CN205786301U - 一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统 - Google Patents
一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，由聚合物热解挥发气体收集池、电磁阀、抽气泵、气体分析仪、电参数测量传感器、电参数测量仪、处理器单元组成，电参数测量传感器设置在被监测物理空间的配电系统回路中，其输出端经电参数测量仪通至处理器单元，聚合物热解挥发气体收集池设置在被监测物理空间内，其出气口经电磁阀及抽气泵与气体分析仪的气室入口相通，抽气泵通过电磁阀将被监测物理空间的空气抽至气体分析仪的气室，气体分析仪的输出端与处理器单元的气体信息输入端联接，处理器单元的输出控制端通过互联网与消防联动控制系统进行互联，以实现低压配电系统电气火灾阴燃隐患的快速辨别和预警。
Description
技术领域
本实用新型属于电气火灾早期监测预警技术领域，特别涉及一种基于线缆聚合物热解挥发气体精细探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统。
背景技术
电力事业的迅猛发展，给人们的生产和生活提供了诸多便利，但随着电线电缆、电力电子设备数量的不断增加，电气火灾发生机率也逐年递增，严重地威胁着人民的生命及财产安全。电气火灾是指由电能充当了火源或燃烧物而引起的火灾，一般是指由于电气线路、供配电设备及器具等出现故障，以温度显著过高、炙热表面、电弧等形式散发热量，在火灾引燃条件具备的情况下自燃或引燃周围可燃物而形成的火灾。据近10年来公安部消防局火灾统计数据表明：火灾发生频次逐年增加，而电气火灾发生频次则占据火灾总数的30％以上。由于电气火灾主要发生在建筑物内，如影院、商场、图书馆、医院、中小学校、居民住宅，地铁等人员密集、疏散困难、排烟不畅的场所，极容易造成群死群伤的重特大事故，又由于电气系统分布广泛、长期持续运行，电气线路又通常敷设在如吊顶、电缆沟内等空间狭小的隐蔽处，因此，隐匿期或早期的电气火灾由于信号微弱、信号特征不明显以及位置隐蔽等原因而很难被发现。此外，由于大部分电气线路的绝缘及护套材料都是由各种聚合物组成的，其燃烧时会产生大量烟雾及有害气体，浓烟及有害气体致使现场能见度低、呼吸困难，给灭火搜救和人员疏散造成严重阻碍和威胁，且由于线缆集中敷设，一旦起火，将迅速燃烧，难于扑灭，很容易导致火灾事故的扩大。因此，为保证人民生命及财产的安全，减少乃至消除电气火灾，刻不容缓。
以往电气火灾的发生多为电气故障(短路、过载、接触不良等)导致线路异常高温而使得绝缘层自燃或引燃周围可燃物所引起，由于绝缘层的老化过程缓慢以及阻燃电缆的使用，通常火灾隐患具有较长的潜伏期，在电线起火或点燃周围可燃物之前，甚至阴燃阶段之前探测到隐患，非常有利于消除火灾，降低电气事故风险。
目前，早期电气火灾的探测技术都是通过检测电气线路的运行状况来预报早期电气火灾，通常采用的保护方法为安装相应的保护装置，如断路器、剩余电流动作保护装置等。这些方法虽然在探测早期电气火灾方面取得了较大成果，但受到检测原理等的限制，不能有效处理电弧、绝缘引起的电气火灾隐患，更不能进行电气火灾阴燃阶段隐患辨识，极易产生误报、漏报现象。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于线缆聚合物热解挥发气体精细探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，以解决目前本领域存在的早期电气火灾阴燃隐患辨识的难题，提高电气火灾阴燃阶段隐患识别的准确性，降低误报率，实现电气火灾隐患全天时绝对探测和提前预警。
为了实现上述发明目的而采取技术方案是：
