吴越锋，王梦齐，王朕伟，徐剑锋
(1.饶河县晨光热电有限公司, 黑龙江 双鸭山 155799；
2.国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司，哈尔滨 150070；
3.国网黑龙江省电力有限公司兴凯湖供电分公司，黑龙江 鸡西 158300)
高温和火灾是电力系统中的常见事故，而电缆头是电缆绝缘性能的关键部位，最容易成为引火源[1]。由此可见，对电缆头的测温工作尤为重要。目前变电站中的电缆头多存在于开关柜内部，小车开关的动静触头及母线排等设备也都处于柜体内部，这对变电站现场的测温工作造成了一定的阻碍[2]。而且传统的红外测温方式无法满足对待测设备温度的远距离、多点、实时在线测量，造成电缆头等设备由于温度过高引起的火灾甚至爆炸等事故频发[3]。因此，亟需对上述设备进行有效的温度在线监测。与此同时，面对这些突发性强、隐蔽性高的设备高温异常，除了在线监测外，还应配合进行灭火，以免事故范围进一步扩大。当前电力系统变电站内的各类开关柜、控制屏柜、保护屏柜等大多空间狭小，对灭火装置的要求比较高，使电气火灾的防护难度加大。而目前市场上常见的几种基于电气设备的消防系统都存在或多或少的局限性及不适用性，因此需要选择一种安全可靠、绿色环保、灭火效率高、灭火速度快、安装维护方便、喷放后对设备无二次损害的全自动气体灭火系统，对电气柜进行有效保护。
该文以变电站为例进行深入分析，设计一种无源实时测温加全氟己酮自动灭火系统的新技术，以保障电气设备的安全稳定运行。
目前，电力系统变电站中对设备的测温工作大多通过红外热像测温技术来完成。该技术是利用红外探测器来探测电气设备表面肉眼无法看到的红外线辐射状态的热信息，再将其转换成温度进行显示的技术。红外热像仪能够收集电气设备表面通过大气传播的各种红外辐射，并通过红外热像仪中的光学系统，将收集到的红外辐射能量聚集到热像仪内的红外探测器上，由探测器将其转化为电信号，经过处理后再传送至红外热像仪中[4]。由此可见，红外热像测温技术是一种非接触式的测温技术，只能感知待测设备表面的温度，而无法对设备内部的温度进行检测。
对于目前电力系统各类变电站中大量应用的封闭式开关柜、组合电器等，如需对其内部电缆头、母线排、断路器、刀闸、电流互感器、电压互感器等设备进行测温，则需打开其外部封闭结构，在设备运行过程中显然是不能实现的[5]。而对于变电站的保护、测控屏柜及端子箱内部的二次电缆和二次接线端子等设备在进行测温时，需逐一打开屏柜门进行测温，这给测温工作带来许多困难。
综上所述，当前电力系统采用的红外热像测温技术对隐蔽空间及密闭空间内的设备测温存在很大的局限性和不可实现的问题。因此，需要一种可接触式的、能够对封闭式空间的内部设备进行测温的技术，来解决现有测温技术存在的难题。
无线无源测温技术的核心是采用一种特殊设计的声表(surface acoustic wave，SAW)谐振器，当对声表谐振器输入一个特定频率的电波时，其输出信号的频率能够随环境温度的改变而改变。利用上述特点，可以通过采集声表谐振器输出的频率，得到待测设备的实时温度。
无源测温装置由温度采集器、温度传感器、温度采集器天线通讯管理机、变电站测温管理装置、温度监测分析软件及射频电缆组成。
1)温度采集器。温度采集器负责与1～3组传感器通信，最多可与18个传感器进行数据交换。采集器的发射天线发射测温微波信号到传感器，传感器接收此微波信号的同时，变更并被动反射脉冲信号，温度采集器接收并解析温度传感器返回的信号，处理成具有标准通信规约的温度信息，上传至变电站系统主站。由于受到传感器自身温度的影响，返回的脉冲信号携带传感器的温度信息，从而能够对待测设备实时进行无源测温。
2)温度传感器。温度传感器是一种能够直接安装在被测设备表面的元件，安装在母线排、抽屉式断路器、小车开关梅花触指、开关柜电缆头等部位，其能够接收探询信号，并将带有温度信息的射频信号返回到采集器中。其是基于声表面波技术的无源器件，无需电池，采用无线数据传输方式。
3)温度采集器收发天线。采集器收发天线的作用为发送和接受电磁波信号，完成温度采集器与温度传感器的信号传送。
4)变电站测温管理装置。变电站测温管理装置用于完成参数设定、采集器和传感器的数据处理、提供与自动化系统间的数据接口及温度数据的解析。每台变电站测温管理装置接入的温度采集器数量，根据该变电站内管理开关柜的数量或其他待测设备数量而定。
