一种用于变压器的火灾减灾系统以及方法与流程

本发明涉及属于消防装备的技术领域，具体涉及一种用于变压器的火灾减灾系统以及方法。

背景技术：

变压器的本体油箱事故排油阀处于常关状态，遇到变压器着火事故需要紧急排油时，操作人员需冒生命危险开启阀门和击碎玻璃片，若变压器已经开始燃烧，操作人员通常无法再实现排油，只能任凭变压器燃烧和爆炸；同时，现阶段减灾灭火系统采用阀值控制，经常错误动作，缺乏可靠性，且厂站类虽然设有设备视频监控系统，但是分画面过多，需要人员专门实时监控视频信息。

进而导致现有的火灾减灾系统的安全性、及时性以及准确性较低，且需要耗费过多的人力资源。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于变压器的火灾减灾系统以及方法，具有提高系统的安全性、及时性以及准确性的优点，且减少对人力资源的耗费。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于变压器的火灾减灾系统，包括上位机、视频监控装置、重瓦斯信号感应器、油位感应器、烟感器、报警器、灭火装置、排放系统以及事故油系统；所述上位机与用于采集变压器环境信息的所述视频监控装置连接，所述上位机分别与用于感应变压器重瓦斯的所述重瓦斯信号感应器、用于感应变压器油位的所述油位感应器以及用于感应变压器烟雾的烟感器相连，所述上位机与用于对变压器紧急排油的所述排放系统相连，所述上位机在所述视频监控装置、所述重瓦斯信号感应器、油位感应器以及烟感器四者所采集信息基础上输出决策至所述排放系统并控制所述排放系统的启闭；所述灭火装置安装于变压器的油箱顶部；

所述上位机与用于处理所述排放系统排出事故油的所述事故油系统相连，所述事故油系统与所述排放系统相配合设置；所述事故油系统包括用于接收变压器紧急排出油的事故油池，所述事故油系统设置有用于测量事故油池水位以及油位的测量装置，所述事故油池安装有水喷雾装置，所述事故油池的底部设置有抽离装置，所述测量装置、所述水喷雾装置以及所述抽离装置三者均与所述上位机连接。

通过采用上述技术方案，上位机连接有视频监控装置，进而更好的观察火情并将相关信息传递至上位机，使得上位机能够在视频监控装置的信息基础上做颜色分割、面积变化以及局部纹理特征的分析，进而更为准确的辨识火情。通过上位机分别连接有重瓦斯信号感应器、油位感应器以及烟感器，并让重瓦斯信号感应器、油位感应器以及烟感器将采集的信息传递给上位机，进而将融合成多维度信息，便于决策粗糙集模型的构成以及利用输出更为准确的决策。通过上位机连接有用于对储油柜和变压器排油的排放系统，当输出为火灾时，无需人工操作排放系统，提高了系统的安全性；同时，减少对人力资源的耗费。通过在变压器的油箱顶部安装有灭火装置，使得安装点即为消防灭火点，提高系统灭火响应的及时性。

本发明进一步设置为：所述灭火装置包括安装于变压器油箱顶部的盘管，所述盘管放置有硫酸铝溶液，所述盘管的下端面开设有若干膨胀孔；所述盘管的内壁设置有若干储存锥，所述储存锥设置有碳酸氢钠溶液，每一所述储存锥开设有热胀孔。

通过采用上述技术方案，由于现有的注氮法误动、拒动时有发生，一旦误动会导致正常运行变压器跳闸，拒动则对变压器燃烧无法起作用，变压器内部、外部结构及附属部件损毁严重；而水雾喷淋法、传统泡沫消防法消防介质传输管道过长，需大量附属设备，需设立独立的消防水泵房、消防泡沫间，并需要专人进行定时维堡，通过在变压器油箱顶部安装上盘管，盘管能够降低投入成本，减少日常运维量，同时安装点即为消防灭火点，具有更好的响应速率以及实时性。

本发明进一步设置为：所述排放系统包括本体排放装置与储油柜排放装置，所述本体排放装置与所述储油柜排放装置两者均包括有抗爆耐火外壳，所述抗爆耐火外壳开设有传输孔，所述传输孔填充有abs工程塑料；所述抗爆耐火外壳的内部设置有电动阀、电动泵、通讯芯片、运算芯片、5g天线以及蓄电池，所述通讯芯片通过所述5g天线与所述上位机连接，所述通讯芯片将上位机的信号传递至所述运算芯片，所述运算芯片控制所述电动泵和所述电动阀，所述蓄电池分别为所述电动阀、所述电动泵、所述通讯芯片、所述运算芯片以及所述5g天线供电。

通过采用上述技术方案，重要的部件均由抗爆耐火外壳包裹，抗爆耐火外壳开设有传输孔。通讯由5g信号传输、供电由蓄电池提供，确保极恶劣条件下排放系统的工作可靠性，同时电动泵可以增快排油速率。储油柜15t的变压器油排放时间小于10分钟，排放系统收到信息后5s内响应。

本发明进一步设置为：所述测量装置包括有形状为双层圆筒状的测量管，所述测量管的底部与所述事故油池的底部连接，所述测量管包括外层管与内层管，所述外层管与所述内层管两者均开设有若干导流孔，所述内层管的内部分别安装有上浮球与下浮球，所述测量管的上下两端分别设置有用于采集所述上浮球与所述下浮球两者的位置信息的信息反射装置。

