邵 成,陳 波,張忠杰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

隨著我國客運專線、高速鐵路的建設步伐加快,對牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性也提出更高要求,變電站管理模式也逐步過渡為無人值班模式,牽引變電所為實現無人值班及供電安全，按照設計規(guī)范一般除了綜合自動化系統(tǒng)外,還配套設計視頻安全監(jiān)控、設備在線監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測控制等安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保牽引供電安全可靠,但從實際運營過程來看,效果還不太理想,存在一定問題,安全監(jiān)控系統(tǒng)自身安全可靠性也需要深入分析,確定更加合理的設計方案。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)主要面臨問題

工程設計中牽引變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)根據實際現場需求主要包括視頻監(jiān)控設備,高壓電氣設備在線監(jiān)測設備以及所內環(huán)境監(jiān)測控制設備及消防安全自動化設備、地震監(jiān)測設備等部分,根據專業(yè)劃分,有關消防安全設備由房建專業(yè)設計,視頻監(jiān)控系統(tǒng)由通信或電化專業(yè)設計,設備在線監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)控設備由電化專業(yè)設計。由于專業(yè)設計角度不同,技術接口也未明確。所以各部分投入使用后一般也均為分立系統(tǒng),設備相互之間很難執(zhí)行信息共享及聯(lián)動,目前國內還沒有完整的牽引變電所安全監(jiān)控的解決方案。大多數牽引變電所的安全防護都處在非智能范疇,例如視頻監(jiān)控目前尚停留在普通的網絡視頻監(jiān)控上,只是視覺監(jiān)視的遠程的延伸,還不具備智能化視頻監(jiān)控的目標。其次,各安全防護設備各系統(tǒng)間相互獨立,只能提供現場的監(jiān)視信息,尚不能為運營管理人員提供智能化判斷和決策依據,必須人工輔助分析。有的設備安裝地點設計不合理,距離高壓帶電設備過近,檢修時要停電。另外,投入的安全監(jiān)控及防護設備由于設備自身質量、施工安裝工藝及維護不到位等原因,往往系統(tǒng)投運時間不長就發(fā)生設備故障、頻繁誤報警等現象,運營管理部門往往不會向管理綜合自動化系統(tǒng)那樣及時認真迅速處置,往往不做深入分析和故障排查,甚至對誤報警干擾有時只是簡單關閉報警項,這樣會存在很大的安全隱患,也完全忽視了設計安全監(jiān)控系統(tǒng)的初衷,造成投資的極大浪費。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)主要設計原則

預防為主是系統(tǒng)設備安全管理的基本原則,變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用即保障所內良好的設備工作環(huán)境,并實時監(jiān)測牽引供電設備運行工況,防止牽引供電系統(tǒng)帶病運行,提前排查隱患,為牽引變電所的供電安全、設備安全提供技術保障。實現手段即以管理為核心,通過智能化手段,營造一個安全、可靠、節(jié)能的設備運行空間。安全監(jiān)控系統(tǒng)設計以結構化、規(guī)范化、模塊化、集成化、智能化的方式實現。其主要構成包括運行設備狀態(tài)遠程圖像監(jiān)視,入侵檢測,環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控,設備運行參數狀態(tài)監(jiān)測等幾部分。

安全監(jiān)控系統(tǒng)組網示意見圖1。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)組網示意

系統(tǒng)各部分設計要點總結如下。

(1)運行設備狀態(tài)遠程監(jiān)視：根據場地條件、設備布點、設備區(qū)監(jiān)視目標及范圍等綜合考慮,配置攝像機數量及安裝位置,安裝方式以及攝像機選型及配套件如補光燈的設置,對于變電站主要監(jiān)視區(qū)域為入口處、場地設備區(qū)、高壓室設備區(qū)、監(jiān)控設備區(qū)等部分。

