线型感温火灾探测器的关键技术指标分析

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/4/22来源:《电力设备》2018年第31期文/刘作利1 王中秋2
[导读]摘要:随着电力行业的迅猛发展,由电气原因引发的火灾事故高居不下,其中由电缆线路引发的火灾事故占50%以上,因而电力电缆的温度监测和火灾报警也成为了必然趋势。

        (1.应急管理部沈阳消防研究所  沈阳市皇姑区文大路218-20甲  110034;2.中油国际管道公司  北京市朝阳区安定路5号院2号楼恒毅大厦1501  100029)
        摘要:随着电力行业的迅猛发展,由电气原因引发的火灾事故高居不下,其中由电缆线路引发的火灾事故占50%以上,因而电力电缆的温度监测和火灾报警也成为了必然趋势。根据电力电缆的分布式特性,本文选取了三种线型感温火灾探测器进行关键技术指标对比分析,为不同应用领域、环境条件、投资成本和技术指标要求提供选择依据。
        关键词:火灾探测器;缆式;光纤光栅;分布式光纤;
        0 引言
        据统计,2018年1月至8月份,全国共接报火灾16.61万起,死亡933人,伤亡560人,直接经济损失20.53亿元,与去年同期相比,分别下降19%、4.7%、8.8%和17.7%。其中,由电气原因引发的火灾事故占34%,因电缆线路引起的火灾占整个电气火灾数量的50%以上。如图1所示。
       
        图1 火灾事故原因分类
        引起电缆线路故障的原因有电缆本体、电缆附件、电缆敷设、附件安装、外力破坏、电缆线路接地系统设计、电缆线路过载等。引起电缆本体故障的原因是电缆本体树枝状老化击穿和过载;电缆附件的故障率高于电缆本体,电缆中间接头的故障高于电缆终端;引起中间接头故障的主要原因是安装不当,电缆中间接头导体连接金具与缆芯配合不合理也是一个原因。
        电力电缆的温度和火灾监测已经成为必然趋势,目前应用较多的有缆式线型感温火灾探测器、光纤光栅线型感温火灾探测器和分布式光纤线型感温火灾探测器。缆式线型感温火灾探测器以其运行稳定可靠、防湿防潮、本质安全型、异常温度预告、安装简单、适合危险区域、长距离连续监控监测电缆温度和高温报警 [1,2]。
        光纤光栅线型感温火灾探测器可实现厘米量级的空间分辨率,对温度场进行精细感知;监测距离在公里量级,可以进行长距离的监测覆盖;测温精度为±1℃,能够响应10cm 空间范围内的小规模火源,并能准确定位温度异常位置,表明该技术能够满足电缆廊道内温度场监测及动力电缆早期火灾报警的应用需求[3,4,5]。
        分布式光纤线型感温火灾探测器具有抗电磁场干扰、信号传输带宽等特点,空间定位精度达到米量级,不仅能够连续实时地检测电力电缆的表面温度及时发现局部过热点位置,同时可检测和分析运行中电缆绝缘状态[6,7,8]。
        以上三种测温及火灾报警技术在电力电缆上的应用各有优缺点,缆式线型和分布式光纤线型感温火灾探测器的应用比较[9,10],光纤光栅和分布式光纤线型感温火灾探测器的应用比较[11,12]。
        本文从将从定温报警动作温度、差温报警动作温度试验响应时间、响应时间及一致性、交变湿热和高温暴露后的响应时间试验等方面分析、对比三种线型感温火灾探测器的性能指标,为不同领域、不同场景应用选型提供依据。
        1 技术原理
        线型感温火灾探测器包括缆式、光纤光栅、分布式光纤、空气管式、缆式多点型感温火灾探测器等,其中空气管式和缆式多点型应用较少,本文对缆式、光纤光栅和分布式光纤三种线型感温火灾探测器进行技术指标对比分析。
        1.1缆式线型感温火灾探测器
        缆式线型感温火灾探测器由微机调制器、终端盒及感温电缆三部分组成,感温电缆是其测温部分。当感温电缆上任何一点T1的温度升高时,该处导线之间的接触电阻(R)降低,导致出现“临时”低阻值接头,微机调制器接收T1点的温度信号值与其额定报警值进行比较,并判断是否报警。当线缆上另外一点(T2)的温度高于(T1)点时,T2处导线之间的接触电阻会变的低于T1 点的电阻,导致出现新的“临时”低阻值接头,微机调制器监测T2点温度值并判断是否报警,直至出现新的高温点来取代当前监测点,从而起到实时监控最高温度点的功能。
        1.2光纤光栅线型感温火灾探测器
        光纤光栅线型感温火灾探测器是利用光纤芯层材料的光敏特性,通过紫外激光曝光的方法,使本来沿光纤轴线均匀分布的光纤纤芯折射率发生周期性永久改变形成的一种光栅结构的光学器件。当宽带光通过光纤光栅时,光纤光栅会对此人射光进行选择性反射,反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常约为0.1-0.5 nm),此中心波长称之为布拉格波长,在外界参量(如应力.温度等)发生变化情况下,光栅栅距(d)发生变化,布拉格波长λ随之发生变化.其变化满足如下关系式:
        式中,为光栅的布拉格波长,为光栅的有效折射率,为光栅条纹周期。
        1.3分布式光纤线型感温火灾探测器
        分布式光纤线型感温火灾探测器主要依据是光纤的光时域反射原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,光脉在传播中的每一点都会产生反射,反射之中有一部分的反射光,其方向正好与入射光的方向相反称为背向散射光,这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度成正比,即反射点的温度越高、反射光的强度也越大。因此,若能测量出背向反射光的强度,就可以计算出反射点的温度,这就是利用光纤测量温度的基本原理。
        在分布式光纤测温系统在温度标定之后,通过测量光强比就可以由(1)计算出光纤沿程各点的温度信息。
        在分布式光纤测温系统在温度标定之后,通过测量光强比就可以由下式计算出光纤沿程各点的温度信息。
        其中,为普朗克常量,为真空中的光速,为波尔兹曼常量,为频率偏移量,为绝对温度,。
        2 技术对比
        本论文的技术对比选取厂家为国内业绩较好的厂家,各类型线型感温火灾探测器分别选择一家进行技术指标对比分析。
        2.1定温报警动作温度试验
        对缆式、光纤光栅和分布式光纤三种类型的线型感温火灾探测器动作温度进行技术对比分析,样品数量3只。由于缆式线型感温火灾探测器生产时只能设定单一工作温度,因此,为了对三种线型感温火灾探测器对比,以85℃为动作温度进行对比。
        根据国标GB16280-2014规定:探测器动作温度误差不应大于设定值的10%,即不应大于8.5℃,技术指标对比如表(1)。
        表(1)定温报警动作温度对比表
       
