超密集型光柵陣列火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)研究

孫 偉

(國家電網(wǎng)有限公司，國網(wǎng)新疆電力有限公司阿勒泰供電公司，新疆 阿勒泰 836500)

近年來，我國能源電力供給網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略地位逐步提升，已成為社會經(jīng)濟運轉(zhuǎn)的“主動脈”。變電站的電力電纜主要敷設(shè)在電纜夾層、電纜溝、電纜豎井或室內(nèi)外的電纜橋架中，敷設(shè)集中且數(shù)量龐大，一旦發(fā)生火災(zāi)，實施滅火救援困難，會對整個社會產(chǎn)生損失大、傷亡大、污染大等諸多不良影響[1]，是威脅電力系統(tǒng)安全運行的最大隱患因素。

2021年10月10日，位于日本埼玉縣蕨市的JR東日本公司“蕨交流變電站”發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致無法給運行的電車和車站附近設(shè)施輸送電力，當日有山手線、京濱東北線等9條線路全線停運，約有23.6萬人的出行受阻。2021年10月23日，伊朗南部城市阿巴斯港的一處大型變電站發(fā)生火災(zāi)事故，阿巴斯港城市的東部和北部地區(qū)以及霍爾木茲島發(fā)生大面積停電。2018年3月23日，國家能源集團元寶山發(fā)電有限責任公司發(fā)生火災(zāi)事故，初步估算直接經(jīng)濟損失880萬元。2018年4月7日，國家電網(wǎng)公司±800千伏天山換流站Y/D-B相換流變突發(fā)故障，引發(fā)設(shè)備著火，造成部分設(shè)備燒損。2016年6月18日凌晨0時30分，西安南郊變電站起火爆炸，導(dǎo)致西安市多個區(qū)域停電，三星電子半導(dǎo)體設(shè)備感應(yīng)到電壓異常自動停止運作，西安工廠約損失10%的生產(chǎn)力，造成約數(shù)百億韓元的經(jīng)濟損失。

綜上所述，目前迫切需要研究一種有效、快速、可靠的變電站電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)來保障我國能源電力供給網(wǎng)絡(luò)的安全運營，這不僅涉及企業(yè)自身的安全和效益，更是對國家、社會和人民的最大奉獻。

電力電纜火災(zāi)出現(xiàn)的原因多為長時間運行過程中浸泡受潮、老化、內(nèi)部絕緣缺陷、損傷等，導(dǎo)致絕緣材料的擊穿強度下降[2]。通過以往多起電纜火災(zāi)案例分析表明，電纜火災(zāi)的形成不是突發(fā)的，而是存在3個階段：①第一階段是火災(zāi)發(fā)生極早期，電纜線芯導(dǎo)體發(fā)熱，熱量在異常部位聚集，形成局部的溫度上升；②第二階段是火災(zāi)發(fā)生前期，電纜處于陰燃狀態(tài)，伴隨著大量的煙霧產(chǎn)生；③第三階段是火災(zāi)發(fā)生后期，電纜出現(xiàn)大量明火和濃煙，火勢迅速蔓延[3]。

目前智能電纜火災(zāi)監(jiān)測產(chǎn)品可分為感煙、感光和感溫3類。其中，感煙類產(chǎn)品如煙霧探測器是針對火災(zāi)發(fā)生的第二階段進行探測報警[4]；感光類產(chǎn)品如火焰探測器、圖像型探測器可對火災(zāi)發(fā)生的第三階段進行探測報警[5]；感溫類產(chǎn)品如感溫電纜、分布式測溫光纖、點式光纖光柵等由于測溫能力、空間分辨率、響應(yīng)速度、測量長度等關(guān)鍵指標限制[6]，還無法實現(xiàn)對電纜火災(zāi)初期導(dǎo)體局部輕微發(fā)熱的準確探測，滿足不了“滅早、滅小、滅初期”的消防需求[7]，也是目前城市供電網(wǎng)絡(luò)運營安全智能監(jiān)測系統(tǒng)中急需攻克的卡脖子技術(shù)之一。

1 超密集型感溫光柵陣列技術(shù)

光纖光柵是一種典型的波長調(diào)制型光纖無源器件，其光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化；當某一寬帶光源入射時，周期性折射率結(jié)構(gòu)將使中心波長為λB的光產(chǎn)生反射，λB與折射率變化周期Λ和有效折射率neff的表達式為[8]：

λB=2neffΛ

傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)一般基于波分復(fù)用原理，通過將不同波長的光柵組串，從而進行溫度的感知與定位，但由于光源波長范圍的限制(一般≤40 nm)，單一鏈路只能串接25～30個不同波長的光柵傳感器，極大限制了系統(tǒng)測量長度與定位精度[9]。

超密集型光柵陣列技術(shù)是近年發(fā)展起來的新一代光纖傳感技術(shù)，采用拉絲塔在線制備的密集光柵陣列傳感光纖作為溫度敏感單元，單條鏈路可不間斷刻寫上萬個光柵傳感器[10]；同時利用時分波分混合復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)對每個傳感光柵溫度信號的獨立解調(diào)，如圖1所示。

圖1 超密集光柵陣列技術(shù)解調(diào)原理

超密集型光柵陣列技術(shù)融合了傳統(tǒng)光纖光柵和分布式光纖傳感技術(shù)的各自優(yōu)點，可實現(xiàn)厘米級的溫度感知，米級的空間定位以及數(shù)十公里級的監(jiān)測范圍，是實現(xiàn)電纜火災(zāi)初期導(dǎo)體局部溫升精確測量的最有效途徑，如圖2所示。

圖2 超弱密集光纖光柵陣列(a)與傳統(tǒng)光纖光柵(b)

