趙志浩，盧超波，陶洪平，沈 偉

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

變電站內(nèi)包含電力系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)運行設備，大多為易燃易爆物品，一旦發(fā)生火災，不僅對人身和設備造成極大危害，而且威脅電網(wǎng)安全[1]。當前變電站火災中常見的是變壓器火災，文獻[2]介紹了一種變壓器火災報警系統(tǒng)，有利于及早發(fā)現(xiàn)火災，但是對于另一處火災易發(fā)區(qū)域電纜溝缺乏監(jiān)測作用，電纜溝作為變電站與外界進行能量交換的重要通道，一旦發(fā)生火災將大面積延燃，造成嚴重的供電事故。文獻[3]介紹了一種利用煙霧傳感器監(jiān)測火災的方法，可以對絕大多數(shù)室內(nèi)火災進行及時有效的監(jiān)測，但是在室外條件下，監(jiān)測的準確度會受到火勢大小、自然因素的影響，無法準確、及時監(jiān)測變電站內(nèi)的設備火災。文獻[4]介紹了一種可以在電纜溝鋪設的探火導管用于自動滅火，試驗驗證了這種新型滅火裝置的有效性，彌補了變電站內(nèi)設備區(qū)域自動滅火措施的不足。

以往變電站內(nèi)消防信號傳輸系統(tǒng)多采用有線傳輸，因有線線路的鋪設需要跨多個區(qū)域的防火隔離帶，導致消防系統(tǒng)的施工周期長、難度大，在后期維護過程中一旦有線路問題就需要經(jīng)歷開挖、檢修、回填、復原的過程，維護成本和難度成為困擾施工方的一大難題。本文提出一種基于新型探火導管滅火裝置的火災監(jiān)測方法，用無線系統(tǒng)代替有線系統(tǒng)，大大縮短了施工周期，降低了施工難度，后期維護更加快捷，有效節(jié)約了成本。

2 系統(tǒng)總體設計方案

變電站滅火報警系統(tǒng)由火災監(jiān)測傳感器節(jié)點端、接收主機端、消防主機組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，滅火器與氣體壓力傳感器相連，并通過三通閥門延伸出氣管，分布在易發(fā)生火災的電纜溝，當有火災發(fā)生時，傳感器端檢測到氣壓降低，產(chǎn)生火災報警信號，通過LoRa 無線傳輸方式發(fā)送給接收主機，主機收到報警信號后產(chǎn)生報警響應，相關(guān)工作人員根據(jù)警情進行處理[5]。

圖1 系統(tǒng)控制方案

3 無線數(shù)據(jù)傳輸方案

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標準《輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設備組網(wǎng)協(xié)議》（ICS 01.040.2 9）要求，變電站內(nèi)數(shù)據(jù)通訊方案需要滿足在2.4 GHz 頻率下通訊傳輸距離遠、抗干擾性強的要求，文獻[6-7]闡述了LoRa 無線通信技術(shù)的特點，因為LoRa 擴頻調(diào)制的方式具有更強的抗干擾性能，與其他2.4 GHz 傳輸方式相比具有傳輸距離更長、抗干擾性更好的優(yōu)勢，其射頻參數(shù)與其他無線通訊方式對比如表1 所示。

表1 各類2.4 GHz 無線通訊技術(shù)的主要射頻參數(shù)對比

LoRa 通訊距離可以適合絕大多數(shù)的變電站設備部署區(qū)域，因此采用星型結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包含匯聚節(jié)點和傳感終端，與環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)相比，不需要部署中繼器，所以具有更低的硬件復雜度，終端節(jié)點設備因為故障停機時也不會影響其他端用戶間的通信，這使得整個系統(tǒng)更加安全且易于維護。

4 變電站設備火災監(jiān)測傳感方案

新型滅火裝置探火管在發(fā)生火災時會熔斷，釋放大量滅火氣體，滅火器接口處的壓強會逐漸下降，基于此提出運用氣壓傳感器監(jiān)測有無氣體釋放進而達到火災監(jiān)測的目的。目前這種方案首次應用在火災監(jiān)測領(lǐng)域，需要在氣體釋放后數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生報警信號，這與氣體傳感器的氣壓報警閾值直接相關(guān)，即當氣壓小于此閾值時觸發(fā)報警。選用閾值為0.2 MPa 的通用型氣壓傳感器，并對氣體釋放后氣壓變化情況進行分析。

