光纤温度及烟雾早期预警技术在东欢坨矿110kV变电站的应用研究

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　　摘 要 通过在变电站高压室及电缆夹层安装吸气式感烟火灾探测器，通过空气采样管把保护区的空气吸入探测器进行分析从而进行火灾的早期预警的火灾自动报警设备。吸气式感烟火灾探测器的探测灵敏度可达其1000倍以上，降低误报率，实现极早期火灾探测报警。
　　关键词 光纤温度;烟雾早期预警技术;变电站;应用
　　1 东欢坨矿110Kv变电站现状
　　东欢坨矿110Kv变电站是输变电系统的重要组成部分，起着承上启下的重要作用，而变电站的火灾防护，又直接影响其能否安全运行。绝大多数变电站火灾为电气火灾，传统火灾探测器一般都在火焰燃烧阶段，產生一定浓度的烟雾后才会发出报警。相比而言，“变电站分布式智能感烟火灾早期预警系统”作为极早期火灾预警设备，却能在火灾预燃阶段（提前30～120分钟）发出报警，从而赢得宝贵的时间，把隐患消灭在萌芽中。
　　从技术和实际应用来讲，吸气式感烟火灾探测技术能够检测极早期火灾的烟雾产物，灵敏度极高。但是基于光电探测原理，如果进入探测腔的颗粒是足以引起光散射的微小颗粒极容易引起探测器误报。由于无法有效识别，限制了灵敏度的提高。
　　2 项目实施的总体思路
　　该系统应用于变电站烟雾的早期预警，对开滦（集团）有限责任公司东欢坨矿业分公司110kV变电站内，包括南、北两个配电室，中控室，以及电缆夹层等区域进行极早期火灾预警监测，项目实施按照《煤炭安全规程》的要求，实现各种防护功能，课题试验中按照国家有关电气、机械的相关标准进行。
　　2.1 课题研发立足于以下原则
　　（1）先进性：系统包含激光、光电/磁电、无线等在当前具有必然的先进性，但这里所指的先进性主要指设计开发理念必须是先进的，采用的技术必须是先进的，为智能化无人操作奠定一定基础。
　　（2）实用性：系统强调采用先进的技术同时，应比选适用成熟的设备，满足用户的使用需求，尽可能降低投入，实现高性价比，真正使项目的推广应用成为可能。
　　（3）可靠性：系统运行做到稳定、可靠，不会对电气设备的运行造成干扰，不影响正常生产。
　　（4）安全性：系统遵从电力行业一般要求，集成设备电磁兼容，操作系统安全稳定，设备具有防拆卸、破坏的防护措施。
　　（5）规范性：系统遵照国家现行颁布的煤矿通用电气设备的技术规范、安全规范。
　　2.2 功能需求
　　针对电力行业的特殊要求，确定保护级别和重点保护对象，以性能化设计的方法获得最佳的探测方式和防火系统。
　　2.3 技术路线
　　（1）项目立项： 收集整理需求，确定项目的范畴;
　　（2）需求分析：根据用户开发需求和总体解决方案输出需求分析说明书、硬件要求说明书、软件设计要求说明书和开发技术规范等文档并制定项目开发计划;
　　（3）团队建立：为确保项目顺利实施，本项目成立了以技术总监为负责人的研发团队。
　　（4）系统设计：根据系统分析阶段所确定的性能要求，以可靠性、技术先进性及经济性为准则，构成最佳整体方案;
　　（5）详细设计及开发测试：依据需求说明书，按照系统设计方案与外协配合完成样机系统平台搭建、软硬件件开发;进行功能和性能测试，保证提交的产品与需求和设计要求的一致;
　　（6）在指定变电站构建监测系统，联网、调试。
　　（7）总体评价产品在设计要求、用户功能需求和项目目标方面的达标程度以确保提交的产品满足用户的要求。