(2)入侵檢測：紅外或激光圍禁作為入侵檢測的外圍設備安裝后應具備防拆卸措施,電源及信號線隱蔽且具有防短路保護功能。當發(fā)生非法翻越情況時,啟動信號報警,區(qū)域攝像機則按預置位轉向報警區(qū)域,當照明條件不滿足要求時,自動打開本區(qū)投光燈,并自動啟動硬盤錄像和遠方監(jiān)控畫面的視場切換。

門禁、玻璃破碎報警單元輸出繼電器接點給視頻監(jiān)控的矩陣報警輸入模塊和DVR的報警輸入端,以實現對受控門點或相關部位的圖像監(jiān)視錄像功能。

關鍵點如入口及場地攝像機可設計滿足在復雜的天氣和光線環(huán)境中精確偵測和識別單個或多個目標的運動情況、運動方向、運動特征等的智能攝像機。通過設置一定的安全規(guī)則定義報警的條件,一旦有運動目標侵入設定的保護區(qū)域,系統(tǒng)立即在視頻畫面中標識鎖定目標并觸發(fā)報警。

(3)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控：設備運行溫濕度監(jiān)測及控制,水淹檢測報警,地震監(jiān)測,火災探測,視場照度控制等。

環(huán)境監(jiān)控單元根據采集室內的溫濕度信息可自動啟?？照{、加熱設備,使室溫滿足有關設備運行工況?？照{應采用帶智能接口的網絡空調。系統(tǒng)控制策略以節(jié)能為主要原則,并兼顧設備運行環(huán)境要求和空調啟動次數最少的要求。

消防單元通過采集監(jiān)測區(qū)域的有關溫度、煙感信息,實現對站內火災智能化監(jiān)測、遠程報警和自動泡沫滅火及相關電源自動切除處理,同時可觸發(fā)本區(qū)域的監(jiān)視攝像機，通過預置位聯(lián)動模式自動將畫面切換到火災發(fā)生地點。

地震監(jiān)測設備啟動后聯(lián)動切除牽引變電所進線斷路器,對運行線路斷電,切除運行列車電源,防止災害情況下次生觸電災害的發(fā)生。

水浸傳感器檢測電纜溝進水情況并及時報警,有條件的可自動啟動排水泵,防止電纜長期浸泡導致絕緣故障。

視場照度控制一般與監(jiān)控攝像機配合使用,當視場照度不足時可啟動照明或補光燈,滿足形成良好的視場圖像條件。

(4)設備運行參數在線監(jiān)測

牽引供電設備運行參數在線監(jiān)測設備主要包括設備絕緣參數監(jiān)測、變壓器油色譜監(jiān)測、電纜頭、電纜及開關柜觸頭溫度監(jiān)測等。

根據設備重要程度及電壓等級一般在變壓器高壓側設置必要的斷路器、互感器、避雷器絕緣參數監(jiān)測設備,主要對泄漏電流、介損、電容值等參數進行實時監(jiān)測,對變壓器主要監(jiān)測油中氣體及微水含量及鐵芯接地電流,高壓電纜及開關柜主要采用光纖監(jiān)測溫度,達到排查故障隱患的目的。

絕緣參數監(jiān)測設備安裝及檢測原理不得改變原有設備接線及接地方式。

上述視頻監(jiān)控設備可與綜合自動化系統(tǒng)、環(huán)境安全監(jiān)控設備、在線監(jiān)測設備形成聯(lián)動,通過統(tǒng)一的安防系統(tǒng)監(jiān)控平臺設置。

變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)要求設置合理,要充分考慮系統(tǒng)功能的擴展,在監(jiān)測原理、設備選型、供電、組網接線、施工工藝、維護等各個環(huán)節(jié)充分考慮系統(tǒng)架構的合理性,安裝及維修便利性等保證系統(tǒng)的安全可靠性。系統(tǒng)應具有自診斷和自恢復功能,當診斷出故障或異常時能自動閉鎖或退出故障單元及設備,并發(fā)出告警信號以便及時維修處置。系統(tǒng)具備必要的容錯性,當某一單元故障或退出均不影響系統(tǒng)整體的正常運行。