一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，由聚合物热解挥发气体收集池、电磁阀、抽气泵、气体分析仪、电参数测量传感器、电参数测量仪、处理器单元组成，电参数测量传感器设置在被监测物理空间的配电系统回路中，其输出端与电参数测量仪相连，电参数测量仪通过电参数测量传感器实时获取配电系统线缆流过的电参数信息并传送给处理器单元的电参数信息输入端，聚合物热解挥发气体收集池设置在被监测物理空间内，聚合物热解挥发气体收集池的出气口与电磁阀的进气口相连通，电磁阀的出气口与抽气泵的进气口相连通，抽气泵的出气口与气体分析仪的气室入口相连通，抽气泵通过电磁阀将被监测物理空间的空气抽至气体分析仪的气室，气体分析仪的输出端与处理器单元的气体信息输入端联接，处理器单元的输出控制端通过互联网与消防联动控制系统进行互联，以实现低压配电系统电气火灾阴燃隐患的快速辨别和预警。
上述基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统中，气体分析仪采用色散红外气体分析仪、傅里叶变换红外光谱气体分析仪或激光可调谐二极管红外光谱吸收光谱气体分析仪。
上述基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统中，电参数测量仪采用型号为HV2002D-XF-02或HV2002D-XF-22的器件。
上述基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统中，处理器单元采用内置多路A/D的数字信号处理器，如TMS320F281X系列、DsPIC30F601X系列处理器单元等，也可采用EPM7128S或具有类似功能的集成电路器件。
采用上述系统在被监测物理空间内进行电气火灾阴燃隐患辨识的步骤包括：
1)抽气泵通过电磁阀将被监测物理空间的空气抽至气体分析仪气室进行高精度在线定量分析，得到被监测物理空间中聚合物热解挥发气体的浓度数据(或红外光谱图)；
2)气体分析仪将被监测物理空间中聚合物热解挥发气体的浓度信号传输给处理器单元，通过处理器单元对被监测物理空间聚合物热解挥发气体的浓度进行分析研究，获得线缆聚合物热解挥发特征气体的浓度变化规律，从而进行聚合物燃烧点阈值(即早期隐患识别判据)趋势的分析；
3)电参数测量仪将实时测量获得的多相电压、电流、有功功率、无功功率、谐波功率等参数传输给处理器单元，由处理器单元准确监测配电系统中用电负荷的变化，并根据电参数的异常特征建立线缆故障诊断判据；
4)通过处理器单元综合考虑气体挥发量与线缆电参数、环境温湿度、背景气体之间的相关特性，开展数据交互验证和融合分析，建立电气火灾阴燃隐患辨识模型，并结合现场实验解析线缆聚合物热解挥发气体量与聚合物成分、聚合物燃烧熔点阈值、线缆通过电参数之间的变化规律，优化电气火灾阴燃隐患辨识判据，给出监测结果，进而实现低压配电系统电气火灾阴燃隐患的快速辨别和预警。
本实用新型的有益效果是，相对于现有早期电气火灾辨识及防控技术，本实用新型基于红外光谱分析原理精细探测聚合物热解挥发气体成分和浓度信息，以线缆聚合物在受热时因分子链的断裂和分解而产生的微量气体为研究对象，考虑到气体挥发量与线缆电参数、环境温湿度、背景气体之间的相关特性，利用气体分析仪的红外光谱吸收原理，综合考虑气体挥发量与线缆电参数、环境温湿度、背景气体之间的相关特性，提取各组分气体量随时间变化的有效过程特征，通过处理器单元处理获得电气火灾阴燃隐患的快速辨识判据，并综合测判给出监测结果，实现了电气火灾阴燃隐患的快速辨别和提前预警，具有速度快、精度高、使用寿命长及可靠性高的特点，有望实现阴燃火灾隐患的提前预警，为消防部门火灾早期监测和预警提供有效的监测手段，减少损失，具有重要的科学意义与重大社会应用需求，故其是一种全新的电气火灾探测理念和技术探索。
附图说明
图1是本实用新型所述电气火灾阴燃隐患辨识系统的结构原理图。
图2是电气火灾隐患辨别特征气体提取和标定流程图。
图中各数字标号的名称分别是：1－电缆绝缘层聚合物，2－电缆芯，3－配电系统电源，4－电参数测量传感器，5－聚合物热解挥发气体收集池，6－用电负载，7－电磁阀，8－抽气泵，9－气体分析仪，10－处理器单元，11－电参数测量仪。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型内容做进一步说明。