　　（8）项目验收：相关单位组织评审验收。
　　3 技术方案
　　贯彻“以人为本、提高控制管理科技水平、建立安全生产长效机制”的长远目标和管理理念，针对提出的功能需求设计控制流程。根据控制流程确定系统架构，进而开发本课题装置。
　　3.1 系统设计
　　（1）管路开孔
　　吸气式感烟火灾探测系统中包含若干数量的管子铺设在探测区，形成管网。每条管子上钻出若干数量的小孔，每一个小孔称为一个采样点。探测器内有抽气装置，将通过这些小孔将探测区域的空气或烟雾经管路抽到探测器内并送到灵敏度极高的激光探测腔内进行分析。
　　管路开孔直径不大于2mm，末端孔直径不大于6mm，单管长度不大于100m，同时应满足：从最末端采样孔处加烟，到探测器显示烟雾浓度升高，时间不超过120s。
　　（2）管路材质
　　根据应用环境不同，可以选择多种材质的采样管道，厂家推荐采用标准的21mm内径，25mm外径的PVC管。也可根据应用环境和客户需求，订制采用CPVC，ABS，钢管等。
　　（3）管路铺设
　　原则上必须满足GB 50116-2013火灾自动报警系统设计规范。
　　①如采用多路管路布设方式，应尽量使探测区域环境条件、管路长度、开孔大小和数量保持一致，以平衡各个通道的灵敏度差异。
　　②当采样孔布置在高气流环境下时，由于烟雾很快会被高速流动的气流所稀释，所以要将采样孔的烟雾灵敏度提高一定等级，每个采样孔的保护面积相应缩小。
　　③当一个采样孔被堵塞后，该采样孔即失去探测能力，因此任何独立探测区域应至少有2个采样孔。
　　④当采样管道需要采用毛细管布置方式，毛细管长度不能过长，否则将影响采样孔的进气量，从而影响系统的探测性能。
　　⑤采样管网在需要拐弯时，必须采用符合规定曲率要求的弯头（一般使用大于90mm），不得使用直角弯头或其他常规管路配件来代替。
　　3.2 系统工作原理
　　一般火灾的产生可分为四个阶段：预燃阶段、可见烟雾燃烧阶段、火焰燃烧阶段、剧烈燃烧阶段。吸气式感烟火灾探测器，是一种通过空气采样管把保护区的空气吸入探测器进行分析从而进行火灾的早期预警的火灾自动报警设备。它采用长寿命激光光源作为探测光源，利用光散射技术进行烟雾探测，并通过人工神经网络技术实现防误报和烟雾粒子鉴别。 　　吸气式感烟火灾探测器采用光散射原理。含有烟雾的空气样本在风机的作用下匀速通过探测室，激光在烟雾粒子的作用下发生散射，散射光会被光敏接收器接收，该散射信号经过处理转换为烟雾浓度的大小。
　　3.3 系统安装方案
　　（1）系统主机
　　系统使用2台吸气式感烟火灾探测主机，两台主机分别安装于南配电室的北墙上及北配电室的南墙上。
　　北配电室的吸气感烟探测主机2个管路用于监测该配电室，另2个管路通过打孔的方式进入地下电缆夹层区，用于监测北半边的电缆夹层区;南配电室的吸气感烟探测主机2个管路用于监测该配电室，另2个管路同样通过打孔的方式进入地下电缆夹层区，用于监测南半边的电缆夹层区。
　　（2）吸气管道
　　吸气管道采用标准的21mm内径，25mm外径的PVC管，每个通道三个采集点，在被测区域均匀分布，在采样点处用红色胶带缠绕，便于执勤人员检测。管路开孔直径不大于2mm。
　　吸气管道用膨胀螺栓打孔固定于南、北配电室及地下电缆夹层的横梁上，一根横梁上用两组带膨胀螺栓的卡扣固定，吸气管道预计用量为400米。
　　电缆夹层吸气管道安装在两侧电缆桥架的内侧斜上方横梁上，吸气孔向着管道该侧的电缆桥架方向。配电室吸气管道安装在过道的上方的房顶横梁上，吸气孔向着管道该侧的开关柜方向。
