CN115350425A - 一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，包括控制室和模拟室，所述模拟室内设置有至少一个模拟柜体，所述模拟柜体内设置有电路器件，所述模拟柜体上设置有消防灭火组件，所述消防灭火组件包括处于模拟柜体外侧的消防管道和在模拟柜体内部敷设固定的探火管，所述消防管道与探火管连接。本发明在模拟室内放置模拟柜体，构建专用的实验空间，避免火灾失控造成安全事故，确保实验安全，通过测试组件环境模组件可对不同环境和事故类型的火灾事故进行分析，测试和研究火灾预警组件和消防灭火组件的预警和消防性能，确保移植到在用的高压开关柜使能满足预警和消防的需求，提高高压开关柜的安全性能。

Description

一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置
技术领域
本发明涉及高压开关柜技术领域，尤其涉及一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置。
背景技术
随着电力需求的增加，我国新增变电站也越来越多，高压开关柜是变电站中一种重要的综合性一体化电气设备，对于电力系统控制与保护起到了不可替代的作用，不仅能够控制整体电力系统顺利运行，同时保护整个系统安全。
高压开关柜主要由断路器室、母线室、电缆室、仪表室等组成，内部发热设备元器件较多，各室间结构紧凑且相对复杂，同时柜体联排同沟安装在开关室内，然而封闭式高压开关柜的运行工况复杂，工作环境恶劣，内部散热性能差，易造成模拟柜体发热，导致模拟柜体跳闸、起火事故频发甚至着火爆炸，严重影响供电可靠性。目前，高压开关柜火灾防控方面常采用定期巡检、在线监测、改善内外部温湿度环境、布置二氧化碳、干粉、七氟丙烷灭火装置等，但针对火灾早期发现和有效抑制欠缺有效手段，因此，高压开关柜早期火灾防控具有重大的工程应用价值和社会经济效益。
开展高压开关柜早期火灾防控研究，首先要通过开展火灾试验来明确高压开关柜故障着火及致灾机理特性，探索有效的对策，为研发科学高效的早期火灾抑制与预警装置提供技术参数支撑。因此，非常迫切需要开发一种可模拟高压开关柜各种环境下、不同故障情况下形成火灾的发生发展过程，具备可重复性，能验证火灾预警及抑制装置的火灾试验平台及方法，揭示模拟柜体在各种环境、各种故障情况下形成火灾的原因及火灾发展演化规律，并对相应消防装置性能进行测试和评价为高压开关柜早期火灾防控提供理论依据和实验数据支持。
公开号为CN114595530A的发明专利申请公开了一张高压开关柜故障灭火剂用量预测模型构建方法及应用，该方案主要目的是模拟分析存在火情时灭火剂的用量，以提供足量的灭火剂确保高压开关柜的安全，但该方案只是对火情出现之后的灭火系统的性能进行模拟分析，但无法对火灾预警的功能进行分析，无法满足高压开关柜安全运行的使用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够对高压开关柜的火情预警性能和灭火性能进行模拟分析的模拟研究装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，包括控制室和模拟室，所述模拟室内设置有至少一个模拟柜体，所述模拟柜体内设置有电路器件，所述模拟柜体上设置有消防灭火组件，所述消防灭火组件包括处于模拟柜体外侧的消防管道和在模拟柜体内部敷设固定的探火管，所述消防管道与探火管连接；
所述控制室内设置有上位机，所述上位机通信连接有测试组件、火灾预警组件和环境模拟组件，所述测试组件用于记录实验过程和实验数据，所述火灾预警组件根据实验数据对火情风险进行预警，所述环境模拟组件能够调整模拟室和模拟柜体内的温湿度环境。
本发明在模拟室内放置模拟柜体，构建专用的实验空间，避免火灾失控造成安全事故，确保实验安全，通过测试组件环境模组件可对不同环境和事故类型的火灾事故进行分析，测试和研究火灾预警组件和消防灭火组件的预警和消防性能，确保移植到在用的高压开关柜使能满足预警和消防的需求，提高高压开关柜的安全性能。
优选的，所述测试组件包括设置于模拟柜体内部的故障模拟点附近的热电偶，和贴附在模拟柜体外表面的贴片式温度传感器。
优选的，所述上位机还通信连接有烟气处理组件，所述烟气处理组件还包括依次串联的除水过滤器、降温机构、气体过滤器、取样泵、干燥器、流量计，所述除水过滤器与两个气体探测取样口通过阀门连接，两个所述气体探测取样口分别设置有模拟柜体的顶部和底部，所述降温机构内部设置有温度传感器，降温机构具有空腔和盘绕在空腔内的盘管，气体进入盘管后流向气体过滤器，所述降温机构上设置有与空腔连接的进水阀门；所述流量计与测试腔连接，所述测试腔内设置有非接触气体传感器和电化学传感器。
优选的，所述消防管道连接有固定在模拟柜体顶部的喷头，所述喷头具有感温玻璃球封堵，所述上位机能够获取所述感温玻璃球封堵的开闭状态，并控制所述感温玻璃球封堵打开。