参见附图1，本实用新型是一种基于线缆聚合物热解挥发气体精细探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，由电参数测量传感器4、聚合物热解挥发气体收集池5、电磁阀7、抽气泵8、气体分析仪9、处理器单元10、电参数测量仪11组成。其中，电磁阀7的进气口设置在热解挥发气体收集池5内，电磁阀7的出气口与抽气泵8相连通，抽气泵8用于将气体收集池5内的气体抽至气体分析仪9的气室中。气体分析仪9实时分析和处理线缆绝缘层聚合物1热解挥发气体的成分和光谱浓度特征信息并传送给处理器单元10，电参数测量仪11通过电参数测量传感器4实时获取电缆芯2上流过的配电系统电源3输送给用电负载6的电参数信息并传送给处理器单元10，处理器单元10接收气体分析仪数据，进而完成聚合物热解挥发气体成分和光谱信息特征提取、甄别，结合电参数信息进行火灾隐患辨识分析，并将分析结果通过互联网与消防联动控制系统互联，以期实现低压配电系统电气火灾阴燃隐患的快速辨别和预警。实际应用结构中，处理器单元可采用内置多路A/D的数字信号处理器，如TMS320F281X系列、DsPIC30F601X系列处理器单元等，也可采用EPM7128S或具有类似功能的集成电路器件。
在日常生活及工作设施中，配电系统使用的线缆类型多种多样，常用线缆材料有聚氯乙烯(PVC)、乙烯共聚物(PE)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚丙烯(PP)、氯丁二烯等。这些聚合物在受热时可以造成分子链的断裂和不断分解，并最终以微量气体的形式被挥发出来，除CO和CO2等常规气体外，不同的聚合物在热分解过程中会产生不同的挥发性有机气体，因此说线缆绝缘层聚合物热解挥发气体成分与浓度的分析是判断被测物理空间是否存在电气火灾阴燃隐患的重点。由于线缆绝缘层聚合物具有高温热分解特性，在高于额定温度工作时将会释放出特定的气体，这些挥发的微量气体可以作为早期火灾特征进行火灾隐患辨识。线缆绝缘层聚合物热解挥发微量气体红外光谱在线扫描分析系统的硬件平台包括气体分析仪及处理器单元，其中气体分析仪是电气火灾阴燃隐患辨识系统的核心，它的工作原理是基于红外光谱吸收原理的气体定量分析技术，可根据应用场合选用不同类型，以扫描和存储线缆挥发气体的样本光谱数据。例如：对于气体成分少，背景气体比较单一、对检测精度要求不高的应用场所可选择色散红外气体分析仪；对气体成分多、背景复杂的应用场所可选择傅里叶变换红外光谱气体分析仪(简称FTIR光谱仪)；对灵敏度要求高且挥发气体成分相对简单且挥发量微弱的应用场合，可选用激光可调谐二极管红外光谱吸收光谱气体分析仪；气体分析仪不仅局限于上述三种类型，基于光谱谱线吸收原理的均可灵活选用，甚至是多种类型的联合使用。以聚氯乙烯(PVC)材料的电缆为例，利用气相色谱仪或者红外光谱仪获取其热解挥发的有机物包括：乙醇(CH3CH2OH)、三氯甲烷(CHCl3)、正丁醇(CH3(CH2)3OH)、苯(C6H6)、正庚烷(C7H16)、三氯乙烯(ClCHCCl2)、甲苯(C7H8)、二甲苯(C8H10)、2-乙基己醇(C8H18O)、丙三醇(CH2OH-CHOH-CH2OH)等，实际工作中，通过硬件平台中的气体分析仪获取这些气体红外吸收光谱特性并传送给处理器单元，进而利用处理器单元建立特征气体分析模型并进行数据分析，得到所测量的物理空间特征气体浓度数据并判断聚合物燃烧点阈值变化趋势。其它材料线缆亦可以同样的方法进行特征气体选择、建立模型，并进行数据分析，获得特征气体浓度数据并判断聚合物燃烧点阈值变化趋势。最后利用上述的硬件平台对聚合物热解挥发微量气体进行扫描获得其红外光谱图，并分析红外光谱特征，确定热解挥发微量气体的成分和浓度信息，确定早期电气火灾隐患特征气体。