5)测温管理装置。测温管理装置配备彩色触摸屏、LED状态指示灯，具备短信报警功能(选配)。可查询和显示该变电站测温点的温度值，并通过查询趋势曲线来观察待测点温度随时间变化的情况；
还可设置各测温点的名称、温度预警值、高温报警值、差温报警值等功能。
6)在线温度监测分析软件。在线温度监测分析软件用于运维站主站内，通过国网公司内网与运维站管辖的各个变电所的测温管理装置进行通信，主要包括所有测点温度的实时温度显示、报警设置、报警记录、历史数据查询分析等功能。实时温度显示能够直观地显示设备实时温度；
报警设置能够根据具体情况设定不同的报警级别，例如：温差报警、超温报警，报警信息能够以短信的方式发送给变电站指定的负责人；
历史报警点的位置以及报警温度等信息都能够保存在报警记录中，系统安装后，所有被测点的温度变化可以保存在历史记录分析功能中，以便运行人员翻阅记录，及时准确地对被测设备温度进行监控。
3.1 电力系统火灾原因
目前，电力系统中变电站内的管线、光缆及电缆为主要可燃物。其中电缆主要由保护皮、绝缘层及导体三部分构成。中国电力系统中的变电站一般都采用橡胶电缆或聚氯乙烯电缆。光缆主要由光导纤维、塑料保护套及塑料皮构成。
线路过载、接触不良、接地短路和相间短路等原因都可能导致电缆着火，而电缆头对绝缘性能的要求较高，往往最先着火。电缆头在开关柜内着火时，由于开关柜是一个相对密闭的空间，火灾所产生的热量短时间内无法扩散，会造成开关柜内的温度急剧上升。开关柜内的设备处于高温的恶劣环境中，对设备的绝缘造成很大程度的威胁，极易造成更大范围的事故。与此同时，着火的电缆头产生的热烟气和热辐射也会很快影响相邻间隔，使相邻间隔内的设备同样处于恶劣的运行环境，最终引发连串的事故。
据有关资料显示，某变电站内就曾经出现过由于单个间隔电缆头着火导致5面开关柜爆炸的严重事故。由于开关柜、保护装置屏柜内的各种二次电缆接头及各类二次接线端子都处在狭小密闭的空间中，一旦过热引发火灾，将会对整个变电站乃至电网系统的安全运行带来很大程度的威胁。
3.2 常见灭火系统及存在问题
市面上用于电气设备的自动灭火系统主要为干粉灭火系统、七氟丙烷灭火系统、IG-541灭火系统。
1)干粉灭火系统。干粉灭火系统的灭火剂成本低，存储方便，平时储存在干粉灭火器或干粉灭火设备中。但干粉灭火器只能用于-23 ℃以上的环境中，否则便不能正常灭火或彻底失效。在使用干粉灭火器灭火后，现场往往一片狼籍，很难清理，经济损失较为严重；
且由于其喷出的物质形态为粉状，药剂喷射后会遮住灭火人员的视线，对现场人员的呼吸造成严重影响，从而无法进行后续灭火处理工作[6]。
2)七氟丙烷灭火系统。七氟丙烷是一种无毒的灭火剂，适合用于经常有人工作的防护区，且七氟丙烷不含固体粉尘、油渍，液态储存气态释放，喷放后现场无残留物[7]。但是在运输、安装、运行等过程中，七氟丙烷易出现压力泄漏、瓶体爆裂等情况，且瓶体本身过于笨重，危险系数高。在灭火过程中，七氟丙烷会分解少量的有害气体(氟化氢)，故其喷放时间不能超过10 s，存在一定的时间局限性。最重要的是，七氟丙烷灭火装置的安装维护手册规定：灭火装置灭火剂贮存容器、气动驱动装置的压力指示，需每月检查一次，确保装置压力不小于储存压力的90%；
每季度应对七氟丙烷灭火装置进行一次全面检查和维护，逐个对灭火剂的储存容器进行称重，确保灭火剂净重始终保持在设计储存量的90%及以上；
每年需要对防护区按照《气体灭火系统施工及验收规范》的规定进行一次模拟喷气试验。由此可见，七氟丙烷灭火系统后期检测维护成本较高，不利于大范围的使用和推广。
3)IG-541灭火系统。IG-541灭火系统属惰性气体灭火系统，其环保性能和对设备的安全性能在气体灭火系统中相对较好,适合对环保要求高的场所以及保护精密设备和珍贵财物的场合使用。由于IG-541是利用窒息作用来灭火的，其对设计浓度有非常高的要求，且系统工作压力需要维持在15～17.5 MPa；
且IG-541系统的成本是目前市面上所有消防设备中最高的，无论是储存容器、灭火剂的价格，还是释放灭火剂的管路都需要消耗大量的资金。其采用的是高压气态储存方式，储存压力很大，储瓶数量也较多，需储存面积大且环境温度保持在0～54 ℃的场所，受到的制约较为严重。尤其是目前对于该灭火系统的计算方法和设计标准还不完善，给其的大范围应用带来一定困难。
