抽水蓄能電站典型場景超前期火災監測方法研究

魏 剛，王吉康，王貴林，羅 濤，高俊波

（1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.國網新源控股有限公司，北京 100761）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，環境和安全備受重視，能源的清潔低碳安全高效利用成為加快推動綠色低碳發展的重要內容。抽水蓄能發電不僅能提供清潔能源，同時，也是電網進行削峰填谷、事故備用的重要方式。抽水蓄能電站借助地形優勢，進行能量轉化，其核心電力設備多處于地下洞體中，相對封閉的運行環境對大負荷、持續運行的電力設備安全提出更高要求。在電站安全管理中，防火安全尤為重要，而電力設備火災具有隱蔽性、突發性特點，且設備處于地下廠房，空間封閉、環境特殊，火災一旦發生，難以救援，損失和影響大，因此，提前預防火災是關鍵。目前，抽水蓄能電站常規火災監測方法主要采用傳統感煙、感溫方式，當其發生報警時，現場火災一般已發展到煙霧濃，火勢強的規模，報警相對滯后。因此，針對電站設備的火災特點進行分析，采用“熱解離子”探測技術，研究抽水蓄能電站超前期火災安全監測方法，識別超前期火災風險，有利于提前發現火災征兆，最大限度地降低或避免火災損失和影響。

1 抽水蓄能電站火災分析

抽水蓄能電站包括上水庫、下水庫、水道系統、發電系統、開關站及出線場等，作為核心部分的發電系統位于地下廠房內，如發電機組、主變壓器、動力線纜、控制箱、控制柜等設備高度集中，是電力火災的高隱患區。而電站的地下廠房由于其構造特點，不僅空間局限，低溫潮濕，而且環境相對封閉，空氣僅能通過與地面連接的通道進出，通風環境較差。其火災特點表現為：1）隱蔽性強，作為承載高電壓、大負荷運行的電站廠房處于地下，有些區域人員不易到達，又存在監控盲區，火災發生后難以發現，早期火災風險更難察覺；2）煙霧濃度大，地下廠房僅通過有限的通道與外界連通，內部空氣流通相對較慢，火災的陰燃時間稍長，早期火災所產生的微小煙霧顆粒不易擴散，在局部空間內濃度快速升高；3）撲救困難，地下廠房火災一旦發展起來，內部不僅溫度高、煙霧濃，人員不易進入，而且缺氧嚴重，高濃度的有毒氣體容易造成人員傷亡，救援難度大；4）損失嚴重，一方面火災發生后人員疏散困難，逃生方向與煙氣擴散方向一致，增加了逃生難度，另一方面救援人員和救援車輛不易進入，增加了救援難度，容易延誤救援時機，設備燒毀概率高，損失嚴重。正是由于抽水蓄能電站火災具有以上特征，因此加強火災超前期監測預警至關重要，而且預警越早，越有利于火險處置，將火災消滅于萌芽狀態，真正達到防火目的。

超前期（又稱極早期）火災風險是設備出現火災征兆，尚未起火燃燒的階段，如頻繁的電弧、打火、異常發熱、陰燃等，這些現象在電力設備中大量存在。電站內的主變壓器、高低壓開關柜、輸電電纜等，承載著高電壓、大電流的沖擊，超前期火災風險高。