3 主要設備選型及施工安裝

3.1 主要設備選型安裝

(1)編解碼器

視頻監(jiān)控環(huán)節(jié)主要部件除了前端攝像機,關鍵核心設備即為編解碼器,它的好壞直接關系產品質量、圖像質量及系統(tǒng)穩(wěn)定性。選擇編解碼器主要關注在同一網絡帶寬約束下的編解碼格式、傳輸特性、圖像質量等指標。要選擇支持MPEG-4和H.264編碼格式的編解碼器,傳輸速率及清晰度也可在一定的范圍內作相應的變化,便于用戶根據自己對錄像時間、傳輸路數和清晰度的不同要求進行不同的設置,提高系統(tǒng)使用時的適應性和靈活性。也可采用動態(tài)偵測技術,動態(tài)時快錄,靜態(tài)時慢錄,從而減少平均數據量,節(jié)省存儲空間。而且當傳輸有誤碼或丟包現象時能迅速恢復。

(2)攝像機

根據使用功能和安裝環(huán)境不同,變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)應選用不同的攝像機。根據監(jiān)視點實際需要一般要明確監(jiān)視距離、視場大小、照度范圍、背景條件等指標。變電所室外主變、進線、高壓設備處以及主控室、高壓室內應選擇一體化球機,可以控制云臺觀看不同位置處圖像,在電容室等觀看對象較為集中的地方安裝固定攝像機。如果需要夜間觀看圖像,須選裝帶紅外或激光補光功能的攝像機,或者單獨安裝補光燈。

攝像機、補光燈的安裝距離需要滿足高壓設備的安全凈距。根據不同視角采用壁裝或吊裝方式。攝像機支架、吊桿的強度須保證對攝像機和云臺的支撐,支架、吊桿安裝座與墻壁、屋頂等安裝部位用指定的膨脹螺栓固定,不可采用直徑小于要求的螺栓,不可少于要求的安裝數量。

(3)圍禁設備(圖2)

圍禁設備如紅外對射,激光對射要選擇長壽命,安裝自由度可調節(jié)的設備。對射傳感器的安裝必須遵循成對安裝,次序排列,高度一致,水平對齊的原則。即發(fā)射端加接收端組成一個有效防護單元,圍墻幾個墻體的防護單元從發(fā)射端到接收端的光線發(fā)射順序必須保持一致。

保持對射收發(fā)器安裝在同一高度,并且水平相向對齊。

圖2 圍禁設備施工安裝布置

(4)煙感

煙感探測器必須選擇消防認證的產品,探測器要安裝在被探測設備的上方,便于火災氣體和煙霧的收集,采用吸頂安裝,每一種煙感探測器都有一定的保護范圍,被探測設備必須安裝在煙感的有效保護范圍內。

(5)碎窗

碎窗傳感器具有一定的探測距離和范圍,可以安裝于天花板,或與玻璃相對的墻上,玻璃任一角距碎窗探測器不可超出保護距離和探測角度限制,避開干擾源。一般情況下,不要安裝在距被保護玻璃所在墻壁、或任一堅硬回音墻壁1.5 m以內的地方。

(6)纜式火災探測器(圖3)

纜式火災探測器與電纜溝內被檢測電纜接觸或懸掛安裝,正弦波方式敷設,感溫電纜不能承受積壓和拉力,間隔半個波長用塑料卡具固定,避免感溫電纜打結,嚴重扭折或彎曲,感溫電纜不可與其他電纜或電纜橋架短路。

圖3 纜式火災探測設備安裝示意

(7)光纖測溫傳感器

由于牽引變電所采用大量高壓電纜連接變壓器及開關柜以及上網供電線,且電纜過熱故障90%以上發(fā)生在接頭處,因此在設計中一般都配置光纖電纜測溫設備。工程安裝中一般將光纖溫度傳感器布設在電纜接頭的外封套上,在最靠近接頭處用環(huán)氧導熱膠將光纖傳感器固定在上面,為保證牢固需要用防火耐熱尼龍帶將傳感器緊固。注意安裝前要對電纜接頭外封套進行灰塵、鐵銹、污物等的清潔工作。