综上所述，为应对电力系统的火灾，需要一种能够瞬时灭火且环保性高、便于储存、毒性低、安装维护方便、喷放后对设备无二次损害的灭火介质[8]。
4.1 全氟己酮性能
全氟己酮是一种透明、无色、无味、绝缘的新一代环保型洁净灭火剂，其物理性能见表1。
表1 全氟己酮的物理性能
全氟己酮在常温下为液体，无论是在气态还是液态下其均具有电绝缘性。相关试验数据表明，在标准大气压下，环境温度为21 ℃，电击穿距离为2.7 mm的条件下，气态全氟己酮的击穿电压为15.6 kV，而干燥氮气的击穿电压仅为6.8 kV；
上述条件下，液态全氟己酮的击穿电压能够达到48 kV，可见其绝缘性能优势明显。
全氟己酮的汽化潜热为水的1/25，汽化速度为水的50倍，具有较高的气相压力，有助于快速地从液相变成气相，并分布到设备的被保护区域。全氟己酮主要依靠吸热来达到灭火效果，可以灭A、B、C、E类火灾。在使用时，一般将全氟己酮的体积浓度设计在4%～6%的范围内，其喷射后能够与空气形成一种比热容比空气大的混合物。在所有目前商业化的哈龙代替产品中，由于全氟己酮的比热容最大，因此其灭火浓度最小。
全氟己酮的环保性能也十分优越，其臭氧损耗潜能值(ozone depletion potential，ODP)为0，全球温室效应潜能值(global warming potential, GWP)为1，大气存活寿命为0.014年(5天)，可以长期而持久的替代哈龙、氢氟烃类化合物和全氟类化合物，起到环境保护作用。将全氟己酮严格按照《化学品毒性鉴定技术规范》(卫生部2005年)的规定进行试验，试验结果表明全氟己酮是一种低毒性的灭火介质，其无毒性反应浓度安全余量远大于哈龙等灭火介质。基于全氟己酮作为灭火介质性能优越，可在电力系统中使用全氟己酮全淹没式自动灭火保护技术，并与上述无源测温装置相结合，达到监测、报警、灭火一系列自动化流程，保障电力设备的安全运行。
4.2 全氟己酮自动灭火技术
全氟己酮自动灭火技术由烟雾探测器、汇聚网关、非贮压式全氟己酮固定灭火装置及管理平台组成。
烟雾探测器可安装于温度传感器附近，用于探测待测设备所处环境是否有烟雾产生。当烟雾探测器和温度传感器同时被触发时，汇聚网关会启动非贮压式全氟己酮固定灭火装置，并发出报警信号及启动反馈信号；
通过网关收敛，将火灾报警相关传感器信号传输到火灾报警器中，实现火灾报警联动功能。
非贮压式全氟己酮固定灭火装置是参考航天军工装备设计经验，以全氟己酮为灭火介质的小型无压力存贮气体固定灭火系统装置，专门适用于小型及特定空间的灭火保护。全氟己酮气体灭火介质以液态常压形式灌装和存贮于系统装置中，运输、安装、运行过程中始终保持“零”压力，安全无风险。其采用一体化集成增压驱动模块，高效可靠且免维护，省去了后续使用过程中维护需要的成本和时间；
且适配于各型火灾探测器和控制器，接收指令信号后可瞬时启动喷发灭火介质，灭火介质喷出后能够迅速气化，有效扑灭火情。
汇聚网关具有数据采集、分析和传输功能，通过国网公司内网将数据无线传输至管理平台，实现消防设备运行状态的远程监控。
管理运维平台可接入所属变电站的运维站管控后台电脑中，实时采集所辖变电站消防相关的报警信息和运行状态信息，实现对各站灭火系统的全方位感知、全过程控制，能够提前发现各种设备隐患，保障自动灭火系统各项设施正常运行。
无线无源测温实时技术对温度分辨率高，定位准确，测量精度高，损耗小，响应时间短，能够第一时间发现设备异常，降低设备事故发生率，有效地解决了电力系统中无法对隐蔽类设备测温、不能实时监测设备温度的难题。
全氟己酮灭火系统能够瞬时灭火，灭火浓度更低，介质绝缘性能优越，温室效应潜能值低，在大气中存活时间短，常温下呈液态，易于运输与储存，对人体危害小，值得广泛推广和应用。
两种技术的组合使用，不仅仅局限于电力系统的变电站中，还可以更广泛地应用于空间更小的配电类设备以及其他领域对狭小空间的无源测温和高效灭火有要求的设备内。既能对待测设备的温度进行实时掌控，又能在突发异常时第一时间灭火，缩小事故范围，达到双重保险的效果，有助于电力系统变电站乃至更多行业和领域的同类设备的安全稳定运行。
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