智能变电站火灾报警系统的应用

谷克明

中油电能供电公司信息通信中心

随着电网管理标准化、集约化、智能化的发展，中油电能供电公司变电站运维管理取得了长足进步。截至目前，无人值守变电站已达近百座，占所辖变电站总数的90%以上。在无人值守变电站中均已配置了周界防范报警系统、火灾报警系统、SF6气体泄漏报警系统等安全防护系统，极大地提高了油田电网的安全管理和可靠平稳运行。其中，火灾报警系统能及时监测变电设备过热等异常情况，避免可能造成的火灾及其运行设备损坏，防止电力系统出现故障而导致油田设备大面积停止运行造成的损失。因此，火灾报警系统在无人值守变电站的主变压器、高压室等地点实时安全防火监测，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用。

1 火灾报警控制器（联动型）

1.1 基本功能

（1）火灾报警控制器能显示并记忆火灾报警信号发生的时间，并及时地自动打印出火灾报警数据。故障报警信号与火灾报警信号一样，可以参与联动逻辑编程。火灾报警信号、故障报警信号、联动模块接收到的反馈信号均可作为联动逻辑编程的探测点。火灾报警信号在火灾报警时亮“火警”总灯，而故障报警信号在监管报警时亮“故障”报警，同时上传到集控中心。控制器能自动保存以下记录数据：运行记录、火警记录、联动记录、监管记录、故障记录、系统更改记录等历史记录数据，这些历史记录数据不会因为断电而丢失。

（2）通过编写IP地址，把每个监控点编号、发生火警部位信息传送到有关的管理部门。控制器具有系统自检功能：对面板上所有的功能指示灯、LCD液晶显示屏、音响系统以及打印机进行自检。

（3）火灾报警控制器（联动型）可显示的相关故障信息为：控制器与探测器、输入模块、手动报警按钮、各种火灾显示盘、联动模块间的断线故障；检测到总线短路故障和外控24 V短路或无输出故障，并在面板上都有显示；各种终端设备的通信错误设置和通信故障（例如，灭火柜等设备的通信故障等）；主、备电出现欠压故障；对各模块、感温电缆、烟感、红外光束感应器、风机控制等终端设备的故障。

1.2 工作原理

火灾报警控制器使用微功耗MCU处理器，能自行处理模拟量传感器的数据转换并进行数据分析。控制器应用运算法对模拟量探测器的本底进行自动补偿，用软件方式对模拟量进行调节，从而使模拟量探测器能够适应使用环境对其灵敏度的要求。控制器的外部终端设备与控制器主机的联络如图1所示。

图1 火灾报警设备主机与外部终端设备联络图Fig.1 Connection Diagram of the host machine and external terminals in the fire alarm device

改变管理模式达到提高变电所工作效率的目的。为此，对辖区内变电所进行无人值守改造设计，变电所实现无人值守是当前电网调度管理发展的方向。杏北油田拟通过运用先进技术及完善综合自动化变电所的远动、规约通信管理机制，完善综合变电所的火灾报警系统，以及完善杏北油田变电所至电力集团的专用网络等技术措施，实现电力调度系统主站的建设；同时，通过加强电力调度主站系统的软件、硬件、操作队终端建设，搭建好无人值守变电所的主体构架。经过此次改造，可实现变电所的无人值守，降低人员成本，强化用电管理机制，保证电网的平稳运行[1]。火灾报警系统容量大，单机最大容量为18 144点，可满足建筑面积在50×104m2左右的空间，适用于油田一次变电站、集控站、操作队为一体站的地点，油田各采油厂二次变电站和联合站及矿站临近位置的地点，并且还可显示智能型模拟量探测器的运行数据和变化曲线，使用户更好地了解火灾报警系统的运行状态。控制器供电系统不但能为火灾报警控制器主机供电，同时也为与其连接的其他部件如烟感探测器、输入模块、手动报警按钮、火灾显示盘、控制模块和多线模块等供电。系统供电电源还具有不间断供电功能：当主电断电时，能自动切换到备用电池供电；当主电恢复时，又能自动切换到主电上来，并把主、备电的工作状态在面板上显示。

控制器的报警信号分为两大部分：“火灾报警”和“故障报警”。其中，火灾探测器、消火栓按钮和手动按钮的报警信号称为“火警”信号；而设备或线路故障造成的报警信号为“故障报警”信号。控制器还能直接或间接地接受来自火灾探测器和其他火灾触发器的火灾报警信号。当电力设备或主变压器设备、信号控制电缆出现过热现象，或现场出现烟雾时，火灾报警控制器可向监控中心发送火灾报警信号，集控站值班员收到信号后，通知相关人员及时赶到事故现场。而当火灾报警设备本身出现故障时，控制器发送“故障报警”把系统故障信息及时上传到监控中心，集控站值班人员了解火灾报警设备已经出现故障的情况后，及时指派相关维护人员进行设备维修。