(8)水浸傳感器

水浸傳感器主要探測變電所電纜溝內積水,探頭及供電回路、信號接點傳輸回路必須考慮防水要求,探頭電極一般采用薄不銹鋼材料,固定在絕緣板上,保證長期浸在水中不會銹蝕及失效。探測器應豎直安裝,有足夠長度,電源及信號接頭采用防水航空連接組件,浸于水中也不會短路。

(9)門禁

鎖具選擇在門禁系統(tǒng)中是比較重要的環(huán)節(jié),一般在設計階段只是平面圖,只能看出是單扇還是雙扇門,電磁鎖是最佳選擇,安裝方便,適合各種門。同時設計要注意電磁鎖應具備火災報警自動釋放功能,防止在有人檢修試驗時突發(fā)火災由于安全門或檢修門鎖閉導致事故發(fā)生。

(10)泄漏電流傳感器

泄漏電流傳感器是在線監(jiān)測設備的主要參數采集設備。傳感器是信號采樣的關鍵環(huán)節(jié),尤其作為強電磁干擾環(huán)境中的微弱電流采集的傳感器,戶外安裝應采用高可靠傳感器。結構應采用穿芯式,套在設備末屏或末端接地線上來獲取泄漏電流信號,這種方式不影響被監(jiān)測高壓設備的原有接線方式,安全可靠性好。電流傳感器材料應選用起始導磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯,并采用深度負反饋補償技術對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償,使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態(tài),同時需對線圈進行屏蔽,可有效提高傳感器角差和比差的穩(wěn)定性,并使傳感器具有良好的溫度特性。

3.2 電源及電纜敷設3.2.1 供電電源

供電電源要按電壓等級、分類分群設置策略,每路按設備容量獨立考慮,各供電回路之間考慮必要的隔離限壓限流措施,防止一路故障影響其他設備的正常運行。

對于長線供電要考慮電壓衰減影響。例如變電所內距離監(jiān)控主機較遠的攝像機若按照其供電電源要求直接輸送低電壓(如DC12V,AC24V)很容易衰減和受干擾,造成攝像機工作狀態(tài)不穩(wěn)定,因此對于遠距離供電的攝像機,設計時需要直接輸送AC220V電源,在攝像機處再配置輸入電壓范圍寬,密封性好的開關電源或線性電源轉換成設備需要的低電壓。

為了避免AC220V受高壓干擾,以及本身對信號線、視頻線的干擾,電源電纜要選擇帶屏蔽層的電纜,屏蔽層密度也要符合要求。同樣,信號線、視頻線也要選用帶屏蔽的優(yōu)質電纜。

電纜線徑的選擇需要考慮功耗、衰減條件,滿足布線距離的要求。

3.2.2 電纜敷設及支架安裝

安全監(jiān)控系統(tǒng)電纜走線需要穿管,明鋪配管要求橫平豎直、整齊美觀,可以選用PVC管或線槽,有可能產生高壓干擾的地方須配鋼管,暗配管要求盡可能做到管路簡潔有效、減少彎頭,必須選用鋼管。管內穿線截面積和最多不可超過管內孔截面積的70%,彎曲半徑應符合所穿入電纜彎曲半徑的規(guī)定。電纜避免接頭,如不得已則需要壓接或焊接,接頭處不可著力。交流電源線需要單獨穿管,不能與信號線和低壓直流電源線穿在同一管內。

各類攝像機、紅外及激光對射傳感器等都配套有安裝支架,支架安裝是系統(tǒng)可靠運行的重要保障,如圍墻支架安裝要考慮基礎沉降、平整性及風偏影響,固定或預埋要牢固,支架應有足夠強度,外力作用下不應產生晃動。

