超密集型光栅阵列火灾智能预警系统研究

孙 伟

(国家电网有限公司，国网新疆电力有限公司阿勒泰供电公司，新疆 阿勒泰 836500)

近年来，我国能源电力供给网络的战略地位逐步提升，已成为社会经济运转的“主动脉”。变电站的电力电缆主要敷设在电缆夹层、电缆沟、电缆竖井或室内外的电缆桥架中，敷设集中且数量庞大，一旦发生火灾，实施灭火救援困难，会对整个社会产生损失大、伤亡大、污染大等诸多不良影响[1]，是威胁电力系统安全运行的最大隐患因素。

2021年10月10日，位于日本埼玉县蕨市的JR东日本公司“蕨交流变电站”发生火灾，导致无法给运行的电车和车站附近设施输送电力，当日有山手线、京滨东北线等9条线路全线停运，约有23.6万人的出行受阻。2021年10月23日，伊朗南部城市阿巴斯港的一处大型变电站发生火灾事故，阿巴斯港城市的东部和北部地区以及霍尔木兹岛发生大面积停电。2018年3月23日，国家能源集团元宝山发电有限责任公司发生火灾事故，初步估算直接经济损失880万元。2018年4月7日，国家电网公司±800千伏天山换流站Y/D-B相换流变突发故障，引发设备着火，造成部分设备烧损。2016年6月18日凌晨0时30分，西安南郊变电站起火爆炸，导致西安市多个区域停电，三星电子半导体设备感应到电压异常自动停止运作，西安工厂约损失10%的生产力，造成约数百亿韩元的经济损失。

综上所述，目前迫切需要研究一种有效、快速、可靠的变电站电缆火灾预警系统来保障我国能源电力供给网络的安全运营，这不仅涉及企业自身的安全和效益，更是对国家、社会和人民的最大奉献。

电力电缆火灾出现的原因多为长时间运行过程中浸泡受潮、老化、内部绝缘缺陷、损伤等，导致绝缘材料的击穿强度下降[2]。通过以往多起电缆火灾案例分析表明，电缆火灾的形成不是突发的，而是存在3个阶段：①第一阶段是火灾发生极早期，电缆线芯导体发热，热量在异常部位聚集，形成局部的温度上升；②第二阶段是火灾发生前期，电缆处于阴燃状态，伴随着大量的烟雾产生；③第三阶段是火灾发生后期，电缆出现大量明火和浓烟，火势迅速蔓延[3]。

目前智能电缆火灾监测产品可分为感烟、感光和感温3类。其中，感烟类产品如烟雾探测器是针对火灾发生的第二阶段进行探测报警[4]；感光类产品如火焰探测器、图像型探测器可对火灾发生的第三阶段进行探测报警[5]；感温类产品如感温电缆、分布式测温光纤、点式光纤光栅等由于测温能力、空间分辨率、响应速度、测量长度等关键指标限制[6]，还无法实现对电缆火灾初期导体局部轻微发热的准确探测，满足不了“灭早、灭小、灭初期”的消防需求[7]，也是目前城市供电网络运营安全智能监测系统中急需攻克的卡脖子技术之一。

1 超密集型感温光栅阵列技术

光纤光栅是一种典型的波长调制型光纤无源器件，其光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化；当某一宽带光源入射时，周期性折射率结构将使中心波长为λB的光产生反射，λB与折射率变化周期Λ和有效折射率neff的表达式为[8]：

λB=2neffΛ

传统光纤光栅温度传感系统一般基于波分复用原理，通过将不同波长的光栅组串，从而进行温度的感知与定位，但由于光源波长范围的限制(一般≤40 nm)，单一链路只能串接25～30个不同波长的光栅传感器，极大限制了系统测量长度与定位精度[9]。

超密集型光栅阵列技术是近年发展起来的新一代光纤传感技术，采用拉丝塔在线制备的密集光栅阵列传感光纤作为温度敏感单元，单条链路可不间断刻写上万个光栅传感器[10]；同时利用时分波分混合复用技术，实现对每个传感光栅温度信号的独立解调，如图1所示。

图1 超密集光栅阵列技术解调原理

超密集型光栅阵列技术融合了传统光纤光栅和分布式光纤传感技术的各自优点，可实现厘米级的温度感知，米级的空间定位以及数十公里级的监测范围，是实现电缆火灾初期导体局部温升精确测量的最有效途径，如图2所示。

图2 超弱密集光纤光栅阵列(a)与传统光纤光栅(b)