滅火器罐體積V=5 L，公稱工作壓強P0=2.5 MPa，初始溫度T0=288.15 K，排氣孔直徑D=0.008 m，環(huán)境壓強Pb=101325 Pa，滅火氣體系數(shù)Rg=287.6，忽略排氣過程中的換熱。排氣過程分為兩個階段：第一階段為排氣孔處馬赫數(shù)Ma=1 的過程，此階段結(jié)束時罐內(nèi)壓強P=1.893Pb=191808.225 Pa；第二階段為罐內(nèi)壓強下降到環(huán)境壓強的過程，由于選定傳感器閾值在200000 Pa以上，且基于系統(tǒng)快速響應的要求需要在第一階段觸發(fā)報警信號，此過程中罐內(nèi)氣壓發(fā)生變化，流量微分方程[8]為：

其中m為氣體的質(zhì)量，t為滅火罐內(nèi)氣體釋放的時間，K為氣體常數(shù)，大小為0.04042，P為罐內(nèi)氣體的壓強，A為排氣孔截面積，T0為初始溫度，q（Ma）與馬赫數(shù)相關(guān)，在第一階段始終為1。

根據(jù)克拉伯龍方程：

其中ρ 為氣體密度，T為氣體溫度，得到：

將式(3)代入式(1)，得到：

整理后得：

兩邊同時積分得到：

通過Matlab 仿真，罐內(nèi)氣體壓強變化如圖2 所示。當罐內(nèi)氣壓P達到191808.225 Pa 時，經(jīng)過的時間為1.294 s，此結(jié)果證明氣壓傳感器的閾值參數(shù)滿足氣體開始釋放數(shù)秒內(nèi)觸發(fā)報警信號的設計要求。

圖2 依據(jù)流量微分方程預測的氣壓變化

5 無線火災監(jiān)測終端設計

無線傳感終端設計如圖3 所示，系統(tǒng)采用電池供電，控制單元選用中科芯集成電路有限公司設計的CKS32F030 微控制器實現(xiàn)對整個傳感系統(tǒng)的控制，通訊部分選擇Semtech 公司的SX1280，工作在2.4 GHz頻段，通訊距離可達800 m[9-10]。

圖3 無線火災監(jiān)測終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6 無線火災監(jiān)測終端測試

6.1 通訊測試

測試地點選擇市區(qū)環(huán)境、空曠環(huán)境和變電站環(huán)境，節(jié)點參數(shù)按照表1 設置，節(jié)點通訊數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)大小相同，設置為36 B，接收主機通過串口與PC 機相連，用串口工具記錄數(shù)據(jù)，同時記錄監(jiān)測點的距離，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算丟包率，測試結(jié)果如表2 所示。實驗結(jié)果表明，在市區(qū)環(huán)境下，當通訊距離小于500 m 時通訊質(zhì)量良好，距離大于等于500 m 時出現(xiàn)丟包；變電站環(huán)境與空曠環(huán)境的情況接近，當通訊距離小于750 m 時通訊質(zhì)量好，距離大于等于750 m 時出現(xiàn)丟包。

表2 無線火災監(jiān)測終端通訊測試結(jié)果

6.2 火災報警測試

模擬變電站電纜溝環(huán)境下的火災報警測試，搭建測試環(huán)境，在消防柜內(nèi)放置兩個滅火罐，傳感器一端連接氣閥，另一端連接傳感節(jié)點，傳感節(jié)點安裝圖如圖4（a）所示，將滅火氣管引出并部署在滅火箱內(nèi)，探火管安裝圖如圖4（b）所示，準備一個人造火源，將其送入滅火箱，觀察后續(xù)的實驗結(jié)果。探火管在3～5 s 內(nèi)被燒斷，釋放出滅火物質(zhì)滅火，電纜燃燒場景如圖4（c）所示，1～2 s 后，傳感器檢測到氣體壓強變化，傳遞報警信號到消防主機，報警信號如圖4（d）所示，通過50 次模擬現(xiàn)場環(huán)境測試，報警操作均在滅火氣體釋放后1～2 s觸發(fā)，報警準確及時。

圖4 火災報警試驗

7 結(jié)論

設計了基于LoRa 無線通訊的變電站滅火報警系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)無法滿足當今變電站消防設備快速高效部署要求的問題，在市區(qū)和空曠環(huán)境下的測試結(jié)果驗證了無線系統(tǒng)在多個領(lǐng)域具有廣泛的應用前景；根據(jù)實際應用環(huán)境搭建測試場景，驗證了利用氣壓監(jiān)測火災發(fā)出報警信號的可行性，氣壓傳感監(jiān)測方案在變電站重要設備區(qū)域的火災監(jiān)測應用彌補了國內(nèi)變電站火災監(jiān)測的不足，對于其他領(lǐng)域的火災監(jiān)測應用也有一定的借鑒意義。