如何使用持续热监测有效降低火灾风险

王 洁

内蒙古自治区广播电视传输发射中心839台 内蒙古 呼和浩特市 010050

多年来，预定的红外热成像检查是通过识别配电系统中故障或者松动的连接达到降低火灾风险的公认方法。现在持续的热监测提供了一种更安全、更有效的方式。在美国，多个监管机构已经为热监测设定了标准。2017 年哈茨菲尔德机场发生了一场电气火灾，原因是一个开关设备发生故障，事故发生在机场地下的一个隧道中，导致电力系统和备用电力系统瘫痪，达美航空公司表示，由于停电，他们损失了高达5000 万美元的收入，他们不得不取消1400 多个航班。每年电气火灾都会对各种设施造成毁灭性的后果。

到目前为止，热测量一直使用红外热成像技术，虽然这种方法在符合规定的情况下是有效的，但调查只在预定的基础上进行。由于每次测试都必须在带电的电气设备附近进行，人员可能会处于危险之中。本文将讨论如何使用持续热监测有效地降低火灾风险。

1 持续热监测中低压配电系统可以有效地降低火灾风险

中低压配电系统中连续热监测技术的出现与红外热成像相比，持续热监测提供了一种更安全、更全面的方法来检测整个中低压配电系统的热风险。

中压和低压装置故障的一个主要原因是电气连接故障，特别是现场的连接。电缆、母线和抽出式断路器的连接可能会因为不适当的拧紧力矩或者长时间的持续振动导致连接松动而开始恶化。由于腐蚀、过度压力或者过度摩擦而损坏的表面也会发生质变。

频繁变化的温度、在寒冷的夜晚和炎热的白天之间的波动、低电流和电压导致连接的紧密性增加或者减少；频繁的开/关开关会对母线和连接点产生电磁冲击，导致这些连接松动；由于服务而产生的电气连接问题，会使得这些情况变得更糟。

此外，在一些变电站中还发现了以下服务弊端：在电缆绝缘测试中，在进行直流电流测试中，必须使用电缆，在重新组装的过程中可能出现以下问题：电气润滑未清洗或者更换、紧固力矩使用不当、接触垫圈定位不当。在抽出式断路器的插入过程中，由于夹具不对导致机械故障，安装备用断路器，当触点已经显示出表面恶化或者损坏时，就会出现问题热失控、连接故障和火灾。

在上述任何一种情况下，一系列关键事件开始发生：

（1）电接触电阻的增加加速了进一步的恶化；

（2）这种增加的阻力导致温度上升；

（3）高温使连接表面更加恶化；

（4）表面的进一步恶化导致接触电阻的进一步增加；

（5）由此产生的热将导致完全连接失败；

（6）可能发生火灾、闪络和爆炸；

（7）在最严重的情况下，这将导致开关设备的损坏和对操作人员的严重伤害。

早期发现连接故障引起的母线温度异常上升，在大多数情况下可以防止电气故障和火灾。因此，监管机构现在要求定期进行热检查，以解决配电系统中风险最高的部分。

最常见和传统的热检测方法是使用红外热像。热成像摄像机用于检查电气设备中热风险最高的区域，热像通常每隔6个月、12 个月或24 个月进行一次。这种方法的潜在缺点是，当连接点出现快速恶化时，定期调查并不能够尽早地通知维护团队。此外，由于安全规定，限制进入一些电气室可能会使定期测试复杂化，并导致更多的热风险被忽略。

红外热成像通常还需要在开关柜门上安装一个红外窗口，以提供足够的摄像机接入测试现场设备。对于低压设备，操作人员经常要打开门板检查连接情况，接触点的可及性和可视性也会受到限制，尤其是使用母线时，相机的定位也会很有挑战性。由于这些原因，在测试某些类型的开关设备和变压器时，技术人员暴露在电弧闪光下有风险，存在安全问题。

最后，人工进行的红外热成像测量是昂贵的。即便如此，投资回报还是很高的。根据马萨诸基州JTI 服务公司经验丰富的热像技师Cody Jackson 的一篇文章，红外热像仪检查，在及时维修之后，每进行1 美元的红外检查，就能获得4 美元的收益。这是因为红外检测可以在问题引起设备故障之前发现问题的症状。

