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??城市電網供配電系統極早期火災預警探測解決方案
1. 前言
1.1 城市電網供配電系統概況
城市電網供配電系統是由供電電源、輸配電網、電能用戶和監控與配電網管理系統組成。城市供電電源主要包括電廠（火力、水力發電廠等）和區域變電所（站）等設施。城市輸配電網主要含城市變電所（站）、換流站和輸送電線路等設施。電能用戶主要指居民生活用電和工業用電。電力監控系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，實現變配電系統的實時數據采集、狀態檢測和遠程控制。
國家電網公司對安全工作有詳細的規定，十分重視電網安全及電力可靠供應問題。隨著國家全面建成小康社會的腳步不斷深入，電網安全顯得尤為重要，電網公司提出了“要全力確保大電網安全、人身安全、設備安全、網絡安全“四大安全”，要狠抓重點領域隱患治理，突出抓好特高壓設備安全、消防安全、電纜及通道隱患整治和集體企業安全專項治理。這相當于對電網防災提出了明確要求，需要從供配電系統的各主要環節入手，尤其是最典型的供配電系統設施，包括油浸變壓器、油浸電抗器、高低壓配電設施等。
1.2 城市電網供配電系統熱災害與火災危險性
總體而言，隨著科學技術的不斷發展以及電網安全防護技術的發展，電網的安全防護越來越完善，2002年5月國家經貿委發布了《電網和電廠計算機監控系統及跳讀數據網絡安全防護的規定》，2006年電監會印發《電力二次系統安全防護總體方案》等，都為電力系統安全建設提供了重要的指導作用。盡管電力系統的安全防護不斷完善，但是我們也不得不面對巨量電網系統設施的安全防護問題，據統計，十三五期間我國僅297個地級以上城市10KV及以下配電站就將達到30萬座，電網供配電系統的熱災害和火災事故仍然不在少數，且有的破壞性還很強。
目前熱災害和火災預警防護的首要對象應該是各級變配電所的油浸式變壓器、電抗器，電力隧道/廊道，GIS設備設施，高低壓配電室等。以油浸式變壓器為例，其內含的可燃物是驚人的，變壓器油經常達到幾十噸之多，還包含電纜紙、漆布、木材等絕緣材料，這些均為可燃物，而變壓器油燃燒的高溫特性又使得其撲救的難度巨高。
針對火災危險性最大的油浸式變壓器進行火災危險性分析，主要的內因如下：
1) 繞組絕緣損毀產生短路，引起火災或爆炸事故。繞組絕緣損毀原因也比較多，包括絕緣老化、變質、強度降低、制造質量等，造成繞組匝間、層間短路，而產生放電電弧，其最高溫度可能高達3000℃以上，造成絕緣油分解出大量可燃氣體，與空氣混合達到一定濃度而形成爆炸。
2) 變壓器主絕緣擊穿。造成這一問題的因素包括中性點不接地運行、套管上部端子幅密封不良而造成引線根部繞組絕緣強度大大降低等，這些因素引起的閃絡，會很快發展為變壓器的損毀事故。
3) 變壓保套管閃絡，引起爆炸起火。變壓器套管事故在變壓器事故中占比也是比較高的，達到15.3%以上。
4) 分接開關和繞組連接處接觸不良，產生高溫。變壓器分接開關引起事故的比例僅次于套管閃絡事故比例。
5) 磁路發生故障、鐵心故障，產生渦流、環流發熱，引起變壓器故障。
油浸電抗器、互感器和斷路器等其它油浸設備的火災危險性內因也很類似，只是在機理上不盡相同而已。這類設備的外因當然還包括雷擊、異常天氣、人為破壞等。
其他電網系統設備的火災可能的原因包括超負荷、過熱、機械損傷、老化、電氣故障等而導致短路，絕緣下降引發電氣火災。電力電纜的火災原因包括隧道主電纜接地或相間短路、主電纜接頭故障、電纜隧道/廊道附屬設施電氣故障等，當然同樣還面臨外部因素，例如施工、人為破壞等。電氣設備或電纜的火災主要的危害在于其往往發展速度快，溫度高，易傳播，恢復時間長等。
1.3 現有火災探測技術及問題
電網系統目前還比較多的采用傳統的火災探測技術，分別包括：1）線型感溫火災探測器，通常包括分布式光纖感溫火災探測器、準分布式光纖光柵感溫火災探測器和線型感溫電纜，主要用于室外油浸式變壓器、電抗器，室內變壓器、電抗器，電纜溝、隧道或廊道等；2）吸氣式感煙火災探測器，主要用于高低壓配電室、計算機房等；3）紅外火焰探測器，主要被用于變壓器或電抗器的場所；4）點型感煙/感溫火災探測器，比較多的用于常規建筑內，包括一些高低配電室等。對于需要設置固定式滅火系統的場所，通常采用兩種探測器進行保護。各場所均需要設置手動報警按鈕。