优选的，所述消防管道连接有灭火剂储罐，所述灭火剂储罐倒置固定在模拟柜体的外侧，灭火剂储罐的出口设置有与上位机通信连接的流量计和压力传感器。
优选的，所述火灾预警组件包括温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元；
所述温度预警单元基于所述热电偶和贴片式温度传感器的探测温度进行火灾预警；所述风险预警单元通过训练的火灾预警模型进行火灾预警；所述消防预警单元基于消防灭火组件的状态进行火灾预警；
当所述温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元中的至少两个判断存在火情风险时，所述上位机发出火情预警信号。
优选的，所述温度预警单元的预警规则为，
定温阈值预警，设置至少一个温度阈值，检测温度达到设置阈值时发出报警信号；
和/或差温阈值预警，设置温度差值阈值，如果模拟柜体内部不同区域的温度差值超过差值阈值，发出报警信号。
优选的，所述消防预警单元的预警方法为，通过上位机检测灭火剂储罐的流量和压力，当检测到灭火剂压力降低，流量增加时，发出火灾预警信号。
优选的，所述火灾预警模型的训练方法包括以下步骤，
S1：通过前期模拟实验采集温度数据和烟气处理组件的烟气成分数据，并人工标识在每组烟气数据和温度数据下的火灾危险等级；
S2：对输入数据集合进行规范化处理；
S3：构建训练模型，输入数据；所述训练模型包括数据层、特征层和决策层，所述数据层采用SVM算法对输入参数的特征信息进行预处理，剔除异常数据和缺失数据的影响；所述特征层对数据进行融合，建立MPSO-SVM融合识别方法的模型，挖掘特征信息的变化规律和发展趋势，所述决策层采用多回归-单分类LS-SVM的的高压开关柜火灾多组分指标气体和温度多变量融合识别方法，对特征信息进行态势评价和威胁估计；
其中，通过S1中采集的数据构建训练集，将气体浓度与温度数据融合在一起得到集合T＝{(x1，y1)，...，(xi，yi)}，其中，气体浓度参数xi∈X＝{1，2，...，n}，n为指标气体的维数，即指标气体的种类；温度等级yi∈Y＝{1，2，...，m}，其中m为温度的等级数，将人为划分的危险等级作为输出；与输入数据集合一一对应；
在S2中通过公式
Figure BDA0003815484090000031
对数据进行规范化处理，其中u代表处理后数据的上限，Z代表处理后数据的下限，max代表处理前该特征数据的最大值，min代表处理前该特征数据的最小值；
对于S3构建的训练模型，
核函数采用高斯径向基核函数，
Figure BDA0003815484090000032
其中x表示到某一中心x′之间欧氏距离，x′为核函数中心，g为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。
优选的，
所述测试组件还包括设置于模拟室四角的第一红外视频监控器和第一可见光视频监控器、和设置于模拟柜体内部的第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器，所述第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器通过柜内视频采集支架固定在模拟柜体内部，所述柜内视频采集支架包括底座，固定在底座上的固定杆、与固定杆插接配合的调节杆，所述调节杆能够相对固定杆自由伸缩，所述调节杆上设置有两个安装架，其中顶部的安装架固定在调节杆的顶端，另一个安装架滑动套设在所述调节杆上，滑动设置的安装架通过第一螺栓拧紧固定在所述调节杆上，所述固定杆上沿径向设置有顶紧调节杆的第二螺栓；所述第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器固定在两个所述安装架上；
所述热电偶通过热电偶采集支架固定在所述模拟柜体内，所述热电偶采集支架包括沿模拟柜体的内壁设置的耐火板、固定在耐火板上的热电偶固定杆，热电偶安装固定在所述热电偶固定杆上；
所述环境模拟组件包括第一环境模拟机组和第二环境模拟机组，所述第一环境模拟机组连接有风道分流器，所述风道分流器的每个出口分别连接到一个模拟柜体的底部进风口位置；所述第二环境模拟机组并联连接有多个处于模拟室内的调节风口，模拟室相对的两侧墙壁上分别设置有鼓风机和排风机，所述模拟室四个侧壁上分别设置有温湿度传感器，其中靠近每个鼓风机和排风机的位置分别设置有所述温湿度传感器；
所述控制室和模拟室均通过防火砖砌筑得到，所述模拟室的底部设置有与控制室连接的穿线沟和与穿线沟连接的布线沟，线缆沿布线沟从底部连接到模拟柜体内部，模拟室内的线缆通过布线沟隐藏布线；
所述模拟柜体底部设置有进风口，顶部设置有出风口，底部通过防火封堵材料阻隔，所述模拟柜体内部分别设置有母线室、电缆室、断路器室和继电器仪表室，所述母线室内设置有母线，电缆室内设置有电流互感器、接地开关、避雷器、电缆和静触头，所述接地开关下方设置有柜内温湿度传感器，所述断路器室内部设置有断路器手车；
