电气火灾探测与自动灭火装置在电容柜上的应用研究
电气火灾探测与自动灭火装置在电容柜上的应用研究
摘 要: 本文通过电气火灾监控系统对火灾图像自动识别系统的研究， 结合温度和烟雾报警技术， 开发了高准确度的火灾自动报警及灭火系统， 并通过自动灭火装置， 实现了电容器柜的火灾自动探测、识别以及灭火。将研究成果应用于电容柜中， 通过大量的实验表明， 该自动灭火装置对火灾的判断准确， 灭火快速及时。
关键词: 电容柜; 火灾; 电气火灾监控;
1 基本原理
该防火装置的核心技术是通过图像技术进行火灾智能判断来实现，为了保证判断的准确性，同时结合了烟雾与温度的判别技术， 通过中央处理器进行综合的分析与判断， 并通知灭火装置进行灭火， 基本原理如图 1 所示， 温度传感器、 烟雾传感器、 图像数据采集部分作为判断火灾的输入数据，通过中央处理器进行判断，并将信息发给灭火装置， 通过声、 光及短信报警方式报警， 同时启动灭火装置自动灭火。
2 核心部件研制
本自动灭火装置采用多种技术进行灭火， 烟雾及温度探测法等为相对成熟的技术， 本文不作详细讨论，以下就图像采集与判断及自动灭火装置进行讨论和叙述，以供参考。
2. 1 图像采集与分析
2. 1. 1 图像的采集与判断依据
图像火灾探测部分的主要作用是将采集的图像信号经过光电转换将设备内部的光信号转换为数字信号，对这些数字信号进行算法处理，提取火灾的静态及动态特性， 通过数学模型和几何模型将这些特征量化后， 形成计算机可识别的火灾判据向量，计算机通过分析判据向量排除其他光干扰源并识别火灾。
探测视野中除火焰外还可能存在其他光干扰源，从而影响传感器对火焰的识别。在识别过程中，对于是否有火采用黑白图像进行判断，寻找其中较高亮度的区域， 然后根据火焰具有自己的静态特征和动态特征[ 7] ， 判断是火焰还是其他干扰源。
火焰具有区别于光干扰源的静态特征和动态特征，其动态特征表现在火焰是闪动的，其闪动频率主要集中在 7 ～ 12 Hz 的范围内[ 8] ，而大多数晃动或固定干扰源变化频率不足 8 Hz; 其静态特征是火焰呈不规则状， 相对于其他光源具有尖角。
其不规则的特性可用圆形度作为判别依据， 干扰源的圆形度一般大于 0. 8 小于 1. 5， 火焰的圆形度一般大于 1. 8。中央控制器对于是否发生火灾的判定，是根据火焰的动态特征和静态特征进行判定。
2. 1. 2 特征提取方法
1) 尖角特征的提取[ 9-12] 。由于火焰边缘抖动及热气流由内向外的原因， 火焰边缘会出现一些尖角，火焰尖角数目的不断变化是火焰边缘抖动的一个非常明显的表现， 为了提高提取尖角个数的速度，采用基于目标边缘提取尖角个数的方法。
火焰边缘的尖角类似于一个三角形， 不仅有一个顶点而且有一定的高度。顶点就是火焰边缘y 坐标的极大值点， 根据逐一遍历目标边界的坐标链码，比较其 y 坐标是否比左右 5、 10、 15 个像素的 y 坐 标 值 都 大; 如 果 满 足 条 件， 则 认 为 这31 个像素点可以构成一个尖角，如图 2 所示。
当 h 超过设定的阈值时， 可将此目标的尖角个数加 1，并将尖角顶点像素灰度值置为 255。由于此顶点邻近的后 15 个坐标可能也符合尖角条件， 但它们表示同一个尖角， 此时遍历边界像素时，需跳到此顶点后边的第 16 个边界像素点继续进行判断[ 13-17] 。
2) 圆形度特征的提取。火焰的形状是不规则的，而大部分干扰源( 白炽灯， 手电筒， 蜡烛火焰) 的形状都是比较规整的， 通过圆形度可以描述形状的规整性[ 18] 。圆形度的计算公式如下: C = P2/4πS 。式中， C 为圆形度; P 为周长; S 为面积。
利用非递归区域增长法标记各个亮区域， 遍历整幅图求不同标记值对应的像素个数作为各个标记区域的面积。
3) 跳动特征。表面上看， 火焰闪动是杂乱无章的，其实火焰信号的频谱特征有着特有的规律。在视觉上，火焰闪烁表现为火焰不停地跳动，火焰闪动频率主要集中在 7 ～ 12 Hz， 而大多数晃动或固定干扰源高度变化频率小于 8 Hz 的， 依此可以排除高度变化频率较低的干扰源[ 19] 。
由于固定干扰源边缘有轻微颤动， 而轻微颤动引起的高度变化是非常小的， 一般不会超过两倍目标周长，即高度变化一般不会超过 4 个像素，所以只有当波峰值比两侧的波谷值都大 4 个像素高度时，才进行频率计数，此方法可以快速得到火焰跳动频率。