        从表(1)可以看出定温报警动作温度均满足国标GB16280-2014要求,从动作温度偏差看光纤光栅偏差最大、分布式光纤和缆式偏差基本一致。
        2.2差温报警动作温度试验
        由于缆式线型感温火灾探测器大部分不具备差温报警功能,所以仅对光纤光栅和分布式光纤两种类型的线型感温火灾探测器动作温度进行技术对比分析,升温速率分别为:10℃/min、20℃/min和30℃/min。
        根据国标GB16280-2014规定差温报警动作温度试验的响应时间均满足要求,技术指标对比如表(2)。
        表(2)差温报警动作温度响应时间对比表
       
        从表(2)可以看出分布式光纤线型感温火灾探测器差温报警动作响应速度比光纤光栅线型感温火灾探测器要快。
        2.3响应时间及一致性试验
        缆式线型感温火灾探测器三台样机响应时间分别为:10s、11s和12s;光纤光栅和分布式光纤线型感温火灾探测器的响应时间,如下表(3)所示。
        表(3)响应时间及一致性对比表
       
        综合分析可知,光纤光栅和分布式光纤线型感温火灾探测器的响应速度均比缆式线型感温火灾探测器要快;分布式光纤线型感温火灾探测器比光纤光栅和缆式线型感温火灾探测器的响应一致性要高。
        2.4交变湿热(运行)试验
        分别对缆式、光纤光栅和分布式光纤三种线型感温火灾探测器进行交变湿热运行试验后,进行标准温度动作和响应时间试验,均选取一台样机进行试验,动作温度分别为:缆式85℃、光纤光栅和分布式光纤为60℃。动作温度试验如下表(4)所示、响应时间试验如下表(5)所示。
        表(4)交变湿热后动作温度对比表
       
        从表(4)可以看出,经过交变湿热运行试验后,缆式、光纤光栅和分布式光纤三种类型的线型感温火灾探测器动作温度偏差依次减小,缆式线型感温火灾探测器的偏差最大达到-6.6℃。
        表(5)交变湿热后响应时间对比表
       
        从表(5)可以看出,经过交变湿热运行试验后,光纤光栅比分布式光纤线型感温火灾探测器的响应时间要快。
        2.5高温暴露耐受试验
        分别对缆式、光纤光栅和分布式光纤三种线型感温火灾探测器进行高温暴露试验后,进行标准温度动作和响应时间试验,均选取一台样机进行试验,动作温度均为85℃。动作温度试验如下表(6)所示、响应时间试验如下表(7)所示。
        表(6)高温暴露试验后动作温度对比表
       
        从表(6)可以看出,经过交变湿热运行试验后,缆式、分布式光纤和光纤光栅三种类型的线型感温火灾探测器动作温度偏差依次减小,缆式线型感温火灾探测器的偏差最大达到-4.5℃。
        表(7)高温暴露试验后响应时间对比表
       
        从表(7)可以看出,经过高温暴露耐受试验后,分布式光纤比光纤光栅线型感温火灾探测器的响应时间要快。
        3 结论
        对缆式、光纤光栅和分布式光纤三种线型感温火灾探测器分别进行定温报警动作温度试验、差温报警动作温度试验、响应时间及一致性试验、交变湿热(运行)试验和高温暴露耐受试验,结论如下:
        (1)缆式线型感温火灾探测器均具有定温报警功能、部分具有差温报警功能,光纤光栅和分布式光纤线型感温火灾探测器均具有定温、差温报警功能;
        (2)从定温报警动作试验可知,光纤光栅线型感温火灾探测器的报警温度偏差最大;
        (3)从差温报警动作温度试验可知,分布式光纤线型感温火灾探测器响应速度更快;
        (4)从响应时间及一致性试验可知,缆式线型感温火灾探测器响应时间最慢、一致性最差,分布式光纤线型感温火灾探测器响应最快、一致性最好;
        (5)经交变湿热运行试验和高温暴露耐受试验后,缆式线型感温火灾探测器的定温动作温度偏差均最大;
        (6)经交变湿热运行试验和高温暴露耐受试验后,光纤光栅和分布式光纤线型感温火灾探测器的响应时间较实验前变化不大。
        依上述结论为依据,根据应用领域、环境条件、投资成本和技术指标要求等选择不同的线型感温火灾探测器,以适应不同的应用场景。
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        作者简介:
        刘作利,南,1980.3,辽宁沈阳人,汉族,应急管理部沈阳消防研究所,助理研究员,硕士,消防电子产品检测。
        王中秋,性别男,生日1980.09.23,籍贯辽宁省开原市,满族,中油国际管道公司,中级工程师,研究方向:消防安全技术。