核电厂电气火灾融合监测系统开发与应用

[摘  要] 电气火灾在核电厂火灾中占比最高，是核电厂面临的最现实的威胁之一，核电厂电气设备种类、数量繁多，缺少有效的电气火灾预防措施。为减少核电厂电气火灾的发生，研究适用于核电厂的电气火灾监控系统，提出符合核电厂电气防火需要的新模式，弥补该领域空白。

[关键字]核电厂；电气火灾；多元信息融合；在线监测

[abstract] Electrical fire accounts for the highest proportion in nuclear power plant fire, which is one of the most realistic threats facing nuclear power plant. There are many kinds and quantities of electrical equipment in nuclear power plant, and there is a lack of effective prevention measures for electric fire. In order to reduce the occurrence of electrical fire in nuclear power plants, the electrical fire monitoring system suitable for nuclear power plants is studied, and a new mode is proposed to meet the needs of electrical fire prevention in nuclear power plants, which makes up for the gaps in this field.

[Keyword] Nuclear Power Plant; Electrical Fire; Multivariate Information Fusion; Online Monitoring

1引言

核电厂发生火灾的频率较高，且电气火灾所占比重大。据EPRI统计数据显示，1991—2008年间，核电厂火灾发生的频率为0.24次/(堆年)，法国508.2堆年的统计数据表明，核电厂发生火灾的频率为0.28次/(堆年)，远高于核电厂重大核事故发生的频率；此外，EPRI在NUREG6850中收录的1407起火灾事件中，核电厂电气火灾所占比重约30%。

国家标准GB 50116《火灾自动报警系统设计规范》，对电气火灾监控系统工程设计要求做出了说明，随着有关预防电气火灾的国家标准的推广，使用电气防火设备已经成为一种大趋势。GB/T22158-2008《核电厂防火设计规范》中提到了防火的措施和方法等内容，实际上核电厂更需要防止电气火灾的发生，而不仅是明火。

2 发生电气火灾的原因

据中国消防年鉴统计，2016年全国共接报火灾31.2万起，亡1582人，直接财产损失37.2亿元，其中电气火灾起数、伤亡人数及经济损失均占全国火灾总量的30%以上，重特大电气火灾起数占重特大火灾总数70%，高居各种火灾原因的首位，在电气火灾中，电气短路故障和故障电弧引起的火灾事故又占到一半以上。据统计资料显示，在核电厂发生的电气火灾中，按发生电气火灾的频率排列是电线电缆、发电机、高压变压器、高低压断电器、低压配电盘柜和柴油发电机等设备。

2.1 导线短路和故障电弧是引发火灾的重要原因

在TN-C-S系统中，造成电气系统短路的原因一般有两种：第一种是因为导线绝缘老化破损导致直接短路；第二种是导线因接地而短路，从而形成剩余电流。电弧性短路主要因为导线的外皮老化或破损，造成相线与接线盒、金属套管等之间的短路，同时由于金属线管或接线盒与大地之间的接触不良，接地电阻值较大，从而形成电弧。短路电流值一般只有几十或几百毫安，不能促使短路保护器动作，因此电弧可能长时间的存在。试验表明，220V交流电压在距接地金属0.1-0.2mm的距离时在空气中可以断续拉弧，电弧引起的局部温度可高3000-4000 ℃，容易引燃附近的可燃物而引起火灾。

金属性短路电流电阻较高，最高可达几千安培，过大电流通过金属导线时由于高温可将导线半熔化，导致绝缘氧化形成自燃，金属性短路由于电流较大能使断路器的过电流保护瞬间动作，实现断电。电弧性短路是由于相线外皮绝缘破损或老化，造成相线与大地同电位的金属保护线管或金属接线盒短路，这时金属线管或接线盒与大地之间往往接触的不牢靠，是一种接触不良的状态，接触电阻较大，容易形成电弧。电弧性短路则因受较大接触阻抗的影响，短路电流值只有几十或几百mA，因为其电流值小，不能使短路保护器动作，因此电弧可能会长时间存在。

2.2 接地故障的危险性

   经分析电气短路引发的火灾，发现接地故障电弧引发的火灾，比带电导体间金属性短路引起的火灾多。主要因为电弧性接地故障发生的概率较大。

    由图1举例说明，a表示相线、b表示中性线、c代表PE线的连接端子、d为PE线与N线交接处。电源进线为a、b点，此时，如果a、b点未连接或接触不良，设备将无法工作或不能正常工作，工作人员将会及时查找问题并进行修复，从而避免事故发生。但是如果PE线的c、d端不导电或接触不良时，设备仍然能够正常工作而不被发现，c、d端的接触不良现象将成为造成电气火灾隐患的事故点并长期存在。如果图1所示a相线（火线）因接触设备外壳引发接地故障，因端子c或d接触不良，都可能使设备外壳带电，而导致电击事故。由于接触不良，在端子处可能会发生电火花或电弧，从而引发火灾。