所述模拟柜体表面分别在母线室、电缆室、断路器是和继电器仪表室上设置有面板，所述面板外侧贴附有所述的贴片式温度传感器，面板表面设置有模拟柜体红外监控窗口和模拟柜体可见光监视窗口；
所述上位机还通信连接有加流组件，所述加流组件包括固定在控制室内的加流装置，所述加流装置通过线缆与模拟故障点连接，向模拟故障点提供电流，通过电流互感器反馈信号，上位机调节加流装置将试验电流控制在阈值范围内；
所述上位机还通信连接有应急备用灭火组件，所述应急备用灭火组件包括设置在控制室的干粉储罐、消防气体储罐和惰性气体储罐，所述干粉储罐、消防气体储罐和惰性气体储罐并联至混合器上，所述混合器通过管道连接有处于模拟柜体顶部的灭火剂释放口。
本发明提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的优点在于：在模拟室内放置模拟柜体，构建专用的实验空间，避免火灾失控造成安全事故，确保实验安全，通过测试组件环境模组件可对不同环境和事故类型的火灾事故进行分析，测试和研究火灾预警组件和消防灭火组件的预警和消防性能，确保移植到在用的高压开关柜使能满足预警和消防的需求，提高高压开关柜的安全性能。在高压柜体内部和外部分别设置热电偶和贴片式温度传感器检测温度，方便获得整个空间内温度变化情况，便于研究火灾蔓延特性；通过红外设备和可见光设备获得实验过程的视频图像，进行实验分析，通过两个独立的设备，分别调整模拟柜体内部温湿度环境和外部温湿度环境，能够满足不同的实验条件下进行模拟分析的需求，通过对尾气成分进行分析，方便对燃烧过程进行还原，并且能够基于尾气分析实现火灾预警，能够在早期及时发现火情，降低火灾损失。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的示意图；
图2为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的模拟柜体的正视图；
图3为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的模拟柜体的侧视图；
图4为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的模拟柜体的面板示意图；
图5为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的柜内视频采集支架的示意图；
图6为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的热电偶采集支架的示意图；
图7为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的尾气处理组件的示意图；
图8为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的消防灭火组件的示意图；
图9为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的温度预警单元的原理图；
图10为本发明的实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置的系统架构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，包括控制室1和模拟室2，所述模拟室2内设置有至少一个模拟柜体3，所述模拟柜体3内设置有电路器件，所述模拟柜体3上设置有消防灭火组件8；结合图2，所述消防灭火组件8包括处于模拟柜体3外侧的消防管道8-3和在模拟柜体3内部敷设固定的探火管8-4，所述消防管道8-3与探火管8-4连接；可在模拟柜体3内温度升高时，使接近高温热源的探火管8-4发生破损进行消防作业。再参考图1，所述控制室1内设置有上位机10，所述上位机10通信连接有测试组件6、火灾预警组件(图未示)和环境模拟组件4，所述测试组件5用于记录实验过程和实验数据，所述火灾预警组件根据实验数据对火情风险进行预警，所述环境模拟组件4能够调整模拟室2和模拟柜体3内的温湿度环境。
本实施例在模拟室内放置模拟柜体，构建专用的实验空间，避免火灾失控造成安全事故，确保实验安全，通过测试组件6和环境模组件4可对不同环境和事故类型的火灾事故进行分析，测试和研究火灾预警组件和消防灭火组件8的预警和消防性能，确保移植到在用的高压开关柜使能满足预警和消防的需求，提高高压开关柜的安全性能。
参考图2和图3，所述模拟柜体3，可根据实验需求选用对应结构的高压开关柜，底部通过防火封堵材料3-6阻隔，控制室1和模拟室2分别通过防火砖砌筑构造，确保实验过程的安全，其中模拟室2的底部分别设置有与控制室1和模拟柜体3连接的穿线沟2-1和连接两侧穿线沟2-1的布线沟2-2，从而使线缆全部从模拟室2的地面之下穿过，保护线缆的安全.