主變壓器室火災風險包括變壓器本身故障或異常發熱導致的風險，以及配套電纜、控制柜火災風險。主變壓器在運行時產生大量熱能，通過向外散發熱量維持溫度平衡，變壓器運行時的繞組、鐵芯都會發出大量的熱，使溫度升高，加速了絕緣層老化，易發生短路［1］。當主變壓器出現設備故障、絕緣損壞、嚴重過載時，則容易導致溫度升高、短路，引起火災，甚至爆炸［2-3］。主變壓器配套電纜、控制柜火險多是由于長時間運行出現設備老化、電阻增大，導致異常發熱、電弧、電火花等。電纜廊道內電纜類型雜、數量多，其火災發生主要原因有接頭制作不良、接觸電阻過大或長期超負荷運行、受潮、受熱等，破壞絕緣層引起火災［4］。實際生產中，當存在過負荷、短路、絕緣老化、接觸電阻過大及外部熱源作用時，電纜很容易因過熱而引起絕緣層熱分解，甚至起火燃燒［5-7］。電纜火災存在初期不易察覺，起火后煙量大、難以撲救、影響面廣等特點［8］。電纜著火后，火勢會順著電纜呈線形燃燒，像點燃的蚊香，煙大火小速度慢［9］。當局部電纜著火燃燒達到高溫時會發生熔融，超過臨近電纜著火溫度時，就會導致電纜群體延燃［10］。同時電纜溝道內的電纜由于在地下，當電纜發生故障而引起火災時，更難被工作人員發現，使得電纜火災事故一旦發生將會造成嚴重的后果［11］。根據GB/T 50872—2014《水電工程設計防火規范》火災危險性類別規定，油浸式變壓器室屬于丙類，是火災危險性較高的場所。電纜廊道和豎井屬于丁類，是火災危險性中等場所。另外，高低壓開關柜內隔離刀閘、斷路器、繼電器、電容器在分合流情況下，容易產生靜電火花或接觸電阻過高而引起設備燃燒。同時，當控制柜內導體接觸不良時，接觸電阻變大，會產生過熱現象，甚至導致接頭材料熔化、滴落，破壞內部絕緣，引起事故［12］，而柜體封閉，柜內初起火災不易被發現。

電站火災的發生往往由電力設備過熱而引起，當物體過熱而達到耐熱極限時便會釋放出極微小的熱解離子，這種熱解離子直徑非常小，最小約至0.002 μm，人眼無法識別。隨著熱解離子的持續產生，空氣中的離子濃度迅速升高，火災危險性增大。

2 抽水蓄能電站常規防火措施

抽水蓄能電站火災自動報警系統設計采用集中控制，在洞外中控室設消防中心［13］，常規消防設施包括火災報警系統（感煙、感溫探測器、手動報警按鈕、警報裝置、感溫電纜等）、消防控制系統、吸氣式感煙系統、火焰探測器、消防供水系統、水噴霧滅火系統、消火栓系統、氣體滅火系統、排煙系統、防火封堵［14］，以及滅火裝置、防雷、防靜電設施等。

電站消防設計遵循“以防為主、防消結合”的設計原則，對地下廠房會采用一防、二斷、三滅、四排的消防方針［15］，通過火災報警系統進行現場火災識別，并聯動滅火措施，實現火災救援目的。火災報警系統的探測器按其探測范圍可分為點型火災探測器和線性火災探測器，抽水蓄能電站以點型感煙火災探測器為主［16］，常規點型感煙探測器采用光遮蔽、光散射原理，報警依賴對一定濃度煙霧的識別，而火災超前期所釋放的不可見熱解離子直徑非常小，無法形成光遮蔽、光散射效果，因而無法被常規感煙探測器有效識別。另外常規滅火措施是作為火災發生后的救援手段，而此時，火災損失和影響已不可避免。

主變壓器室的常規消防措施有點型電子定溫探測器、線型纜式感溫探測器、光電感煙探測器、火焰探測器、水噴霧系統，部分還設置了吸氣式煙感探測器等［17］。吸氣式煙感探測器能夠識別一定濃度的煙霧（顆粒直徑0.1 μm），其工作原理類似于常規煙感探測器，是通過分析空氣中煙霧對光線的遮擋和散射來發現火險，但其對不可見的熱解離子難以有效識別。基于模式識別技術的圖像型火焰探測器，以識別火焰發生時表現出的顏色、亮度、閃爍、邊緣變化等視覺特征為目標［18］，主要是在火焰燃燒階段發揮作用，其報警時火苗已經產生。水噴霧滅火系統是利用水霧噴頭將水滴霧化進行滅火或防護冷卻的一種滅火系統［19］，它利用水基滅火劑進行快速降溫，水霧噴出后，可以在燃燒物體表面產生冷卻、蒸汽窒息、乳化作用［20］，通過降溫，隔離氧氣，達到滅火目的。電纜防火措施主要包含測溫光纖、感煙探測器、滅火球等。其中測溫光纖采用測點接觸測溫，將測溫光纖纏繞在電纜上，形成接觸點/面后進行溫度測量，接觸不到的地方無法有效探測。實際應用中，受成本及形式限制，無法大范圍布設，且使用中光纖或模塊一旦出現中間斷裂、損壞，將會影響測溫效果和數據傳輸，增加了維護難度。

