有限的通道与外界连通，内部空气流通相对较慢，火灾的阴燃时间稍长，早期火灾所产生的微小烟雾颗粒不易扩散，在局部空间内浓度快速升高；3）扑救困难，地下厂房火灾一旦发展起来，内部不仅温度高、烟雾浓，人员不易进入，而且缺氧严重，高浓度的有毒气体容易造成人员伤亡，救援难度大；4）损失严重，一方面火灾发生后人员疏散困难，逃生方向与烟气扩散方向一致，增加了逃生难度，另一方面救援人员和救援车辆不易进入，增加了救援难度，容易延误救援时机，设备烧毁概率高，损失严重。正是由于抽水蓄能电站火灾具有以上特征，因此加强火灾超前期监测预警至关重要，而且预警越早，越有利于火险处置，将火灾消灭于萌芽状态，真正达到防火目的。

超前期（又称极早期）火灾风险是设备出现火灾征兆，尚未起火燃烧的阶段，如频繁的电弧、打火、异常发热、阴燃等，这些现象在电力设备中大量存在。电站内的主变压器、高低压开关柜、输电电缆等，承载着高电压、大电流的冲击，超前期火灾风险高。

主变压器室火灾风险包括变压器本身故障或异常发热导致的风险，以及配套电缆、控制柜火灾风险。主变压器在运行时产生大量热能，通过向外散发热量维持温度平衡，变压器运行时的绕组、铁芯都会发出大量的热，使温度升高，加速了绝缘层老化，易发生短路［1］。当主变压器出现设备故障、绝缘损坏、严重过载时，则容易导致温度升高、短路，引起火灾，甚至爆炸［2-3］。主变压器配套电缆、控制柜火险多是由于长时间运行出现设备老化、电阻增大，导致异常发热、电弧、电火花等。电缆廊道内电缆类型杂、数量多，其火灾发生主要原因有接头制作不良、接触电阻过大或长期超负荷运行、受潮、受热等，破坏绝缘层引起火灾［4］。实际生产中，当存在过负荷、短路、绝缘老化、接触电阻过大及外部热源作用时，电缆很容易因过热而引起绝缘层热分解，甚至起火燃烧［5-7］。电缆火灾存在初期不易察觉，起火后烟量大、难以扑救、影响面广等特点［8］。电缆着火后，火势会顺着电缆呈线形燃烧，像点燃的蚊香，烟大火小速度慢［9］。当局部电缆着火燃烧达到高温时会发生熔融，超过临近电缆着火温度时，就会导致电缆群体延燃［10］。同时电缆沟道内的电缆由于在地下，当电缆发生故障而引起火灾时，更难被工作人员发现，使得电缆火灾事故一旦发生将会造成严重的后果［11］。根据GB/T 50872—2014《水电工程设计防火规范》火灾危险性类别规定，油浸式变压器室属于丙类，是火灾危险性较高的场所。电缆廊道和竖井属于丁类，是火灾危险性中等场所。另外，高低压开关柜内隔离刀闸、断路器、继电器、电容器在分合流情况下，容易产生静电火花或接触电阻过高而引起设备燃烧。同时，当控制柜内导体接触不良时，接触电阻变大，会产生过热现象，甚至导致接头材料熔化、滴落，破坏内部绝缘，引起事故［12］，而柜体封闭，柜内初起火灾不易被发现。

电站火灾的发生往往由电力设备过热而引起，当物体过热而达到耐热极限时便会释放出极微小的热解离子，这种热解离子直径非常小，最小约至0.002 μm，人眼无法识别。随着热解离子的持续产生，空气中的离子浓度迅速升高，火灾危险性增大。

2 抽水蓄能电站常规防火措施

抽水蓄能电站火灾自动报警系统设计采用集中控制，在洞外中控室设消防中心［13］，常规消防设施包括火灾报警系统（感烟、感温探测器、手动报警按钮、警报装置、感温电缆等）、消防控制系统、吸气式感烟系统、火焰探测器、消防供水系统、水喷雾灭火系统、消火栓系统、气体灭火系统、排烟系统、防火封堵［14］，以及灭火装置、防雷、防静电设施等。

电站消防设计遵循“以防为主、防消结合”的设计原则，对地下厂房会采用一防、二断、三灭、四排的消防方针［15］，通过火灾报警系统进行现场火灾识别，并联动灭火措施，实现火灾救援目的。火灾报警系统的探测器按其探测范围可分为点型火灾探测器和线性火灾探测器，抽水蓄能电站以点型感烟火灾探测器为主［16］，常规点型感烟探测器采用光遮蔽、光散射原理，报警依赖对一定浓度烟雾的识别，而火灾超前期所释放的不可见热解离子直径非常小，无法形成光遮蔽、光散射效果，因而无法被常规感烟探测器有效识别。另外常规灭火措施是作为火灾发生后的救援手段，而此时，火灾损失和影响已不可避免。