所述模拟柜体3底部设置有进风口4-9，顶部设置有出风口4-3，电缆3-24从底部穿过防火封堵材料3-6进入到模拟柜体3内，所述模拟柜体3内部分别设置有母线室3-1、电缆室3-2、断路器室3-3、继电器仪表室3-4，所述母线室3-1内设置有母线3-11，电缆室3-2内设置有电流互感器3-21、接地开关3-22、避雷器3-23、电缆3-24和静触头3-25，所述接地开关3-22下方设置有柜内温湿度传感器3-5，所述断路器室3-3内部设置有断路器手车3-31；结合图4，所述模拟柜体3的表面分别在母线室3-1、电缆室3-2、断路器室3-3、继电器仪表室3-4上设置有面板3-7。
再参考图1，所述环境模拟组件4包括第一环境模拟机组4-1和第二环境模拟机组4-4，所述第一环境模拟机组4-1连接有风道分流器4-2，所述风道分流器4-2的每个出口分别连接到一个模拟柜体3的底部进风口4-9位置；所述第二环境模拟机组4-4并联连接有多个处于模拟室2内的调节风口4-5，模拟室2相对的两侧墙壁上分别设置有鼓风机4-7和排风机4-8，所述模拟室2四个侧壁上分别设置有温湿度传感器4-6，其中靠近每个鼓风机4-7和排风机4-8的位置附近分别设置有所述温湿度传感器4-6，通过所述第一环境模拟机组4-1调整模拟柜体3内部的环境，通过所述第二环境模拟机组4-1调整模拟室2内部的环境，并通过所述温湿度传感器4-6对环境进行检测，以满足实验需求。
所述测试组件6包括设置于模拟室四角的第一红外视频监控器6-1和第一可见光视频监控器6-2、和设置于模拟柜体3内部的第二红外视频监控器6-61和第二可见光视频监控器6-62，所述第二红外视频监控器6-61和第二可见光视频监控器6-62通过柜内视频采集支架6-6固定在模拟柜体3内部。
结合图5，所述柜内视频采集支架6-6包括底座6-68，固定在底座6-68上的固定杆6-64、与固定杆6-64插接配合的调节杆6-63，所述调节杆6-63能够相对固定杆6-64自由伸缩，所述调节杆6-63上设置有两个安装架6-66，其中顶部的安装架6-66固定在调节杆6-63的顶端，另一个安装架6-66滑动套设在所述调节杆6-63上，滑动设置的安装架6-66通过第一螺栓6-65拧紧固定在所述调节杆6-63上，所述固定杆6-64上沿径向设置有顶紧调节杆6-63的第二螺栓6-67；所述第二红外视频监控器6-61和第二可见光视频监控器6-62固定在两个所述安装架6-66上；
结合图4，为了方便观察，所述面板3-7表面设置有模拟柜体红外监控窗口6-3和模拟柜体可见光监视窗口6-4。同时所述面板3-7表面还贴附有贴片式温度传感器6-5，以采集实验过程中面板3-7表面的温度。
所述测试组件6通过在模拟柜体3外侧的贴片式温度传感器6-5采集温度，同时还设置有处于模拟柜体3内部的热电偶6-73采集内部温度，具体的，所述模拟柜体3内部设置有热电偶采集支架6-7，参考图6，所述热电偶采集支架6-7包括沿模拟柜体3的内壁设置的耐火板6-71、固定在耐火板6-71上的热电偶固定杆6-72，热电偶6-73安装固定在所述热电偶固定杆6-72上；所述耐火板6-71上可固定多个处于不同高度的热电偶固定杆6-72，以对整个模拟故障点5-1所在的空间范围进行全覆盖的温度检测，方便研究温度场变化情况。
再参考图1，所述上位机10还通信连接有加流组件5，所述加流组件5包括固定在控制室内的加流装置，加流装置直接购买即可，最大输出电流、电压值分别为5000A、20V，所述加流装置通过线缆与模拟故障点5-1连接，向模拟故障点5-1提供电流，通过电流互感器反馈信号，上位机10调节加流装置将试验电流控制在阈值范围内。
结合图1和图7，所述上位机10还通信连接有烟气处理组件7，所述烟气处理组件7还包括依次串联的除水过滤器6-81、降温机构6-82、气体过滤器6-84、取样泵6-85、干燥器6-86、流量计6-87，所述除水过滤器6-81与两个气体探测取样口6-8通过阀门(图未示)连接，结合图2，两个所述气体探测取样口6-8分别设置有模拟柜,3的顶部和底部，所述降温机构6-82内部设置有温度传感器6-83，降温机构6-82具有空腔和盘绕在空腔内的盘管，气体进入盘管后流向气体过滤器6-84，所述降温机构上设置有与空腔连接的进水阀门；所述流量计6-87与测试腔6-88连接，所述测试腔6-88内设置有非接触气体传感器和电化学传感器。非接触气体传感器测量CO、CO2、SO2、HCL、O2等变化值，电化学传感器测量NOx、CH4等变化值。
参考图8，所述消防灭火组件8包括固定在模拟柜体3上的灭火剂储罐8-1，所述消防管道8-3与所述灭火剂储罐8-1连接，所述灭火剂储罐8-1的出口设置有与上位机10通信连接的流量计8-5和压力传感器8-6，所述灭火剂储罐8-1储存低沸点的液态灭火剂，在消防作业时会自动挥发气化，从而能够提高覆盖范围，并通过气化降温作用快速进行消防灭火，如全氟己酮灭火剂。本实施例中，所述灭火剂储罐8-1倒置固定在模拟柜体3上，通过灭火剂的重力提供驱动灭火剂喷出的压力，实现灭火剂的自驱，不需要外部驱动，防止驱动电力出现故障，确保能够有效的进行消防作业，所述灭火剂储罐8-1通过固定带8-11绑扎固定在模拟柜体3上，所述消防管道8-3还连接有处于模拟柜体3顶部的喷头8-31，所述喷头8-31具有感温玻璃球封堵(图未示)，所述上位机10能够获取所述感温玻璃球封堵的开闭状态，并控制所述感温玻璃球封堵打开。