1.3 功能改进

（1）高压室风机自动控制。变电站高压室高压隔离开关内含有SF6气体，为了防止其外泄浓度超标，平时高压室电风扇处于排风状态。当有火灾发生时，室内要封闭状态风扇必须停止运行，以免加剧火势蔓延。针对变电站高压室这种特殊要求，火灾报警控制器通过HJ-1825模块常开接点带动继电器启动来控制空开脱扣器将风扇电源断掉，实现高压室风机自动控制。

（2）变电站主变压器及电缆温度的监测。利用感温电缆对主变及电缆夹层的温度进行监测。当温度超过标准温度时，HJ-LDZ-1模块启动，把信息传送到火灾报警控制器。控制器发出火灾报警信号，并在显示器上显示报警的相关监测点。

（3）利用烟感探测器实现全方位实时火灾监控及故障报警。变电站主控室、电缆竖井、电缆夹层、电缆架、电容室、电抗室、所用变电设备室及通信设备室安装烟感探测器，都连接到JB-3208智能型模拟量火灾报警控制器，并按照序号给每个烟感探测器编程。其中任意电力设备发生火灾时，烟感探测器启动，火灾报警控制器报警，并显示报警烟感序号，实现全方位实时火灾监控及故障报警。

（4）利用手动报警装置向集控中心联动报火警。在变电站各楼层的楼道门口安装手动报警装置并连接到火灾报警控制器，实现火警人工报警及对设备报警功能监测，并且把声光报警器也安装在门口明显位置。

（5）利用隔离模块防止短路及接地产生的大电流烧毁主机设备。利用隔离模块将主机设备与终端设备有效地隔离。当外围设备受到接地及强电短路时，隔离模块与主板输出保险电阻配合启动，使火灾报警控制器不会受到波及，能及时准确地传送火灾报警信号和设备故障信号。变电站在遭到雷击时瞬间产生的感应高压也能得以保护，虽然几个火灾报警的外部终端设备烧毁，但是火灾报警控制器并没有受到影响，准确地将火灾报警信号和设备故障信号上传到集控中心。

2 系统安装调试及安装标准流程

根据常见建筑火灾的成因，建筑火灾的防范措施大致有两类：一类属“积极”防火对策，另一类属“消极”防火对策。所谓“积极”防火对策，即在建筑设计过程中最大限度地破坏火灾的构成条件，设法防止火灾事故的发生，尽可能做到不失火。以“积极”防火对策进行防火，可以减少火灾发生次数，但却不能排除发生重特大火灾的可能性。所谓“消极”防火对策，即利用耐火构件划分防火分区，并在防火分区内设置先进的火灾报警系统及灭火设备。一旦建筑物起火，可以有效地控制火灾的蔓延，把火灾控制在起火的防火区域内，确保相邻防火区域的安全[2]。在安装调试过程与初装设备进行对比，重新制定了安装工艺和技术安装流程，具体体现在以下几个方面：改变上传模块的安装位置，RTU远程终端机及远动设备内加装屏蔽线；高压室风机控制模块加装继电器控制220 V空开脱扣器；主变压器感温终端模块改到电缆沟上面；主控制设备与外部设备间加隔离模块；缩短不合理的铺设信号线，减少过多的接头；安装铁套管和蛇皮管必须打磨处理；对24 V电源线的联线接头必须采用挂锡处理；对信号线接头采用绕线六圈半压紧防水高压胶布处理方法；调低室外电抗室烟感探头灵敏度。

3 火灾报警系统存在的问题及故障

（1）信号线重叠容易引发故障或误报警。由于早期建设的变电所没有考虑火灾报警系统及监控摄像头系统，导致火灾报警系统的终端设备在安装时与监控摄像头的信号线发生布线重叠现象，信号线容易产生串扰，只能将火灾报警信号线绕行。信号线加长后容易引发故障或误报警。

（2）因建筑环境不同，安装调试的设备参数不适应而引发的报警。35 kV高压室和6 kV高压室的建筑结构不同，设备的安装位置也不同。如果安装红外探测器时没有注意到周围环境的参数，灵敏度都按一个标准调试，将引发报警。

（3）红外光束烟感探测器安装的位置不当而引发的误报警。红外对射易受环境和天气变化影响产生误报警，长期使用后其发出的红外线会逐渐衰减，也容易引起误报警[3]。不同等级的高压设备室，火灾报警系统的红外光束烟感探测器安装的位置不同，其调试的灵敏度也有所不同。由于安装位置及设备调试不当，在运行中就会出现误报火警的现象，为此红外光束烟感探测器安装的位置将直接决定了红外光束感应探测器工作的稳定性。目前无人值守变电站的高压室火灾报警系统85%都采用了线性红外光束感应探测器，其基本原理如图2所示。