　　（3）通讯
　　吸气感烟探测主机通过网线连接到中控室的工控机上，网线通过打孔从地下电缆夹层连接到中控室的监控主机上，可与分布式光纤测温系统共用一台工控机，软件后续可进行升级，可将两套系统监测情况一同展示。
　　4 主要技术参数
　　5 关键技术与创新点
　　5.1 关键技术
　　（1）极早期烟雾探测技术
　　在火灾发生的极早期会产生极其细微的颗粒，通常使用的长波长光源对其反应不够灵敏。该探测模块采用高品质短波长光源和先进的小信号放大技术，保证对火灾早期产生的极细微颗粒同样具有超高的灵敏度。
　　（2）烟雾粒子识别技术
　　该技术利用了不同烟雾粒子在不同波长不同散射角度下，粒子散射特性随之变化的特点，排除因粉尘、水蒸气等常见干扰源引起的误报。
　　（3）探测腔自清洁
　　探测腔具有多级过滤和自清洁功能，保证模块内部器件即使在恶劣环境下也能长期使用。同时探测腔具有气路堵塞报警功能，提醒使用者及时更换过滤系统。
　　其中涉及激光散射腔的结构设计、激光光源的选择、光电接收器的选择与布置、数据处理模块的开发、精密过滤器的设计、吸气装置的设计、智能算法的研发、服务器软件的开发，以及变电站构建系统结构的合理实现。
　　该项目开发的吸气式感烟火灾探测器的探测腔，核心性能指标探测器灵敏度达到0.005%～5% obs/m，分辨率0.001% obs/m，具有CO和风速辅助传感器，探测腔自清洁等功能，满足吸气式感烟火灾探测器的各项要求，同时具备自身的核心优势和创新点。
　　5.2 创新点
　　（1）双波长双角度烟雾粒子识别技术：该技术利用了不同烟雾粒子在不同波长不同散射角度下，粒子散射特性随之变化的特点。通过高速AD采集多路信息，CPU实时处理，利用人工神经网络算法，极大提高了产品抗误报能力。
　　（2）CO+烟雾双鉴式烟雾探测：利用高灵敏CO传感器采集CO浓度信息并汇入CPU，结合烟雾粒子识别技术进行典型火灾烟雾的鉴别，提高抗误报能力。
　　（3）分区定位功能：使用进口高功率长寿命吸气泵，根据环境变化风速自检测自调节，利用风机轮巡功能，实现火灾分区定位。
　　（4）灵活的通讯组网功能：产品支持RS485、CAN总线、网口通讯等功能，并可通过软件自行配置。
　　6 实施效果
　　6.1 应用价值和推广前景
　　吸气式感烟火灾探测器的采样管路安装灵活，针对变电站不同的区域可以有不同的布设方式，安装在天花板或地板下;也可以将采样管沿着被保护体的走向来安装;可以利用其独有的毛细管采样方式将采样管插入电气电力设备机柜内部安装;也可以将采样管铺设到控制室、开关室、继电器室的电缆桥架内;此外还可以将采样管布设到空调回风口，这样更是增加了火灾探测的效率，比传统探测方法更加及时可靠。
　　6.2 存在问题和不足
　　该技术利用了不同烟雾粒子在不同波长不同散射角度下，粒子散射特性随之变化的特点，需多次实验、结合现场试运行结果，反复调整软件报警阈值，排除因粉尘、水蒸气等常见干扰源引起的误报，以尽可能达到最佳效果，故过程较为复杂，所需時间较长。
　　作者简介
　　韩振兴（1973-），男，河北秦皇岛人;毕业院校：河北建筑科技学院，专业：机电一体化，学历：大学学历，正高级工程师，现就职单位：开滦东欢坨矿，研究方向：电气自动化。
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