主变压器室的常规消防措施有点型电子定温探测器、线型缆式感温探测器、光电感烟探测器、火焰探测器、水喷雾系统，部分还设置了吸气式烟感探测器等［17］。吸气式烟感探测器能够识别一定浓度的烟雾（颗粒直径0.1 μm），其工作原理类似于常规烟感探测器，是通过分析空气中烟雾对光线的遮挡和散射来发现火险，但其对不可见的热解离子难以有效识别。基于模式识别技术的图像型火焰探测器，以识别火焰发生时表现出的颜色、亮度、闪烁、边缘变化等视觉特征为目标［18］，主要是在火焰燃烧阶段发挥作用，其报警时火苗已经产生。水喷雾灭火系统是利用水雾喷头将水滴雾化进行灭火或防护冷却的一种灭火系统［19］，它利用水基灭火剂进行快速降温，水雾喷出后，可以在燃烧物体表面产生冷却、蒸汽窒息、乳化作用［20］，通过降温，隔离氧气，达到灭火目的。电缆防火措施主要包含测温光纤、感烟探测器、灭火球等。其中测温光纤采用测点接触测温，将测温光纤缠绕在电缆上，形成接触点/面后进行温度测量，接触不到的地方无法有效探测。实际应用中，受成本及形式限制，无法大范围布设，且使用中光纤或模块一旦出现中间断裂、损坏，将会影响测温效果和数据传输，增加了维护难度。

抽水蓄能电站常规消防措施对起火燃烧阶段的火灾报警和救援作用明显，但对电力设备的超前期火灾监测尚显不足，为了加强抽蓄电站超前期火灾预防，有必要研究新的有效的技术手段。

3 抽蓄电站典型场景超前期火灾监测方法研究

3.1 热解离子探测技术应用

电站设备过度受热达到耐热极限时则会因化学变化而分解释放出不可见的热解离子。另外，在电力设备的接触点位置，当分断电流或出现异常时，会产生瞬间电弧，使周围的空气被电离，形成大量热解离子，导致空气中热解离子浓度远超正常范围，常规感烟探测器难以有效识别，而采用“热解离子探测技术”便可精确感知。它首先利用水凝结特性，将不可见的热解离子经“云雾室处理”，通过增湿、加压、再降压的过程，使空气内原本不可见且直径大小不一的热解离子经处理后，形成可用于分析且直径统一的大直径雾状水滴（直径约为20 μm），再经过“散射室”，以一定波长的激光进行照射，透过大量雾状水滴所形成的遮光面和透光率分析，便可精确测算出空气中热解离子的浓度，并有效过滤灰尘干扰，避免误报。

云雾室的原理基于“理想气体状态方程”

式中：p为压强，Pa；V为气体体积，m3；n为物质的量，mol；T为绝对温度，K；R为摩尔气体常数，J/（mol·K）。

由式（1）可以看出，处于固定空间（云雾室）内的空气，其质量、体积、摩尔常数固定不变，其压强和温度存在着一定的变化影响关系。当压强增大时，温度也会升高，压强降低时，温度也会下降。

其关系式可描述为

式中：p1为温度T1对应压强；p2为温度T2对应压强。

由此，在云雾室空间内，通过对气体增压、增湿，随着压强增大，内部温度升高，达到一定程度时，水产生气化，而随着压强骤降，温度也降低，水蒸气便被雾化，水雾将空气中的热解离子、灰尘粒子包裹在一个个小水滴中心，形成可用于光学分析的大小统一的雾状水滴，直径约20 μm，为后续光学分析创造了条件。过程如图1所示。

图1 云雾室处理过程

通过抽水蓄能电站实际环境下测试，热解离子探测对电弧、低浓度烟雾、可见烟雾的识别都非常有效，同时，热解离子探测采用主动吸气方式，利用抽气泵持续抽取监测区空气样品进行分析，与常规火灾探测方式相比，其探测结果和响应时间不易受环境气流影响，速度快、精度高，更适合于抽水蓄能电站设备的超前期火灾风险识别。

3.2 电站超前期火灾监测方法

从热解离子的产生过程分析，要实现超前期火灾风险监测预警，需要经过几个步骤：高效的空气采样、准确的火险识别以及合理的火灾预警机制。

1）高效空气采样。电力设备出现超前期火灾风险往往基于某个点、某个设备或某条线路，要进行超前火灾监测则需要及时采集到现场的空气样品，作为火灾分析的原始基础。通过对现场空间结构、环境特点分析，设计采样管网的敷设路径及空间布局，采用大弧度拐弯形式保证气流通畅，控制分支数量保证气流效果，以管网吸气方式，将采样管直接布设到易发生火险的区域，使火灾探测由被动感烟变为主动吸气，极大提高了空气采集效率，加快了数据分析速度。