图1 PE线连接点导电不良不影响工作

如果TN-C-S系统的接地故障回路全部为金属导体，在失去接地保护时，不会影响电气设备的正常运行，一般不被发现，但是如果发生相线接地电弧故障，将产生较大阻抗限制短路电流，导致断路器无法动作，从而形成电气火灾隐患。在TT系统中，由于接地故障回路内同时设有电源与设备外壳的接地保护，其本身的阻抗均较大，很易发生电弧性短路。综上可知，因电弧形式出现的连续打火，可引起电弧周围的粉尘或可燃气体的燃烧，这是单相接地短路故障容易引发电气火灾的重要因素。

2.3 接触不良造成的局部过热

在配电系统中，故障一般出现在导线的接头处，因为在大电流供电的系统里面，接头氧化所造成的接触电阻值仅有0.1Ω，在几十安培电流下就会产生巨大热量，由以下公式：

假设供电线路中电流为100A，接点处的接触电阻为0.1Ω，则这一点的消耗的功率可以达到1000W，所以说，只要导线接点的电阻达到0.1Ω，就等于在接点处设置了一个1000W的电炉在发热，计算公式如下：

随着发热量的不断增加，导线接头处导线进一步氧化，接触电阻值因导线的氧化而增加，热量积累加剧，从而形成恶性循环，最终引起电气火灾。

3 核电厂电气设备的火灾特性

在核电厂的电力系统中包括核反应堆、汽轮机、发电机、变压器、电力线路、断路器、控制设备、执行设备等，其电气设备的火灾特性如下：

3.1 输配电设备的电气火灾风险

    输配电电路中分为高压、中压、低压不同的电压范围，从发电机到输配电，输配电到高压变压器，直到向外电网输出高压电能，中间要通过各个环节，在这每一个环节中，都有特定的电气火灾风险。因为输送的电压高、电流大，因此能量高，稍有不慎就会引起严重的后果，因此防止发生电气火灾时必须放在一个重要的位置上来重视。

3.2 电缆沟、电缆夹层的电气火灾风险

核电厂内存在大量的电缆，在过载、短路、局部过热等故障状态及外热作用下，将引起电缆绝缘电阻下降、使绝缘材料失去绝缘能力，造成燃烧，进而引发火灾、爆炸事故，由于核电厂电缆布置密集，在局部电缆着火燃烧达到一定温度时，将会发生熔融造成火灾蔓延。

3.3 辅助变压器的电气火灾风险

辅助变压器的主要部分是铁芯、导线绕组、绝缘套管、外壳和必要的附件等。其电压不高、功率也没有高压变压器的功率大，但是在工作中如果变压器的负荷变化过大、周围温度过高时，环境不易散热，造成变压器冷却不够时，辅助变压器也可能发生过热的情况，如果在短时间内不能解决变压器过热的状态，变压器也有可能过热起火燃烧。

3.4 低压配电系统的电气火灾风险

低压配电系统内使用了各种导线、电缆、开关和仪器仪表，导线、开关、仪器仪表。由于电气负载的变化、绝缘老化等问题的出现，使得导线中的电流过大、开关过热或是电气仪表故障等，都会使电气设备过热，长时间的过热会造成绝缘层老化变质失去绝缘的作用，从而引发电气火灾。

4 常见电气火灾探测设备与存在的问题

4.1 剩余电流式电气火灾监控探测器

剩余电流式电气火灾监控探测器是最早安装在电气系统的电气火灾监控设备，多年来对预防电气火灾发挥了一定的作用，但是在使用中用户也有很多反应，比较统一的观点是认为误报警过多，发生了剩余电流超标报警后不易进行检查和排除。

4.2 测温式电气火灾监控探测器

测温式电气火灾监控探测器一般安装在配电箱柜中容易发热的断路器接头处，或是安装在大电流导线的接头处，由于在一个配电箱柜内部的接点比较多（一个断路器就有6个接线端子），因此不能监测所有的接点。如果仅通过测量配电箱柜内部空气温度，是不可靠和不实用的，因为空气的热传导性比较差，不能及时把配电箱柜中发生的温升变化及时报警，这是测温式电气火灾监控探测器的局限性。

4.3 测量电弧式电气火灾监控探测器

测量电弧式电气火灾监控探测器的特点是能够探测到电路中是否存在故障电弧，国家标准GB14287.5-2014中规定，当电弧探测器下端的线路中发生故障电弧时，只能报警和发出一个干接点信号，不能切断电源。当电弧探测器所保护的线路分支过多时，故障电弧的报警位置较难确定。

4.4线型感温探测器

线型感温探测器是一种利用感温电缆的阻值变化探测温度变化的设备，线型感温电缆一般适用于电缆槽、电缆沟等位置的电缆的测温，也需要进行接触式敷设，但是在使用上发现，线型感温电缆与电缆之间很难做到接触式安装，因此在测温的实用性上存在一定的困难。