抽水蓄能電站常規消防措施對起火燃燒階段的火災報警和救援作用明顯，但對電力設備的超前期火災監測尚顯不足，為了加強抽蓄電站超前期火災預防，有必要研究新的有效的技術手段。

3 抽蓄電站典型場景超前期火災監測方法研究

3.1 熱解離子探測技術應用

電站設備過度受熱達到耐熱極限時則會因化學變化而分解釋放出不可見的熱解離子。另外，在電力設備的接觸點位置，當分斷電流或出現異常時，會產生瞬間電弧，使周圍的空氣被電離，形成大量熱解離子，導致空氣中熱解離子濃度遠超正常范圍，常規感煙探測器難以有效識別，而采用“熱解離子探測技術”便可精確感知。它首先利用水凝結特性，將不可見的熱解離子經“云霧室處理”，通過增濕、加壓、再降壓的過程，使空氣內原本不可見且直徑大小不一的熱解離子經處理后，形成可用于分析且直徑統一的大直徑霧狀水滴（直徑約為20 μm），再經過“散射室”，以一定波長的激光進行照射，透過大量霧狀水滴所形成的遮光面和透光率分析，便可精確測算出空氣中熱解離子的濃度，并有效過濾灰塵干擾，避免誤報。

云霧室的原理基于“理想氣體狀態方程”

式中：p為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為物質的量，mol；T為絕對溫度，K；R為摩爾氣體常數，J/（mol·K）。

由式（1）可以看出，處于固定空間（云霧室）內的空氣，其質量、體積、摩爾常數固定不變，其壓強和溫度存在著一定的變化影響關系。當壓強增大時，溫度也會升高，壓強降低時，溫度也會下降。

其關系式可描述為

式中：p1為溫度T1對應壓強；p2為溫度T2對應壓強。

由此，在云霧室空間內，通過對氣體增壓、增濕，隨著壓強增大，內部溫度升高，達到一定程度時，水產生氣化，而隨著壓強驟降，溫度也降低，水蒸氣便被霧化，水霧將空氣中的熱解離子、灰塵粒子包裹在一個個小水滴中心，形成可用于光學分析的大小統一的霧狀水滴，直徑約20 μm，為后續光學分析創造了條件。過程如圖1所示。

圖1 云霧室處理過程

通過抽水蓄能電站實際環境下測試，熱解離子探測對電弧、低濃度煙霧、可見煙霧的識別都非常有效，同時，熱解離子探測采用主動吸氣方式，利用抽氣泵持續抽取監測區空氣樣品進行分析，與常規火災探測方式相比，其探測結果和響應時間不易受環境氣流影響，速度快、精度高，更適合于抽水蓄能電站設備的超前期火災風險識別。

3.2 電站超前期火災監測方法

從熱解離子的產生過程分析，要實現超前期火災風險監測預警，需要經過幾個步驟：高效的空氣采樣、準確的火險識別以及合理的火災預警機制。

1）高效空氣采樣。電力設備出現超前期火災風險往往基于某個點、某個設備或某條線路，要進行超前火災監測則需要及時采集到現場的空氣樣品，作為火災分析的原始基礎。通過對現場空間結構、環境特點分析，設計采樣管網的敷設路徑及空間布局，采用大弧度拐彎形式保證氣流通暢，控制分支數量保證氣流效果，以管網吸氣方式，將采樣管直接布設到易發生火險的區域，使火災探測由被動感煙變為主動吸氣，極大提高了空氣采集效率，加快了數據分析速度。

2）熱解離子探測識別。在火災信息識別時，采用“云霧室”和“光學分析”技術，精確識別空氣中直徑小至0.002 μm 的微粒，常規感煙探測器光靈敏度多為3%～5%obs/m，僅能識別直徑約0.1 μm的煙霧顆粒，熱解離子探測技術較常規感煙探測精度提高了50 倍，具有更寬的探測范圍，并結合主動吸氣采樣，使火險識別精度和效率都得以大幅提高。

3）數據及影響因素分析、預警發布。抽水蓄能電站地下廠房空間結構形態、容積、封閉程度相對固定，廠房內的溫度、濕度變化范圍較小，通風條件依賴有限的進出通道。針對這些相對固定的影響因素，在熱解離子監測時一方面通過設計并布置合理的空氣采樣管網，提高采樣效率。另一方面采用環境基礎分析方法，測定現場固有環境下熱解離子的背景值，10 min/次。