1.3.1 線型感溫火災探測器
線型感溫火災探測器被用于室外油浸式變壓器、電纜隧道等場所，其中一個很重要的原因在于探測器理論上具有耐惡劣環境條件的特質。不過典型的問題是：1）線型感溫火災探測器均需要達到一定的溫度才能觸發報警，不具備極早期探測能力；2）感溫電纜由于采用了負溫度系數熱敏材料或特定溫度軟化材料，使得感溫電纜或者因為陽光作用易于誤報警或者易于老化；3）即便采用分布光纖感溫火災探測器，也不可避免的存在誤報警，或者較大的火才能觸發報警的問題。光纖型線型感溫要想監測電纜的實時溫度必須要緊貼電纜一對一敷設，而如此大量的應用恐怕會產生適得其反的效應。
1.3.2 吸氣式感煙火災探測器
吸氣式感煙火災探測器通常被認為是一種高靈敏度探測器，因此被較多的用于室內高低壓配電室、計算機房等場所，應該說這些場所的應用是可以體現其高靈敏特性的。當然也有人將其用于室內變壓器等的火災探測，這個就值得商榷了。吸氣式感煙探測器是需要防護場所內產生煙氣才能觸發報警，而對于變壓器、電抗器甚至配電柜這些設備，因為較多地采用了阻燃材料，要揮發出氣體粒子，溫度往往要達到250℃以上，而要產生煙霧要達到390℃以上，如果真產生煙氣，那一定出現了溫度異常甚至更惡劣的爆燃現象，因此吸氣式探測器的早期探測性能并不見得在電氣場所真能達到極早期探測。
1.3.3 紅外火焰探測器
紅外火焰探測器通常會采用兩波段和三波段，有一些應用將其用于室外油浸變壓器和電抗器的火災探測中。實際上，這是存在一定問題的，被保護設備設于室外，受陽光影響大，夏天溫度較高，可能出現誤報警多或者探測器飽和不能報警的問題。因此本文不主張其用于室外變壓器或電抗器場所的火災探測。
1.3.4 點型感煙/感溫火災探測器
點型感煙/感溫火災探測器在供配電系統常規場所使用。總的特點來講，就是早期預警能力很弱。
1.3.5 熱解粒子電氣火災探測器
該型探測器能夠探測電線、開關等高分子材料第一次熱解產生的氣體（異味、無味氣體），實現火災早期探測。比較適用于環境較好的場所，尤其可以考慮在重要且危險的電氣柜內安裝使用。
2. 整合解決方案的基本思路與實現
針對城市電網供配電系統的危險性以及以往災害事故的統計數據，對于各類變電站、換流站和供配電設施，提出以下的解決方案：
1) 對于油浸變壓器、電抗器、GIS等設備或者場所（包括室內、室外），重點采用AE989系列溫/煙/火三復合光譜成像火災探測器。對于與需要自動聯動固定式滅火系統的，可以配用線型感溫火災探測器。
2) 對于蓄電池室等重要且危險的場所，宜采用AE989系列溫/煙/火三復合光譜成像火災探測器。
3) 對于電纜隧道/廊道等電纜區域，重點采用AE919系列紅紫外雙光譜成像火災探測器（紅紫外光束復合成像），對于需要與自動聯動固定式滅火系統的，可以配用線型感溫火災探測器。對于大型電力電纜接頭的部位，建議增加使用iSense熱災害探測儀。
4) 對于高低壓配電室、開關柜室，可以采用吸氣式感煙火災探測器或者AE909紅紫外雙鑒線型光束感煙火災探測器。重要且危險的電氣柜，可以采用熱解粒子探測器和/或iSense熱災害探測儀。
5) 其他區域采用常規火災探測報警設備。
6) 在油浸式變壓器、電抗器的消防防護中，當采用了壓縮空氣泡沫炮作為原有水噴霧滅火系統的加強滅火設施時，AE989溫/煙/火三復合光譜成像火災探測器的作用不僅僅局限在火災預警探測，還可以提供火災的定位信息，尤其是最高溫點或區域的定位信息，以利于CAFS炮可以有效對準指定坐標區域進行噴射滅火。
7) 針對國網、南網分區域或者整體建立災害極早期預警探測云平臺系統，達到跨地域和分層分布式預警監控體系，確保災害的極早期預警報警。
地域型災害極早期預警探測云平臺系統建立的基本思想是，通過在極早期預警方面提升傳統探測系統能力，實現地域內或跨地域大范圍城市電網供配電系統的災害預警數據的云端處理、分析和預警，核心計算則同時考慮邊緣計算和云計算相結合，充分整合融合各方面的數據，形成大型的云平臺系統，如下圖所示。
3. 應用案例說明
采用以上的整合系統設計思想，在長沙芙蓉、建湘、紅星變電站建立了一套試點系統，以期驗證系統的有效性。以下為AE989等產品應用示意圖。