2 电缆火灾模拟实验

动力电缆在发生过载、短路等电气故障时，电缆的局部或全线会出现过热现象，当温度达到一定值，引燃电缆绝缘层、外护套及现场的其他可燃物，从而引发电缆火灾。

为了避免与2018年天山换流站电缆火灾类似的事故发生，本文在同属新疆地区的额某变电站35 kV电缆线路上开展了相关的电缆火灾模拟试验研究，旨在评估当前主流电缆火灾预警系统是否能对动力电缆出现的过载、短路等电气故障作出及时、准确的报警响应能力。

出科考试成绩显示实验组学生在专业理论知识、临床操作技能、临床思维方面均优于对照组，差异均具有统计学意义（P＜0.01），见表2。

本次测试电缆火灾检验选择了具有代表性的且通过国家消防电子产品质量监督检验中心检验的光纤光栅感温火灾探测器(感温光栅间距10 m)、分布式光纤线型感温火灾探测器以及感温光栅间距小于10 cm的光纤光栅线型感温火灾探测器进行工程模拟试验。3种测温系统的温度传感光缆均采用‘S’型敷设在电缆表面，使用表贴式伴热带在温度传感光缆的任意位置进行加热，伴热带与光缆的接触长度为10 cm，模拟电缆火灾发生极早期导体产生的局部温升，并在伴热带下方固定一个热电偶温度计进行温度比对，如图3所示。

图3 电缆局部温升响应试验平台

为充分验证线型感温火灾探测器对动力电缆不同类型过热的响应能力，参考国家标准GB16280-2014《线型感温火灾探测器》高、低温运行试验规定的动作性能试验方法：以1 ℃/min的升温速率和30 ℃/min的升温速率测试探测器的差定温，本试验采用两种升温速率验证探测器的动作性能。经测试实际两种升温速率分别为1～2 ℃/min(以下简称慢速升温速率)和28～32 ℃/min(以下简称快速升温速率)，如图4、图5所示。

图4 4种传感器对局部慢速温升的响应曲线

图5 4种传感器对局部快速温升的响应曲线

由图4、图5可知，不同传感器对于局部温升的响应特性各不相同，其中：①超密集型感温光栅阵列的温度响应与热电偶最为接近，但温度存在一定的迟滞效应，慢速升温时温度迟滞为0.5 ℃左右，快速升温时温度迟滞为3 ℃左右，这是护套热量传递带来的影响；②分布式感温光纤有一定的温度响应，但与热电偶的差异较大，约是其温升的1/10；③感温光纤光栅几乎没有温度响应，因为其光栅间距为10 m，而伴热带下方并没有感温元件。

3 超密集型光栅阵列电缆火灾预警系统

额某变电站是新疆某地区的枢纽变电站之一，承担着整个新疆某地区的生产用电需求，拥有非常重要的战略地位。本文率先在该变电站的电缆线路上进行了超密集型感温光栅阵列电缆火灾预警系统的示范应用，包括了变压器、电缆沟和电缆桥架的火灾监测，设计总长约为2 000 m，如图6、图7所示。

图6 系统设计范围

图7 传感光缆敷设情况

新疆额某变电站建设的基于超密集型光栅阵列技术的电缆火灾预警系统如图8所示，是该技术在我国无人值守变电站安全监测领域中的首次应用，该系统已经稳定运行了近3年时间，是目前国内唯一能够准确测量电缆局部温升的传感系统，为我国其他重要变电站的电缆火灾安全监测提供了完整的、可复制的解决方案。

图8 额某变电站光栅阵列电缆火灾预警系统

图9 光栅阵列电缆火灾预警系统全线2 000 m所有传感测点的实测温度分布曲线

4 结论

(1)与传统的电缆火灾监测技术相比，超密集型感温光栅阵列电缆火灾预警系统具有长距离、快响应、高精度的特点，具备了电缆火灾极早期的探测预警能力，为我国能源电力供给网络的安全运营提供了先进的监测手段，为实现电缆火灾 “灭早、灭小、灭初期”的消防目标提供了重要的技术支撑。

(2)本系统不仅可以快速地对电缆火灾进行预警，还可以通过温度分布曲线评估电缆的负载状态，并对可能产生的隐患点进行预测和提示，通过与智慧能源大数据网络有机融合，形成安全高效的全流程闭环管理体系，提高管理效率、降低管理成本、减少安全隐患。

综上，超密集型感温光栅阵列电缆火灾预警系统解决了我国电缆火灾极早期探测手段缺失的痛点，提高了能源电力供给网络运营安全管理的能力和效率，让其能够更好地服务于经济社会发展和人民美好生活。同时，本系统在石油石化、轨道交通、国防军工等领域存在大量供电线电缆网络，行业领域前景广阔。