进一步的，所述探火管8-4还可以具有多个释放端，每个释放端分别使用感温玻璃球堵头8-41进行封堵，从而在存在火情时，可通过探火管8-4本身的破损，或者感温玻璃球堵头8-41的破损进行消防灭火。
再参考图1，所述上位机10还通信连接有应急备用灭火组件9，所述应急备用灭火组件9包括设置在控制室1的干粉储罐9-1、消防气体储罐9-2和惰性气体储罐9-3，所述干粉储罐9-1、消防气体储罐9-2和惰性气体储罐9-3并联至混合器9-4上，所述混合器9-4通过管道连接有处于模拟柜体3顶部的灭火剂释放口9-5，在火情失控时，通过应急备用灭火组件9对模拟柜体3提供干粉和消防气体进行消防作业，并通过惰性气体进行加压，确保消防介质能够快速足量的释放，确保模拟柜体3的安全，防止设备损坏，能够进行重复实验。
所述火灾预警组件包括温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元；
所述温度预警单元基于所述热电偶6-73和贴片式温度传感器6-5的探测温度进行火灾预警；所述风险预警单元通过训练的火灾预警模型进行火灾预警；所述消防预警单元基于消防灭火组件8的状态进行火灾预警；
当所述温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元中的至少两个判断存在火情风险时，所述上位机10发出火情预警信号；
具体的，本实施例通过三个预警单元进行综合预警，在至少两个预警单元判断出现火情风险时，提醒用户进行操作，并可自动控制消防灭火组件8的状态，具体的，在存在火情时，所述上位机10控制所述喷头8-31打开释放灭火剂，对整个模拟柜体3内部进行消防作业，此时如果探火管8-4未出现破损，则仅使用喷头8-31即可，喷头8-31优选使用雾化喷头，以将灭火剂雾化喷出，提高消防能力，在探火管8-4出现破损的情况下，则通过探火管8-4的破损位置直接对高温位置进行消防灭火，同时通过所述喷头8-31进行灭火，在控制消防灭火组件8进行作业的同时，所述上位机10还会通知具体的作业人员，具体可通过客户端推送、电话、短信、声光报警器等方式发出预警信息。
具体的，参考图9，所述温度预警单元的预警规则为，
定温阈值预警，设置至少一个温度阈值，检测温度达到设置阈值时发出报警信号，其中对于热电偶6-73和贴片式温度传感器6-5可选择相同或不同的温度阈值；
和/或差温阈值预警，设置温度差值阈值，如果模拟柜体内部不同区域的温度差值超过差值阈值，发出报警信号，该方法主要基于模拟柜体3内部的热电偶6-73进行火灾预警。
基于所述温度预警单元，可进行定温阈值预警、差温阈值预警或定温差温阈值联合预警，确保在温度出现异常时能够及时反馈信号，在火情初期进行有效的控制，降低损失。
所述消防预警单元的预警方法为，基于所述消防灭火组件8的状态判断是否存在火情，具体的，本实施例中消防灭火组件8包括处于模拟柜体3内部的探火管8-4，而探火管8-4在高温下能够自动破损，因此通过检测消防管道8-3的压力变化能够发现探火管8-4是否存在破损，具体方法为，通过上位机10检测灭火剂储罐8-1的流量和压力，当检测到灭火剂压力降低，流量增加时，发出火灾预警信号。当然，此时造成灭火剂开始工作的原因有可能时探火管8-4破损，也有可能时喷头8-31中的感温玻璃球破损，这都能证明模拟柜体3内部出现了异常的热源，因此需要进行火情预警。
以上两种方式均是通过温度变化来进行火情预警的，但是高压开关柜内部具有很多的线缆和电子设备，排除认为点火因素，一般的火情都是因为设备或线路因电路故障出现高温，从而慢慢的进行引燃，而这一过程并不会导致周边环境出现明显的温度变化，因此如果基于温度变化进行判断，则发现火情时，可能明火已经烧起来了，此时火势已经难以控制了。
基于此，本实施例还提供了基于模拟柜体3内部的烟气成分和温度进行多数据融合进行火灾预警的方法，具体主要使用火灾预警模型获取烟气成分数据和温度数据进行运算处理，并输出火灾风险等级，并反馈输出结果，进行火灾预警。
所述的火灾预警模型的训练方法包括以下步骤，
S1：通过前期模拟实验采集温度数据和烟气处理组件的烟气成分数据，并人工标识在每组烟气数据和温度数据下的火灾危险等级；
S2：对输入数据集合进行规范化处理；
S3：构建训练模型，输入数据；所述训练模型包括数据层、特征层和决策层，所述数据层采用SVM算法对输入参数的特征信息进行预处理，剔除异常数据和缺失数据的影响；所述特征层对数据进行融合，建立MPSO-SVM融合识别方法的模型，挖掘特征信息的变化规律和发展趋势，所述决策层采用多回归-单分类LS-SVM的的高压开关柜火灾多组分指标气体和温度多变量融合识别方法，对特征信息进行态势评价和威胁估计；
其中，通过S1中采集的数据构建训练集，将气体浓度与温度数据融合在一起得到集合T＝{(x1，y1)，...，(xi，yi)}，其中，气体浓度参数xi∈X＝{1，2，...，n}，n为指标气体的等级数，即指标气体的种类；温度等级yi∈Y＝{1，2，...，m}，其中m为温度的等级数，将人为划分的危险等级作为输出；与输入数据集合一一对应；在具体训练时，可选择热电偶6-73的探测数据或贴片式温度传感器6-5探测数据，也可以同时采纳两种传感器的数据进行训练。