2）热解离子探测识别。在火灾信息识别时，采用“云雾室”和“光学分析”技术，精确识别空气中直径小至0.002 μm 的微粒，常规感烟探测器光灵敏度多为3%～5%obs/m，仅能识别直径约0.1 μm的烟雾颗粒，热解离子探测技术较常规感烟探测精度提高了50 倍，具有更宽的探测范围，并结合主动吸气采样，使火险识别精度和效率都得以大幅提高。

3）数据及影响因素分析、预警发布。抽水蓄能电站地下厂房空间结构形态、容积、封闭程度相对固定，厂房内的温度、湿度变化范围较小，通风条件依赖有限的进出通道。针对这些相对固定的影响因素，在热解离子监测时一方面通过设计并布置合理的空气采样管网，提高采样效率。另一方面采用环境基础分析方法，测定现场固有环境下热解离子的背景值，10 min/次。

在前端设备实时探测中，监测数据以30 s/次的频率进行采集和存储，即保证了数据连续，又避免了数据冗余。在数据分析时主要针对监测曲线图特征，将每10 min作为一个分析单元，以背景值作参照，对数据变化趋势、变化范围、维持时间进行分析。在数据曲线图中持续升高的曲线意味着热解离子的不断产生和增加，火灾风险在不断加大。曲线图中高点的持续数据代表了热解离子的产生与扩散相对平衡，现场环境暂时稳定。持续降低的曲线代表热解离子的减少或扩散加快，火灾风险在降低。起伏频繁交替的曲线代表了热解离子的不断变化，表明现场环境的不稳定性，火灾风险依然存在，见图2。

图2 主变洞火灾数据曲线（拟合值）

火灾风险的人为影响因素主要是现场施工、日常管理，这些情况下可能会产生较大的监测数据变化，甚至形成预警，但一般不作为正常预警信息，需要结合施工、管理计划进行过滤。而由于人为因素导致现场发生火灾时，监测数据会明显升高，远超最高阈值，且维持时间较长，此时，要发布火灾预警信息。

在对背景值、监测数据、曲线图特征分析基础上，确定四级预警标准：预警、火警1、火警2、火警3，其中前三级阈值作为火灾征兆的鉴别条件，不进行预警发布，而四级阈值被作为火灾预警信息发布的一个必要条件，另外通过曲线分析，设定合理的四级预警延迟，并过滤掉人工干扰因素，形成火灾风险的基本预警机制，当现场监测满足以上条件时，输出预警信息。同时，由于现场环境的复杂性、火灾的不确定性，火灾预警机制需要在持续监测应用中加以优化完善。

3.3 抽水蓄能电站典型场景火灾监测分析

通过在抽水蓄能电站场所内的热解离子探测应用，形成对电站主变压器室、主变洞、电缆沟、开关柜、电缆层、电缆廊道等场景的火险监测，采集了现场火险数据，并从数据的变化及监测预警应用中，分析了热解离子监测应用效果。以主变压器室、电缆廊道典型应用场景为例进行分析。

1）主变压器室监测数据如表1 所示。对应的主变压器室数据曲线如图3所示。

图3 主变压器室火灾数据曲线（拟合值）

表1 主变压器室火灾监测数据 单位：103/cm3

通过对主变压器室一段时间热解离子监测数据的变化分析，数据起伏变化比较大，大部分时间内数据在四级预警阈值（火警3）以下，根据设置的预警规则，数据达到四级预警阈值，并持续30 s 以上时发出预警，此阶段内出现了一次预警。但根据实际情况，预警是因为现场施工导致。因此，此种情况下虽然发生了预警，但属于人为因素诱发，要进行数据标定和过滤。通过应用，验证了热解离子探测技术的适用性、准确性，监测数据真实客观反映了现场离子的变化，对抽水蓄能电站超前期火灾监测是可行的、有效的。

2）电缆廊道监测数据如表2所示。对应的电缆廊道数据曲线如图4所示。

图4 电缆廊道火灾数据曲线（拟合值）

表2 电缆廊道火灾监测数据 单位：103/cm3

通过对电缆廊道一段时间热解离子监测数据的变化分析，数据起伏变化不大，所有数据在一级预警阈值（预警）以下，达不到四级阈值，无预警信息输出，监测数据客观验证了现场的火灾安全状况。

4 结语

针对抽水蓄能电站典型场所的火灾安全管理，从电站的火灾特征、常规防火措施、热解离子探测技术及监测预警方法等方面进行分析，研究电站超前期火灾识别的技术原理、监测适用性以及监测预警基本方法，并以实际监测数据来分析监测预警效果，突出对抽水蓄能电站现场环境监测的适用性、重要性及热解离子探测技术的独有特点，进而形成适用于抽水蓄能电站典型场景下的超前期火灾识别、火灾监测预警技术方法，为抽水蓄能电站防火管理提供一种创新性技术手段，以促进抽水蓄能电站安全管理水平的提高。