3.3 戶外安裝設備電磁兼容及防雷

3.3.1 電磁兼容性

各類安全監(jiān)控前端設備要滿足電磁兼容試驗標準,傳輸信號電纜屏蔽性能、安裝接線工藝要符合要求,外殼盡量采用金屬屏蔽罩。設備采用一點接地措施。以變電所關鍵設備攝像機安裝為例,當變電所安裝的室內或室外攝像機與視頻監(jiān)控主機多點接地,容易在攝像機和監(jiān)控主機多個接地點間產生地電位差,從而產生地電流對圖像傳輸產生干擾。表現為視頻圖像上存在寬暗橫帶持續(xù)不斷滾動或圖像扭曲。為了避免地環(huán)路干擾,變電所內安裝攝像機時一定要注意使攝像機和監(jiān)控主機具有共同的接地。施工中,攝像機與安裝位置處不接地,接地線引入室內監(jiān)控機柜與監(jiān)控主機接入同一接地點。如圖4所示。

圖4 戶外攝像機接地施工工藝

3.3.2 防雷

由于安全監(jiān)控設備大多安裝在戶外開放地點,有的還處于環(huán)境高點,容易遭受雷電襲擊,必須考慮防雷措施。目前戶外安裝的設備防雷有時存在著一定誤區(qū),簡單的以為接地即防雷,錯誤地用防雷器預防雷擊等。

以戶外攝像機為例,當雷擊發(fā)生時,如果室外攝像機直接接地,雷擊產生的高電壓會使避雷針和室外攝像機接地處形成地回路,產生地電流,從而擊毀攝像機,甚至電流會沿著連接線纜使監(jiān)控主機等室內設備都受到影響。

因此室外攝像機的防雷需要避免雷擊地回路的產生,室外攝像機不能安裝在避雷針上,要單獨立桿安裝并且盡量絕緣,安裝不可直接接地,且立桿應處于避雷針有效保護范圍內。信號傳輸需設置電涌保護器。如圖5所示。

圖5 戶外立桿監(jiān)控設備防雷安裝示意

4 運營及維護

系統(tǒng)設計時就需要考慮運行維護的便利性,設備可便于分區(qū)域停電檢修,戶外設備安裝點與一次高壓供電設備有必要的安全檢修距離,避免高壓設備停電才能進行設備檢修。

在安全監(jiān)控系統(tǒng)施工建設期內,相關維護部門應提前介入,迅速熟悉設備原理、組成、測試試驗及維修方法等工作內容。當電站安全監(jiān)控系統(tǒng)投入使用后,有關電站安全監(jiān)控系統(tǒng)信息遠傳維修調度,維護人員針對每條報警主要設備要定時檢查和清理,避免灰塵、雨水、飛蟲、落葉、蛛網等對監(jiān)視和防護效果的影響。檢查和清理時注意防靜電操作。定期要對設備進行工作正常性測試,可以采用實際操作,模擬警報,設備自帶手動測試等方式。測試時注意技術要求,避免誤操作,測試完畢后恢復正常布防狀態(tài)。

設備故障后要及時查找故障原因,如果因線纜連接、安裝固定等因素造成要及時處理,設備故障的維護一定按照設備維修手冊進行,及時聯(lián)系設備供貨廠家提供技術指導。

5 結論

筆者對變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則、設備選型及安裝進行了詳細分析,并總結了運營維護要求,主要研究結論如下。

(1)變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)是為牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行保駕護航的關鍵性設備,它為牽引供電系統(tǒng)的安全可靠提供了技術條件,以管理為核心,通過智能化手段營造安全、可靠、節(jié)能的設備運行空間。安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括設備運行狀態(tài)遠程圖像監(jiān)控、入侵檢測、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、設備運行參數狀態(tài)檢測等幾部分,以結構化、規(guī)范化、模塊化、集成化、智能化的方式實現。

(2)變電所安全監(jiān)控系統(tǒng)自身的安全可靠性是其發(fā)揮作用的根本條件。因此,必須從材料選型、系統(tǒng)設計、安裝施工及后期維護等方面綜合考慮系統(tǒng)架構的合理性,以及安裝及維修便利性等保證系統(tǒng)的安全可靠性,充分發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用,為提高牽引供電系統(tǒng)整體安全可靠性打好基礎。

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