图2 红外光束感应探测器示意图Fig.2 Schematic diagram of infrared beam inductive probe

由图2可知，线性红外光束感应探测器由光发射器和光接收器组成，光发射器和光接收器之间的距离为5～80 m。当火灾发生时，由于烟雾的原因减少光接收器的接收光量，接收器中的硅光电池发射器发出的红外光也随之改变，并将其转化为电信号，该信号被放大及A/D转换后发送给微处理器。与预先存储在微处理器中探测器的原始数据信号进行比较，判断信号正常后使其绿色灯闪亮，工作正常。当接受的光量变少时，实际数据和原始数据相比较变化较大，探测器发出火警信号。由于许多老旧的变电站高压室高度有限，设备连接母联在开关柜与房顶棚之间高度不足2 m。在安装感应器时，只能在母联与房顶之间选择高度，选择不合适的高度就会造成光量的阻拦，给安装工作带来难度。在安装红外光束烟感探测器时，起初安装的设备连接母联在开关柜与房顶棚的中间位置，后来出现误报火警的现象。认真排查故障原因后，发现由于红外线光束离母联较近，母联的温度随负荷变化，从而影响光束的传播出现误报警现象，将感应器提高高度后问题得到解决。这一情况说明感应器的安装位置非常重要。

（4）探测器安装环境参数的变化引发故障及误报警。例如，在变电站的高压室内都安装了探照灯，检修时安装在接收器对面的探照灯一旦打开，就会造成接收器中的光量变化，导致火灾报警系统出现误报警。在停电检修时对高压室内墙皮进行处理，接收器光量接受口受到阻拦；检修人员搬动梯子等大型物件时也可能阻拦接收器光量，使其发生误报火警。

（5）光接收器的灵敏度过高而引发误报警。设备说明书要求，一般情况下光接收器的灵敏度应设定为1.5 dB（光量指示灯共6个，第3个亮时为1.5 dB）。如果光量过弱则探测器无法接受，如果光量过强灵敏度过高，则极易引发误报火警。从红外线感应器工作原理来看，灵敏度设定越高，探测器接收的光量超过设定值的细微变化，系统就会发出火警信号（红灯亮）；因此，应根据探测器的工作环境来设定不同的灵敏度。由于电抗室的通风口设计都很大，造成室内灰尘非常大，容易造成探测器的误报警；因此在控制器主机调试时，电抗室内的感应设备灵敏度应该调低。

（6）安装设备的松动也会造成感应器不能正常工作。由于个别变电站的墙体有粉碎松动现象，大部分感应器都安装在高压室封闭门上方，来回开关门的冲击力使安装设备的固定孔钉松动造成设备的移动，此时发射器的光路改变角度，接收器也无法接受到正常的光量，使其发生设备故障报警（黄灯亮）。处理此故障必须将设备重新固定后再重新调整其灵敏度（在红外线设备上调整灵敏度）。

（7）稳定电源是实现站场数字化建设目标的重要保障。各站场配电需求不同，不能采取统一的配电方式，必须对配电方式进行适应性分析。针对前端站场不同的配电需求采用不同的供配电方式，辅以配套的管理制度[4]。火灾报警系统内部采用12 V电池组备用电源，当供电设备停电超过其供电时间后电池组容易毁坏。

4 火灾报警系统的故障处理

（1）针对改造初期设备安装中存在的设计缺陷，如没有考虑到风机负荷的问题，直接用模块接点启动风机电源，风机运行时间过长、模块接点过热烧毁了模块。利用模块的常开接点控制继电器启动，再利用继电器接点控制脱扣开关驱动空开启动风机（特别是三相风机上用途明显），从而避免了模块烧毁现象的发生，同时也为以后安装火灾报警设备提供了安装标准。

（2）初期变电站在安装上传信号线时，采用的信号线为非屏蔽线，经常出现干扰信号的串扰，经过分析应当是上传信号线过长及非屏蔽线而引起的干扰，采用将上传模块(控制器设备内)移到RTU远程控制系统及远动设备下端并重新铺设屏蔽线的方法来消除干扰信号。

（3）变电站主变压器感温线经常出现误报警情况。现场查找其感温终端模块发现，此模块安装的位置在电缆沟底部，由于潮湿和积水模块浸泡时间过长使其参数发生改变，改变感温终端模块的位置后，感温线的工作参数恢复正常。

（4）针对线性红外光束感应探测器经常出现误报警的故障，把线性红外光束感应探测器进行了改造，部分变电站改换成带有调整光速的设备，提高了设备的稳定度，减少了设备误报率，但效果不明显，有待从根本上解决故障。

（5）针对烟感探头的不合理布置，严格按照消防规程覆盖面积进行改造。在没有超过规程的范围内进行偏重设备上部的设备安装，对烟感的点位分配上也做了合理的编排，利用更换地址码来处理故障。对手动报警和声光报警设备的位置也做了人性化改造，方便了操作者的进程，也提高了设备使用率。

5 结束语

火灾报警系统在保障企事业单位及居民的生命财产安全方面具有十分重要的作用。随着经济的发展，火灾报警系统正朝着高灵敏度、高可靠性、网络化、智能化的方向发展[5-6]。通过对火灾报警系统的深入了解，在今后油田采油厂的二次变电站改造过程中，逐步改善设备的各个功能，并制定新的火灾报警设备安装流程，在容易出现故障的薄弱环节采用新的安装工艺。未来设想是，利用控制器内部通信口把SF6报警系统、周界防范报警、雷电监测报警系统与火灾报警系统有机地结合起来上传到集控中心，真正形成变电站智能化全覆盖报警，在设备运行率方面将得到很大的提高，在油田电网安全平稳运行中充分发挥其应有的作用。