孫 偉

(國(guó)家電網(wǎng)有限公司，國(guó)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(guó)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(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的“主動(dòng)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(shí)施滅火救援困難，會(huì)對(duì)整個(gè)社會(huì)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(yùn)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(wú)法給運(yùn)行的電車和車站附近設(shè)施輸送電力，當(dāng)日有山手線、京濱東北線等9條線路全線停運(yùn)，約有23.6萬(wàn)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(guó)家能源集團(tuán)元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)生火災(zāi)事故，初步估算直接經(jīng)濟(jì)損失880萬(wàn)元。2018年4月7日，國(guó)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(shí)30分，西安南郊變電站起火爆炸，導(dǎo)致西安市多個(gè)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(dòng)停止運(yùn)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(jì)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(guó)能源電力供給網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)營(yíng)，這不僅涉及企業(yè)自身的安全和效益，更是對(duì)國(guó)家、社會(huì)和人民的最大奉獻(xiàn)。

電力電纜火災(zāi)出現(xiàn)的原因多為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(qiáng)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(gè)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(shì)迅速蔓延[3]。

目前智能電纜火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(cè)器是針對(duì)火災(zāi)發(fā)生的第二階段進(jìn)行探測(cè)報(bào)警[4]；感光類產(chǎn)品如火焰探測(cè)器、圖像型探測(cè)器可對(duì)火災(zāi)發(fā)生的第三階段進(jìn)行探測(cè)報(bào)警[5]；感溫類產(chǎn)品如感溫電纜、分布式測(cè)溫光纖、點(diǎn)式光纖光柵等由于測(cè)溫能力、空間分辨率、響應(yīng)速度、測(cè)量長(zhǎng)度等關(guān)鍵指標(biāo)限制[6]，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜火災(zāi)初期導(dǎo)體局部輕微發(fā)熱的準(zhǔn)確探測(cè)，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(yùn)營(yíng)安全智能監(jiān)測(cè)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(zhǎng)調(diào)制型光纖無(wú)源器件，其光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化；當(dāng)某一寬帶光源入射時(shí)，周期性折射率結(jié)構(gòu)將使中心波長(zhǎng)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(dá)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(zhǎng)的光柵組串，從而進(jìn)行溫度的感知與定位，但由于光源波長(zhǎng)范圍的限制(一般≤40 nm)，單一鏈路只能串接25～30個(gè)不同波長(zhǎng)的光柵傳感器，極大限制了系統(tǒng)測(cè)量長(zhǎng)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(wàn)個(gè)光柵傳感器[10]；同時(shí)利用時(shí)分波分混合復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)傳感光柵溫度信號(hào)的獨(dú)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的溫度感知，米級(jí)的空間定位以及數(shù)十公里級(jí)的監(jiān)測(cè)范圍，是實(shí)現(xiàn)電纜火災(zāi)初期導(dǎo)體局部溫升精確測(cè)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(shí)驗(yàn)

動(dòng)力電纜在發(fā)生過載、短路等電氣故障時(shí)，電纜的局部或全線會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到一定值，引燃電纜絕緣層、外護(hù)套及現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)研究，旨在評(píng)估當(dāng)前主流電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是否能對(duì)動(dòng)力電纜出現(xiàn)的過載、短路等電氣故障作出及時(shí)、準(zhǔn)確的報(bào)警響應(yīng)能力。

出科考試成績(jī)顯示實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在專業(yè)理論知識(shí)、臨床操作技能、臨床思維方面均優(yōu)于對(duì)照組，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），見表2。

本次測(cè)試電纜火災(zāi)檢驗(yàn)選擇了具有代表性的且通過國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)的光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)器(感溫光柵間距10 m)、分布式光纖線型感溫火災(zāi)探測(cè)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(cè)器進(jìn)行工程模擬試驗(yàn)。3種測(cè)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(jìn)行加熱，伴熱帶與光纜的接觸長(zhǎng)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(gè)熱電偶溫度計(jì)進(jìn)行溫度比對(duì)，如圖3所示。

圖3 電纜局部溫升響應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)

為充分驗(yàn)證線型感溫火災(zāi)探測(cè)器對(duì)動(dòng)力電纜不同類型過熱的響應(yīng)能力，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16280-2014《線型感溫火災(zāi)探測(cè)器》高、低溫運(yùn)行試驗(yàn)規(guī)定的動(dòng)作性能試驗(yàn)方法：以1 ℃/min的升溫速率和30 ℃/min的升溫速率測(cè)試探測(cè)器的差定溫，本試驗(yàn)采用兩種升溫速率驗(yàn)證探測(cè)器的動(dòng)作性能。經(jīng)測(cè)試實(shí)際兩種升溫速率分別為1～2 ℃/min(以下簡(jiǎn)稱慢速升溫速率)和28～32 ℃/min(以下簡(jiǎn)稱快速升溫速率)，如圖4、圖5所示。

圖4 4種傳感器對(duì)局部慢速溫升的響應(yīng)曲線

圖5 4種傳感器對(duì)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(duì)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(shí)溫度遲滯為0.5 ℃左右，快速升溫時(shí)溫度遲滯為3 ℃左右，這是護(hù)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?yàn)槠涔鈻砰g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(dān)著整個(gè)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(jìn)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(cè)，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約為2 000 m，如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)無(wú)人值守變電站安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的首次應(yīng)用，該系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了近3年時(shí)間，是目前國(guó)內(nèi)唯一能夠準(zhǔn)確測(cè)量電纜局部溫升的傳感系統(tǒng)，為我國(guó)其他重要變電站的電纜火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度分布曲線

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)的電纜火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)距離、快響應(yīng)、高精度的特點(diǎn)，具備了電纜火災(zāi)極早期的探測(cè)預(yù)警能力，為我國(guó)能源電力供給網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)營(yíng)提供了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段，為實(shí)現(xiàn)電纜火災(zāi) “滅早、滅小、滅初期”的消防目標(biāo)提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)本系統(tǒng)不僅可以快速地對(duì)電纜火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警，還可以通過溫度分布曲線評(píng)估電纜的負(fù)載狀態(tài)，并對(duì)可能產(chǎn)生的隱患點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和提示，通過與智慧能源大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)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(guó)電纜火災(zāi)極早期探測(cè)手段缺失的痛點(diǎn)，提高了能源電力供給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)安全管理的能力和效率，讓其能夠更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民美好生活。同時(shí)，本系統(tǒng)在石油石化、軌道交通、國(guó)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。