在前端設備實時探測中，監測數據以30 s/次的頻率進行采集和存儲，即保證了數據連續，又避免了數據冗余。在數據分析時主要針對監測曲線圖特征，將每10 min作為一個分析單元，以背景值作參照，對數據變化趨勢、變化范圍、維持時間進行分析。在數據曲線圖中持續升高的曲線意味著熱解離子的不斷產生和增加，火災風險在不斷加大。曲線圖中高點的持續數據代表了熱解離子的產生與擴散相對平衡，現場環境暫時穩定。持續降低的曲線代表熱解離子的減少或擴散加快，火災風險在降低。起伏頻繁交替的曲線代表了熱解離子的不斷變化，表明現場環境的不穩定性，火災風險依然存在，見圖2。

圖2 主變洞火災數據曲線（擬合值）

火災風險的人為影響因素主要是現場施工、日常管理，這些情況下可能會產生較大的監測數據變化，甚至形成預警，但一般不作為正常預警信息，需要結合施工、管理計劃進行過濾。而由于人為因素導致現場發生火災時，監測數據會明顯升高，遠超最高閾值，且維持時間較長，此時，要發布火災預警信息。

在對背景值、監測數據、曲線圖特征分析基礎上，確定四級預警標準：預警、火警1、火警2、火警3，其中前三級閾值作為火災征兆的鑒別條件，不進行預警發布，而四級閾值被作為火災預警信息發布的一個必要條件，另外通過曲線分析，設定合理的四級預警延遲，并過濾掉人工干擾因素，形成火災風險的基本預警機制，當現場監測滿足以上條件時，輸出預警信息。同時，由于現場環境的復雜性、火災的不確定性，火災預警機制需要在持續監測應用中加以優化完善。

3.3 抽水蓄能電站典型場景火災監測分析

通過在抽水蓄能電站場所內的熱解離子探測應用，形成對電站主變壓器室、主變洞、電纜溝、開關柜、電纜層、電纜廊道等場景的火險監測，采集了現場火險數據，并從數據的變化及監測預警應用中，分析了熱解離子監測應用效果。以主變壓器室、電纜廊道典型應用場景為例進行分析。

1）主變壓器室監測數據如表1 所示。對應的主變壓器室數據曲線如圖3所示。

圖3 主變壓器室火災數據曲線（擬合值）

表1 主變壓器室火災監測數據 單位：103/cm3

通過對主變壓器室一段時間熱解離子監測數據的變化分析，數據起伏變化比較大，大部分時間內數據在四級預警閾值（火警3）以下，根據設置的預警規則，數據達到四級預警閾值，并持續30 s 以上時發出預警，此階段內出現了一次預警。但根據實際情況，預警是因為現場施工導致。因此，此種情況下雖然發生了預警，但屬于人為因素誘發，要進行數據標定和過濾。通過應用，驗證了熱解離子探測技術的適用性、準確性，監測數據真實客觀反映了現場離子的變化，對抽水蓄能電站超前期火災監測是可行的、有效的。

2）電纜廊道監測數據如表2所示。對應的電纜廊道數據曲線如圖4所示。

圖4 電纜廊道火災數據曲線（擬合值）

表2 電纜廊道火災監測數據 單位：103/cm3

通過對電纜廊道一段時間熱解離子監測數據的變化分析，數據起伏變化不大，所有數據在一級預警閾值（預警）以下，達不到四級閾值，無預警信息輸出，監測數據客觀驗證了現場的火災安全狀況。

4 結語

針對抽水蓄能電站典型場所的火災安全管理，從電站的火災特征、常規防火措施、熱解離子探測技術及監測預警方法等方面進行分析，研究電站超前期火災識別的技術原理、監測適用性以及監測預警基本方法，并以實際監測數據來分析監測預警效果，突出對抽水蓄能電站現場環境監測的適用性、重要性及熱解離子探測技術的獨有特點，進而形成適用于抽水蓄能電站典型場景下的超前期火災識別、火災監測預警技術方法，為抽水蓄能電站防火管理提供一種創新性技術手段，以促進抽水蓄能電站安全管理水平的提高。