本实施中，将温度等级划分为四个等级具体为20～100℃、100～200℃、200～350℃、及350℃以上，温度越高，风险等级越高；
在S2中对通过公式
Figure BDA0003815484090000101
对数据进行规范化处理，其中u代表处理后数据的上限，Z代表处理后数据的下限，max代表处理前该特征数据的最大值，min代表处理前该特征数据的最小值；
对于S3构建的训练模型，
核函数采用高斯径向基核函数，
Figure BDA0003815484090000102
其中x表示到某一中心x′之间欧氏距离，x′为核函数中心，g为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。本实施例提供的基于多数据融合的火灾预警方法，以多组份指标气体CO、CO2、SO2、HCL、O2、NOx、CH4和特征温度为研究对象，以数据融合理论为手段，以SVM为主要信息处理工具，构建一套基于支持向量机数据融合识别的高压开关柜火灾特征信息预警技术框架，通过理论研究与试验验证紧密结合，借助小样本、非线性及高维特征空间中具有优异的分类、非线性函数逼近和回归估计性能的支持向量机和其他现代信息处理方法(如粒子群优化算法、遗传算法、粗糙集理论、聚类理论以及混沌理论等)进行有机集成，构建多源融合模型和识别算法，为高压开关柜火灾预警提供有效的方法和手段，从而准确快速地进行火灾数据的特征提取，挖掘出相关的异常信息，实现高压开关柜火灾发展态势的预测和预警，为其火灾防控提供保障和技术支持。
所述基于多数据融合的火灾预警方法，其中，多数据融合包括数据层、特征层、决策层三种结构层次，所述数据层融合，采用SVM算法进行特征信息数据的预处理，除异常数据和缺失数据的影响，为后续的特征层和决策层融合提供较为准确的基础数据；所述特征层融合，通过建立MPSO-SVM融合识别方法的模型，为决策层融合提供有价值的特征信息，主要解决高压开关柜火灾完整信息的特征提取，以及特征信息的属性约简与特征指标的优选问题，挖掘其变化规律和发展趋势；所述决策层融合，采用多回归-单分类LS-SVM的高压开关柜火灾多组分指标气体和温度多变量融合识别方法，利用该方法对特征信息进行态势评价和威胁估计及有效预警。
对于核函数，本实施例首选高斯径向基核函数，高斯径向基核函数可以将样本非线性的映射到更高维的空间中，从而解决划分的列别和输入指标向量间的非线性关系，这是线性核函数无法解决的。丛线性函数的惩罚因子和高斯径向基核函数的性能相关性可以得到，线性核函数是高斯径向基核函数的特例。核函数参数的数目影响模型的复杂性，高斯径向基核函数参数个数少，很少发生维数灾难，同时还具有较好的可分性和局部最优性，因此应用比较广泛，因此采用高斯径向基核。
对于分类算法的参数，本实施例选用的模型采用一对多的分类方法，具体的，
①设训练集T＝{(x1，y1)，...，(xi，yi)}∈(X×Y)i，其中Y＝{1，2，3，...4}。
②对j＝1，2，...4进行如下运算：把第j类看作正类，把其余的几类看作负类，用支持向量机求出决策函数fj＝sgn(gi(x))。
③判断输入x属于第J类，其中J是g1(x)、g2(x)、...、g4(x)中最大者的上标。对于惩罚参数C和Gauss径向基核函数参数的选取，采用交叉验证的方法进行筛选。即设定
Figure BDA0003815484090000111
进行不同组合来代入训练集，使得对训练集自身进行预测准确率达到最高，此时认为此参数是最优的。但此参数只是对训练集是最优参数，并不一定对预测集是最优的，通过模拟高压开关柜火灾真型试验，选取温度范围为20～350℃之间，不少于150组试验数据开展预警模型验证。首先数据进行归范化处理，然后进行核函数的选取，经过试验最终选定参数值，选定不敏感损失函数的参数ε＝e1参数C＝e2和核函数参数g＝e3，然后对测试数据中20组进行火灾风险等级测定，通过上述基于多数据融合的火灾预警方法的实施，为高压开关柜火灾模式精确在线融合识别、预警及安全防护方面提供积极有效实现手段。
参考图10，本实施例通过上位机10控制各组件对高压开关柜不同的起火原因进行模拟，从而研究高压开关柜的起火特征，分析火灾蔓延特性，对高压开关柜的消防工作提供理论指导。
同时，还能够基于该模拟研究装置训练和验证火灾预警组件，并进而验证消防灭火组件8的消防性能，确定高压开关柜的体积与灭火剂的用量之间的关系，确保灭火剂能够满足高压开关柜的消防灭火需求。
具体的，本实施例提供的高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置进行消防模拟的实验方法为，
(1)将所述测试系统、模拟故障点(电缆绝缘故障、相间绝缘故障、触头过热故障等)根据实验需要进行安装调试，保证其处于预期工作状态；
(2)安装消防灭火组件8并进行调试，在防护的区域，若有N个内部净容积为1m3的模拟柜体，则每一个模拟柜体配置一套。防护区灭火设计用量或惰化设计用量应按下式计算：
Figure BDA0003815484090000121
式中：M——灭火剂设计用量(kg)；C——灭火设计浓度(％)；S——灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容(m3/kg)；V——防护区的净容积(m3)；K——海拔修正系数，按现行国家标准《气体灭火系统设计规范》GB50370中附录B的规定取值；