4) 梯形特征。一般情况下， 由于火焰底部靠近燃烧物，使火焰的上部宽度明显小于底部宽度，其形体类似于一个梯型， 一般是通过目标的重心高度与目标的总高度比率来描述此特征[ 12-13] ， 重心高度为重心纵坐标与目标下边界纵坐标*小值之差，目标总高度为目标上边界纵坐标*大值与下边界纵坐标*小值之差。对于形状较规则的干扰光源，其重心高度与中心高度非常接近，而对于形体类似于梯形的火焰， 其重心高度明显小于中心高度，为了简化算法和提高精 确度，本系统通过重心与中心纵坐标的距离来描述此特征。
5) 边缘扩大特征。在火灾发生初期， 火焰主体逐渐增大，而固定干扰源的主体基本不变，通过目标区域的周长逐渐增大来描述此特征。
2. 2 自动灭火装置
灭火装置 由 储 藏 器、 电 磁 阀、 管 道、 喷 头 组成[ 20-22] 。储藏器存储有不导电灭火剂的自喷式七氟丙烷或六氟丙烷， 该储藏器经管道连接到电容柜的多个隔离室， 每个隔离室根据体积不同安装有不同流量的喷头， 管道上安装的由中央控制器控制的电磁阀， 能够在中央控制器的控制下进行灭火， 如图 3 所示。
电磁阀连接到控制器的控制接口，在控制器的控制下打开或者关闭，打开时使得储压式灭火剂储藏器中的灭火剂在其自身压力的作用下经过管道直喷到灭火位置， 以全湮灭方式实现自动灭火，同时防止引燃到其他隔室。七氟丙烷和六氟丙烷在常温下呈气态， 无色无味、 不导电、 无腐蚀，无环保限制，大气存留期较短。灭火机理主要是中断燃烧链，灭火速度极快，这对抢救性保护精密电子设备及贵重物品有利。七氟丙烷和六氟丙烷的无毒性反应( NOAEL) 浓度为 9% ， 有毒性反应( LOAEL) 浓度为 10. 5% ，七氟丙烷和六氟丙烷的设计浓度一般小于 10% ，对人体安全。其特点具有良好的清洁性( 在大气中完全汽化不留残渣) ， 良好的气相电绝缘性非 常适用于电气火灾的灭火系统中。
3 在电容器柜上的应用研究
由于电容器本身的特点和其对于电力系统的过电压和系统电能质量的敏感性， 电容器柜在系统中的事故率较高， 经过对于电容器柜多年来的运行经验分析，主要的起火部位集中于电容器、 电抗器以及放电线圈几个重要部位， 对于电容器柜防火装置的应用也主要在这几个主要部位安装。
电气火灾探测与自动灭火装置应用于电容柜， 要保证它能够在电容柜中正常工作， 便于维护， 更换和安装， 同时还要满足柜体绝缘、 电气间距等要求，确保工作可靠，不受电磁干扰的影响。
防火高压电容柜配置的电气火灾探测与自动灭火装置二次控制采用模块化集成控制原理， 由信号检测回路、 分析运算回路、 声光报警回路及动作回路 4 部分组成。
电气火灾探测与自动灭火装置在防火高压电容柜中布置是根据易着火部位和电容柜具体的结构布置的， 共布置摄像头 4 个、 灭火喷头 4 个， 分别布置于电容柜的电容器、 电抗器、 放电线圈以及接触器的合适位置， 灭火气瓶及气瓶托架根据电容柜的具体结构布置于合适的位置。
设备改造完成后， 对改造后的装置进行了长时间的监测和多次试验，经过相关权威部门检测，确定达到以下性能指标:
1) 火灾探测时间小于 0. 1 ～ 5 s;
2) 灭火时间小于 10 s;
3) 温度、 烟雾、 电容柜门、 起火、 灭火、 定时短信报警正常;
4) 达到设定温度时发出声光报警和短信息正常;
5) 烟雾达到一定浓度时发出声光报警和短信息正常;
6) 打开柜门时发出报警和短信息正常;
7) 起火时发出声光报警和短信息并自动启动灭火正常;
8) 火灾录像，完整清晰;
9) 满足 42 kV /min 的绝缘试验要求;
10) 各电气间距满足规范和相关标准要求
4 结语
该研究首 次将图像识别技术应用于电气火灾探测与判断，结合温度和烟雾火灾探测技术，实现了火灾的准确判断， 解决了传统电气火灾探测的不可靠及误判等问题，同时通过自动灭火装置，实现了火灾自动快速灭火，对于一般的电气火灾，灭火时间可控制在 10 s 之内。相关专家认为: “该项目填补了国内高压电容柜火灾探测与自动灭火技术空白，居国 际领 先水平” 。
参考文献
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