连续热监测是一种相对较新的解决方法，它对比红外热成像有几个优势，甚至具有更大的潜力。与手动使用的红外热像方法相比，热监测是连续的、实时的检测温度上升或失控。连续监控的优点是红外扫描可能会错过关键时刻，但是这些时间发生在预定的扫描之间，那么它们就不太可能被热监测系统错过。此外，热监测系统通常会提高动态管理报警能力。热事件发生时将立即向操作和维护团队发送警报，使他们有更多的时间在设备损坏发生之前作出反应。持续热监测的另一个好处是可以使用当前基本水平的温度模型作为参考。母线和连接温度随流过导体的电流而波动。因此，通过了解电流，可以更好地预测母线温度，并将其与实际温度进行比较。这使得这种类型的分析更加准确，并提供更精确的报警灵敏度。换句话说，异常的温度上升更容易被检测到。

2 连续热监测的方法

最近有两项创新可用于连续监测应用：

2.1 中压和低压热传感器技术

这项技术依赖于在单个连接点上永久安装的传感器。这最适合于连接点较少的低密度应用，热传感器安装在整个配电系统的所有重要连接点和其他热风险位置。包括：中压开关设备：热传感器应该安装在进线、母线和抽出式断路器连接处；MV/LV 变压器：传感器应位于变压器MV 输入绕组上；LV 母线槽：电气母线槽也由许多连接组成，以方便分配点、拐角、弯头或接头包，这些接头连接不当可能导致电气火灾风险增加的区域。幸运的是，母线槽不需要特殊的窗户，而且经常需要方便进行红外扫描，它们也非常适合安装专门为这种应用低压开关设备设计的无线热传感器。

对于大进线低压电缆和母线连接，可以使用热传感器来获取单个连接点的温度，传感器的安装方法：典型的热传感器尺寸大约为4×4 厘米。这些传感器直接安装在中压和低压连接点上，采用某种形式的捆扎系统。传感器可用于新的或现有的安装。只要遵循适当的安全预防措施，低压母线的安装通常可以保持电路带电。传感器可用于专门的热监测。有些可能提供额外的功能，如温度监测。许多热传感器利用了无线连接的进步。这大大简化了传感器的安装，特别是在翻新场景中。它还消除了任何隔离或绝缘问题引起的传感线。传感器可以设计为总线供电或电池供电，这进一步简化了安装。

2.2 高密度低压机柜绝缘分解检测

虽然热传感器非常适合于低密度连接点，但对小导线和低压机柜内高密度布线的热监测更具挑战性。

新兴的绝缘分解检测（IDD）技术为在一定温度范围内检测电缆热分解提供了一种有效的解决方案，为迫在眉睫的火灾风险提供了早期预警。IDD 技术为市场上绝大多数低压电缆类型提供了一种简单可靠的方法，用于预防性检测电缆连接问题，同时与其他现有的火灾探测系统相比，具有独特的优势。IDD 只需要在每一列或机柜的前端安装一个智能传感器。该传感器分析气体和颗粒，利用热失控情况下电缆绝缘分解的行为，在任何烟雾或绝缘子恶变发生之前，机柜立柱内任何电缆出现过热情况，该传感器都会检测到异常问题，使解决方案更简单、更快地安装和集成。

请注意，热传感器可以很好地补充IDD 技术，前者用于所有较大的低密度连接点，后者用于低压机柜内较小的高密度电缆连接。

3 热监测的通信方法

定期手动检查每个安装的传感器的温度读数是不现实的。无线连接可以全天候监控，通过不断扫描所有传感器来检测异常温度。

传感器构成了一个完整的、设施范围内的热监测网络。根据需要，利用无线数据集中器和其他通信接口，热数据可以自动连续上传至本地和数据云的分析应用程序。热监控可以作为核心功能提供，也可以作为电源和能源管理系统解决方案的模块附加。

对于电台、医院、机场或者数据中心等重要建筑，电气火灾可能会导致重大的经济损失、人员受伤甚至死亡。中压（MV）和低压（LV）配电系统接线连接缺陷、开关、电机缺陷常常是电气火灾的根源。据一家保险公司估计大约25%的主要电气故障是由于连接松动故障造成的。随后，许多保险公司、国家消防管理局和许多其他监管机构要求每年进行热调查，以减少这种风险，在这些要求的驱使下，热测量热监控已经成为降低各种类型建筑中错误连接风险的普遍做法。