4.5热成像温度探测器

热成像温度探测器是一种新型的火灾探测设备，由于成本较高，目前暂不普及，但是随着技术的进步和我国在芯片行业的不断发展，高分辨率的热成像芯片也在开始应用在电气火灾的探测上，目前常用的分辨率有32×32、64×64等工业级芯片，可以尝试在电气火灾探测上发挥其作用。其优点是在探测温度上灵敏度高、准确性好、探测距离可以调节，缺点是容易受到外界自然光的干扰，需要采取一定技术措施才能充分发挥其优势。

5 核电厂电气火灾融合监测系统

根据核电厂不同的工作环境和电器设备，开发出核电厂电气火灾融合监测系统。系统采用多种电气火灾监控探测技术进行采集数据，并把这些监测到的信息输送到监控主机中，在监控主机内部对各种信息进行多层次、多角度、多维度的观察和计算，得出核电站配电系统内部的电气火灾的隐患实际状态，并在监控主机上存储、打印、显示这些信息。

5.1电气火灾融合监测系统的组成

     图2每一个方框内是一个电气火灾监控子系统，每个子系统由内部网络连接在一起，在每个子系统里面，根据不同的监测对象，使用不同的探测设备，并通过有线或无线（也可以有线转无线方式）把

                    图2 电气火灾监控的系统图和网络架构图

所有的探测器连接到子系统的监控器上面，监控器通过内部网络（局域网）或CAN总线连接到位于消防中控室的监控主机上。进一步的工作可以把监控主机加上的信息通过专网或互联网发送到监控中心（如有必要也可以把报警信息发送到相关人员的手机上）。

5.2监控主机结构及简单工作原理

监控主机的核心部分是工控计算机，工控计算机的外围为通信扩展模块，每个通信扩展模块向外连接一条CAN总线，如果设计有10条总线则需要有10个通信扩展模块，并通过计算机分配通信地址。在每条CAN总线上，可以连接100个不同种类的探测器，监控主机和每一个探测器均可进行双向通信，探测器把探测到的数据上传，同时把监控主机的命令下发探测器。每一个探测器均有唯一的地址，并在监控主机中标注探测器所在位置和回路，以便当某个探测器报警时，监控主机立即可以得知并显示是在什么位置的探测器发生了何种报警。

图3 监控主机原理框图

5.3不同探测器的信号融合

为了提高对电气火灾探测的准确性，最大限度地减少误报警，因此对一个监测目标最好有两种或以上的探测方法。 

5.3.1测温式探测器与热解粒子探测器的信号融合

测温式探测器是针对配电箱柜中具体发热点的接触式探测，而热解粒子探测器是针对配电箱柜中的导线、开关和其他绝缘材料发热的探测，二者信号进入监控主机，结合两项信息的判断，有助于对配电箱柜内的电气火灾的准确判定，从而提高了准确度。由于计算机的记录功能，可以把热解粒子数量上升的速率与测温式探测器探测到的温度的上升速率进行比较，当二者上升的趋势明显且达到一个报警阈值范围时，计算机即可发出报警信息，从而使得误报警发生率大大降低。

5.3.2 监测配电回路电流值和监测温度的数据的融合

当导线或电缆中的电流超过设计的载流量时，导线就会过热，如果把监测配电箱柜中的测温点与相应的支路电流量相比较，就会得出比较清晰的结果，当电流增大异常时，此回路的温度值也在上升，就说明这条回路一定存在着过流现象，当达到一定值时应该进行及时的检修，使其重回正常工作状态。举例说明，当测温式探测器的温度值达到80℃报警值时，相对应的被测回路的电流值达到或超过额定值的120%时，说明此回路确实存在电流值过大的问题，应立即发出报警，以便及时采取措施，防止电气火灾的发生。

5.3.3线型感温探测器信息与热解粒子探测信息的融合

在监测电缆温度时，根据电缆的温度特性和工作温度特性，确定线型感温探测器的报警温度一般设定为85-90℃（具体测温点由电缆特性确定），热解粒子探测器的预设报警温度为120℃。这时考虑到热解粒子探测器的灵敏度较高，所以把其报警值设置的高出10℃左右。二者各有侧重，因此会提升温度探测的准确性和灵敏度，使信息融合后的温度监测水平得到了提高。

6 结束语

电气火灾发生的原因是多种多样的，在探测电气火灾隐患时要用到各种各样的探测方法，每种探测器所适用的电气系统的部位不同，探测电气火灾的发展阶段也有不同。而电气火灾多元信息融合监测系统通过对多种探测器信息的融合汇总，利用计算机判断、自学习和智慧化功能，使得电气火灾监控设备的智能化程度更好、判断能力更强、准确度更高、误报率更低，使电气火灾监控设备在核电厂不同的区域都能发挥更大的作用，从而保证配电系统的整体安全运行。

参考文献：

1 GB14287-2014，《电气火灾监控系统》（国家标准）

2 GB50116-2013，《火灾自动报警系统设计规范》（国家标准）

3 胡小民，核电厂起火频率分析，核动力工程，2010；76-80

4 李伟，对电气防火安全检测技术的几点思考，消防技术与产品信息，2010；57-59