本实用新型所用电参数测量仪可采用型号为HV2002D-XF-02、HV2002D-XF-22等集电流、电压测量与功率、谐波计算于一体的器件，具有多相电压、电流、有功功率、无功功率、谐波功率计算功能，可准确监测配电系统中用电负荷的变化，并根据电参数的异常特征可作为线缆故障诊断的判据之一。
气体分析仪扫描得到的光谱中信息量非常大，许多的有用信息淹没在背景物质的光谱中，要从大信息量的光谱中获得最佳分析结果，需要根据气体分析仪的特性，针对性设计学习样本、配制样本、采集样本、光谱预处理、特征提取及选择、建立检测模型、光谱信号确认与修正(建立回归模型)、对比实验和分析等步骤，其定量分析流程如附图2所示。首先对红外光谱仪进行改装，并用改装后的红外光谱仪开展光谱扫描实验，获取聚合物热解挥发微量气体的红外吸收光谱，分析其光谱吸收特性，确定线缆聚合物热解挥发气体成分，从而确定样本分布空间，并制作标定光谱仪的热解特征气体样本，提取特征变量并以此为输入，建立各特征气体的分析模型。用这些模型对电气火灾产生的特征气体红外吸收光谱进行分析，根据分析结果来识别光谱的畸变情况及光谱漂移情况，开发容错处理算法，并对这些光谱进行容错处理。对处理后的光谱重新分析，并根据分析结果重构光谱，如果重构光谱与初始光谱重叠，说明电缆聚合物热解挥发的气体中没有新的组分出现，否则，可能有新组分。此时，用气体分析仪对该气体重新分析，确定存在的气体组分，将该组分的光谱添加到训练样本集合中，并重新获取气体定量分析模型，直到不再发现新组分为止，根据全部模拟电气火灾产生的气体的分析结果，获取早期电气火灾隐患相关的聚合物热解挥发气体特征气体光谱数据库。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，其特征在于：由聚合物热解挥发气体收集池(5)、电磁阀(7)、抽气泵(8)、气体分析仪(9)、电参数测量传感器(4)、电参数测量仪(11)、处理器单元(10)组成，电参数测量传感器(4)设置在被监测物理空间的配电系统回路中，其输出端与电参数测量仪(11)相连，电参数测量仪(11)通过电参数测量传感器(4)实时获取配电系统线缆流过的电参数信息并传送给处理器单元(10)的电参数信息输入端，聚合物热解挥发气体收集池(5)设置在被监测物理空间内，聚合物热解挥发气体收集池(5)的出气口与电磁阀(7)的进气口相连通，电磁阀(7)的出气口与抽气泵(8)的进气口相连通，抽气泵(8)的出气口与气体分析仪(9)的气室入口相连通，抽气泵(8)通过电磁阀(7)将被监测物理空间的空气抽至气体分析仪(9)的气室，气体分析仪(9)的输出端与处理器单元(10)的气体信息输入端联接，处理器单元(10)的输出控制端通过互联网与消防联动控制系统进行互联。
2.根据权利要求1所述的基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，其特征在于：所述的气体分析仪(9)采用色散红外气体分析仪、傅里叶变换红外光谱气体分析仪或激光可调谐二极管红外光谱吸收光谱气体分析仪。
3.根据权利要求1所述的基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，其特征在于：所述的电参数测量仪(11)采用型号为HV2002D-XF-02或HV2002D-XF-22的器件。
4.根据权利要求1所述的基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统，其特征在于：所述的处理器单元(10)采用内置多路A/D的数字信号处理器，或采用型号为EPM7128S的集成电路器件。
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| CN106018318A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-10-12 | 西安理工大学 | 一种基于挥发气体探测的电气火灾阴燃隐患辨识系统 |
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