S＝K1+K2T
式中：T——防护区内最低环境温度(℃)；K1＝0.0661；K2＝0.000274(NFPA规定为0.0002741)。
(3)安装调试应急备用灭火组件9待用，一旦火灾预警抑制装置启动较长一段时间后仍无法控灭火，立即启动扑灭火灾，此次灭火试验判定为失败；并在改变消防灭火组件8供给强度或其他试验条件后，重新试验；
(4)按照预定方案启动环境模拟组件4、烟气处理组件7，对模拟柜体内外部环境进行模拟，待达到预定阈值时停止，并记录试验开始时间；
(5)、启动所述加流组件5，对模拟故障点5-1进行加流，待达到阈值时较长一段时间后仍未引燃，立即停止加流，此次试验判定为失败；并在改变加流系统设定电流阈值或其他试验条件后，重新试验；
(6)模拟故障点被引燃时，记录试验着火时间，并开始计时；
(7)所述消防灭火组件8装置启动后，记录试验开始灭火时间，即设备响应时间，灭火介质释放结束后，计算灭火时间，即设备持续扑救时间；
(8)观察并记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度的变化情况以及灭火介质的喷射、覆盖情况和灭火效果；
(9)完成灭火后，记录火探管8-4破裂位置，整理试验过程采集的数据分析影响灭火效能的影响因素和灭火参数；
(10)试验结束后，关闭上述试验用系统装置并启动烟气处理组件7，清理试验场地，准备下次试验。
将加流组件5、模拟故障点5-1试验条件更换为燃烧试验装置内装入柜体内各室典型有机绝缘材料，上述试验方法还可适用于模拟各室典型有机绝缘材料火灾场景的引燃、发生、发展及灭火过程等，观察并记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度的变化情况以及灭火介质的喷射、覆盖情况和灭火效果。
将消防灭火组件8试验条件更换为二氧化碳、干粉、七氟丙烷等灭火装置，上述试验方法可通过观察并记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度的变化情况以及灭火介质的喷射、覆盖情况和防控灭火效果，对二氧化碳、干粉、七氟丙烷等灭火装置性能进行测试与评价。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：包括控制室和模拟室，所述模拟室内设置有至少一个模拟柜体，所述模拟柜体内设置有电路器件，所述模拟柜体上设置有消防灭火组件，所述消防灭火组件包括处于模拟柜体外侧的消防管道和在模拟柜体内部敷设固定的探火管，所述消防管道与探火管连接；
所述控制室内设置有上位机，所述上位机通信连接有测试组件、火灾预警组件和环境模拟组件，所述测试组件用于记录实验过程和实验数据，所述火灾预警组件根据实验数据对火情风险进行预警，所述环境模拟组件能够调整模拟室和模拟柜体内的温湿度环境。
2.根据权利要求1所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述测试组件包括设置于模拟柜体内部的故障模拟点附近的热电偶，和贴附在模拟柜体外表面的贴片式温度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述上位机还通信连接有烟气处理组件，所述烟气处理组件还包括依次串联的除水过滤器、降温机构、气体过滤器、取样泵、干燥器、流量计，所述除水过滤器与两个气体探测取样口通过阀门连接，两个所述气体探测取样口分别设置有模拟柜体的顶部和底部，所述降温机构内部设置有温度传感器，降温机构具有空腔和盘绕在空腔内的盘管，气体进入盘管后流向气体过滤器，所述降温机构上设置有与空腔连接的进水阀门；所述流量计与测试腔连接，所述测试腔内设置有非接触气体传感器和电化学传感器。
4.根据权利要求3所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述消防管道连接有固定在模拟柜体顶部的喷头，所述喷头具有感温玻璃球封堵，所述上位机能够获取所述感温玻璃球封堵的开闭状态，并控制所述感温玻璃球封堵打开。
5.根据权利要求4所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述消防管道连接有灭火剂储罐，所述灭火剂储罐倒置固定在模拟柜体的外侧，灭火剂储罐的出口设置有与上位机通信连接的流量计和压力传感器。
6.根据权利要求5所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述火灾预警组件包括温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元；
所述温度预警单元基于所述热电偶和贴片式温度传感器的探测温度进行火灾预警；所述风险预警单元通过训练的火灾预警模型进行火灾预警；所述消防预警单元基于消防灭火组件的状态进行火灾预警；
当所述温度预警单元、风险预警单元和消防预警单元中的至少两个判断存在火情风险时，所述上位机发出火情预警信号。
7.根据权利要求6所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述温度预警单元的预警规则为，