2 電纜火災(zāi)模擬實驗

動力電纜在發(fā)生過載、短路等電氣故障時，電纜的局部或全線會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，當溫度達到一定值，引燃電纜絕緣層、外護套及現(xiàn)場的其他可燃物，從而引發(fā)電纜火災(zāi)。

為了避免與2018年天山換流站電纜火災(zāi)類似的事故發(fā)生，本文在同屬新疆地區(qū)的額某變電站35 kV電纜線路上開展了相關(guān)的電纜火災(zāi)模擬試驗研究，旨在評估當前主流電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是否能對動力電纜出現(xiàn)的過載、短路等電氣故障作出及時、準確的報警響應(yīng)能力。

出科考試成績顯示實驗組學生在專業(yè)理論知識、臨床操作技能、臨床思維方面均優(yōu)于對照組，差異均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），見表2。

本次測試電纜火災(zāi)檢驗選擇了具有代表性的且通過國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗的光纖光柵感溫火災(zāi)探測器(感溫光柵間距10 m)、分布式光纖線型感溫火災(zāi)探測器以及感溫光柵間距小于10 cm的光纖光柵線型感溫火災(zāi)探測器進行工程模擬試驗。3種測溫系統(tǒng)的溫度傳感光纜均采用‘S’型敷設(shè)在電纜表面，使用表貼式伴熱帶在溫度傳感光纜的任意位置進行加熱，伴熱帶與光纜的接觸長度為10 cm，模擬電纜火災(zāi)發(fā)生極早期導(dǎo)體產(chǎn)生的局部溫升，并在伴熱帶下方固定一個熱電偶溫度計進行溫度比對，如圖3所示。

圖3 電纜局部溫升響應(yīng)試驗平臺

為充分驗證線型感溫火災(zāi)探測器對動力電纜不同類型過熱的響應(yīng)能力，參考國家標準GB16280-2014《線型感溫火災(zāi)探測器》高、低溫運行試驗規(guī)定的動作性能試驗方法：以1 ℃/min的升溫速率和30 ℃/min的升溫速率測試探測器的差定溫，本試驗采用兩種升溫速率驗證探測器的動作性能。經(jīng)測試實際兩種升溫速率分別為1～2 ℃/min(以下簡稱慢速升溫速率)和28～32 ℃/min(以下簡稱快速升溫速率)，如圖4、圖5所示。

圖4 4種傳感器對局部慢速溫升的響應(yīng)曲線

圖5 4種傳感器對局部快速溫升的響應(yīng)曲線

由圖4、圖5可知，不同傳感器對于局部溫升的響應(yīng)特性各不相同，其中：①超密集型感溫光柵陣列的溫度響應(yīng)與熱電偶最為接近，但溫度存在一定的遲滯效應(yīng)，慢速升溫時溫度遲滯為0.5 ℃左右，快速升溫時溫度遲滯為3 ℃左右，這是護套熱量傳遞帶來的影響；②分布式感溫光纖有一定的溫度響應(yīng)，但與熱電偶的差異較大，約是其溫升的1/10；③感溫光纖光柵幾乎沒有溫度響應(yīng)，因為其光柵間距為10 m，而伴熱帶下方并沒有感溫元件。

3 超密集型光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

額某變電站是新疆某地區(qū)的樞紐變電站之一，承擔著整個新疆某地區(qū)的生產(chǎn)用電需求，擁有非常重要的戰(zhàn)略地位。本文率先在該變電站的電纜線路上進行了超密集型感溫光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的示范應(yīng)用，包括了變壓器、電纜溝和電纜橋架的火災(zāi)監(jiān)測，設(shè)計總長約為2 000 m，如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計范圍

圖7 傳感光纜敷設(shè)情況

新疆額某變電站建設(shè)的基于超密集型光柵陣列技術(shù)的電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)如圖8所示，是該技術(shù)在我國無人值守變電站安全監(jiān)測領(lǐng)域中的首次應(yīng)用，該系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行了近3年時間，是目前國內(nèi)唯一能夠準確測量電纜局部溫升的傳感系統(tǒng)，為我國其他重要變電站的電纜火災(zāi)安全監(jiān)測提供了完整的、可復(fù)制的解決方案。

圖8 額某變電站光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

圖9 光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)全線2 000 m所有傳感測點的實測溫度分布曲線

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)的電纜火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)相比，超密集型感溫光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)具有長距離、快響應(yīng)、高精度的特點，具備了電纜火災(zāi)極早期的探測預(yù)警能力，為我國能源電力供給網(wǎng)絡(luò)的安全運營提供了先進的監(jiān)測手段，為實現(xiàn)電纜火災(zāi) “滅早、滅小、滅初期”的消防目標提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)本系統(tǒng)不僅可以快速地對電纜火災(zāi)進行預(yù)警，還可以通過溫度分布曲線評估電纜的負載狀態(tài)，并對可能產(chǎn)生的隱患點進行預(yù)測和提示，通過與智慧能源大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)有機融合，形成安全高效的全流程閉環(huán)管理體系，提高管理效率、降低管理成本、減少安全隱患。

綜上，超密集型感溫光柵陣列電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)解決了我國電纜火災(zāi)極早期探測手段缺失的痛點，提高了能源電力供給網(wǎng)絡(luò)運營安全管理的能力和效率，讓其能夠更好地服務(wù)于經(jīng)濟社會發(fā)展和人民美好生活。同時，本系統(tǒng)在石油石化、軌道交通、國防軍工等領(lǐng)域存在大量供電線電纜網(wǎng)絡(luò)，行業(yè)領(lǐng)域前景廣闊。