定温阈值预警，设置至少一个温度阈值，检测温度达到设置阈值时发出报警信号；
和/或差温阈值预警，设置温度差值阈值，如果模拟柜体内部不同区域的温度差值超过差值阈值，发出报警信号。
8.根据权利要求6所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述消防预警单元的预警方法为，通过上位机检测灭火剂储罐的流量和压力，当检测到灭火剂压力降低，流量增加时，发出火灾预警信号。
9.根据权利要求6所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：所述火灾预警模型的训练方法包括以下步骤，
S1：通过前期模拟实验采集温度数据和烟气处理组件的烟气成分数据，并人工标识在每组烟气数据和温度数据下的火灾危险等级；
S2：对输入数据集合进行规范化处理；
S3：构建训练模型，输入数据；所述训练模型包括数据层、特征层和决策层，所述数据层采用SVM算法对输入参数的特征信息进行预处理，剔除异常数据和缺失数据的影响；所述特征层对数据进行融合，建立MPSO-SVM融合识别方法的模型，挖掘特征信息的变化规律和发展趋势，所述决策层采用多回归-单分类LS-SVM的的高压开关柜火灾多组分指标气体和温度多变量融合识别方法，对特征信息进行态势评价和威胁估计；
其中，通过S1中采集的数据构建训练集，将气体浓度与温度数据融合在一起得到集合T＝{(x1,y1),...,(xi,yi)}，其中，气体浓度参数xi∈X∈{1,2,...,n}，n为指标气体的维数，即指标气体的种类；温度等级yi∈Y＝{1,2,...,m}，其中m为温度的等级数，将人为划分的危险等级作为输出；与输入数据集合一一对应；
在S2中通过公式
Figure FDA0003815484080000021
对数据进行规范化处理，其中u代表处理后数据的上限，Z代表处理后数据的下限，max代表处理前该特征数据的最大值，min代表处理前该特征数据的最小值；
对于S3构建的训练模型，
核函数采用高斯径向基核函数，
Figure FDA0003815484080000022
x表示到某一中心x′之间欧氏距离，x′为核函数中心，g为函数的宽度参数,控制了函数的径向作用范围。
10.根据权利要求3所述的一种高压开关柜火灾预警及抑制模拟研究装置，其特征在于：
所述测试组件还包括设置于模拟室四角的第一红外视频监控器和第一可见光视频监控器、和设置于模拟柜体内部的第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器，所述第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器通过柜内视频采集支架固定在模拟柜体内部，所述柜内视频采集支架包括底座，固定在底座上的固定杆、与固定杆插接配合的调节杆，所述调节杆能够相对固定杆自由伸缩，所述调节杆上设置有两个安装架，其中顶部的安装架固定在调节杆的顶端，另一个安装架滑动套设在所述调节杆上，滑动设置的安装架通过第一螺栓拧紧固定在所述调节杆上，所述固定杆上沿径向设置有顶紧调节杆的第二螺栓；所述第二红外视频监控器和第二可见光视频监控器固定在两个所述安装架上；
所述热电偶通过热电偶采集支架固定在所述模拟柜体内，所述热电偶采集支架包括沿模拟柜体的内壁设置的耐火板、固定在耐火板上的热电偶固定杆，热电偶安装固定在所述热电偶固定杆上；
所述环境模拟组件包括第一环境模拟机组和第二环境模拟机组，所述第一环境模拟机组连接有风道分流器，所述风道分流器的每个出口分别连接到一个模拟柜体的底部进风口位置；所述第二环境模拟机组并联连接有多个处于模拟室内的调节风口，模拟室相对的两侧墙壁上分别设置有鼓风机和排风机，所述模拟室四个侧壁上分别设置有温湿度传感器，其中靠近每个鼓风机和排风机的位置分别设置有所述温湿度传感器；
所述控制室和模拟室均通过防火砖砌筑得到，所述模拟室的底部设置有与控制室和模拟柜体连接的穿线沟，和连接两侧穿线沟的布线沟，线缆沿布线沟从底部连接到模拟柜体内部，模拟室内的线缆通过布线沟隐藏布线；
所述模拟柜体底部设置有进风口，顶部设置有出风口，底部通过防火封堵材料阻隔，所述模拟柜体内部分别设置有母线室、电缆室、断路器室和继电器仪表室，所述母线室内设置有母线，电缆室内设置有电流互感器、接地开关、避雷器、电缆和静触头，所述接地开关下方设置有柜内温湿度传感器，所述断路器室内部设置有断路器手车；
所述模拟柜体表面分别在母线室、电缆室、断路器是和继电器仪表室上设置有面板，所述面板外侧贴附有所述的贴片式温度传感器，面板表面设置有模拟柜体红外监控窗口和模拟柜体可见光监视窗口；
所述上位机还通信连接有加流组件，所述加流组件包括固定在控制室内的加流装置，所述加流装置通过线缆与模拟故障点连接，向模拟故障点提供电流，通过电流互感器反馈信号，上位机调节加流装置将试验电流控制在阈值范围内；
所述上位机还通信连接有应急备用灭火组件，所述应急备用灭火组件包括设置在控制室的干粉储罐、消防气体储罐和惰性气体储罐，所述干粉储罐、消防气体储罐和惰性气体储罐并联至混合器上，所述混合器通过管道连接有处于模拟柜体顶部的灭火剂释放口。
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