通过采用上述技术方案，外层管与内层管两者均开设有若干导流孔，使得测量管内的液体的液位以及波动同事故油池液体的液位以及波动性保持一致，使得测量管能够反映事故油池的状况。通过在测量管的上下两端分别设置有信息反射装置，进而对实时检测出上浮球和下浮球的高度位置，进而通过上浮球和下浮球检出事故油池的水位和油位状况，并通过信息反射装置进行采集，实现对事故油池的水位和油位的准确测量。

本发明进一步设置为：所述下浮球的密度处于油、水密度之间，所述上浮球的密度小于油的密度。

通过采用上述技术方案，上浮球的密度为0.6，下浮球的密度为0.97，水密度为1，变压器的油密度为0.81-0.93，使得上浮球的密度＜油密度＜下浮球的密度＜水密度，基于此实现对事故油池的油位以及水位的测量。

本发明进一步设置为：所述上浮球与所述下浮球两者均采用耐热阻燃的材料制成。

通过采用上述技术方案，避免上浮球和下浮球受热而燃烧，进而导致事故油池的油燃烧，导致油的回收失败，且使得火情进一步蔓延；同时，提高了测量装置的稳定性。

本发明进一步设置为：所述抽离装置连接有油水分离装置，所述油水分离装置连接有储油罐和水箱，所述水箱与所述水喷雾装置连接。

通过采用上述技术方案，油水分离装置还连接有水箱，水箱与水喷雾装置连接，进而实现对水体的循环利用，提高了水体的利用率，节约了水资源。

本发明进一步设置为：所述视频监控装置采用为红外热像、光学镜头；所述上位机连接有用于显示起火点实时画面的显示器。

通过采用上述技术方案，当显示屏附近有工作人员时，使得工作人员能够在中控室通过显示器判断火情，从而将系统切换为手动操作，提高了系统的适用性。

一种用于变压器的火灾减灾方法，所述方法应用于所述的火灾减压系统，其步骤为：

所述视频监控装置对变压器进行视频监控，采用拉丁超立方抽样的方式对变压器的表面位置点阵矩阵随机抽样；

通过颜色分割法、面积变化法以及局部纹理特征法对随机抽样信息进行火情分析；

基于卷积神经网络进行判断，当输出为火灾时，报警器发出报警声音，上位机控制显示器自动播放起火点的实时画面；

将所述重瓦斯信号感应器、所述油位感应器、所述烟感器采集的信息以及随机抽样信息融合为多维度信息，并采用决策粗糙集模型计算出条件概率，通过条件概率判断火情并分为以下状况：

s1、当判断为一般火灾，仅开启储油柜排放装置；

s2、当判断为严重火灾，同时开启储油柜排放装置和本体排放装置；

s3、当判断为疑似着火时，报警器维持警报声音，由人工复查，人工点击不动作按钮或动作按钮；

当上位机输出信号为严重火灾时，储油柜排放装置和本体排放装置同时进行动作，将储油柜和变压器的油箱两者的油紧急排放至所述事故油池；

当变压器的油排放进入所述事故油池时，所述测量装置对事故油池的油位和水位进行监控，其中所述事故油池的油面高度设置为h0，泄洪高度为h，水面高度为hw，dx/dt为微分，p.u为标幺值，所述测量装置每60秒进行一次采样和计算并将采集的信息发送至上位机，上位机根据所述水喷雾装置的流量标幺值、h0、hw以及(dh_(o-w))/dt进行决策，并控制所述水喷雾装置以及所述抽离装置启闭；

当所述抽离装置开启时，所述事故油池的水和油均排放至所述油水分离装置，通过所述油水分离装置将油分离至储油罐，将水回收至水箱；

当变压器着火升温时，所述热胀孔张开将碳酸氢钠溶液释放至所述盘管的内部，碳酸氢钠溶液与硫酸铝溶液在所述盘管内部发生反应生成含有二氧化碳的泡沫，所述膨胀孔张开，将含二氧化碳的泡沫喷溅至变压器的油箱上表面。

通过采用上述技术方案，在变压器需要紧急排油时，无需操作人员手动操作，通过排放系统即可安全可靠的完成对变压器以及储油柜的排油操作，提高了系统以及方法的安全性，且通过多维度的信息融合分析，减少了灭火系统出现误动的情况发生，提高了系统以及方法的准确性，且系统通过拉丁超立方抽样的方式对变压器的表面位置点阵矩阵随机抽样，改善了设备视频监控分画过多的缺点，且无需安排专门人员对视频监控进行监控，减少了对人力资源的浪费，且当出现火情时，系统能够及时作出正确的动作，系统进行排油、回收等操作。

本发明进一步设置为：所述上位机控制所述水喷雾装置以及所述抽离装置启闭方法具体为：

s1、在时，

当h0＞0.6h时，决策输出为关闭水喷雾装置，开启抽离装置；

当符合符合以下条件时：

水喷雾装置的流量降低为0.5p.u，输出为关闭抽离装置；

当符合符合以下条件时：

并且水喷雾装置的流量为1p.u，维持关闭抽离装置；

s2、在时，

当hw＞0.5h时，输出为关闭水喷雾装置，开启抽离装置；

当0.2h＜hw≤0.5h、水喷雾装置的流量为1p.u，关闭抽离装置；

当排放系统关闭时，输出为关闭水喷雾装置，开启抽离装置；

当hw＝h0＝0时，关闭抽离装置，开启水喷雾装置，且水喷雾装置的流量维持在0.3p.u，并直至hw＝h0＝0.2h时关闭水喷雾装置；

当排放系统在最近的3h无开启信息时，hw＞0.2h，开启抽离装置；hw＝h0＝0.2h，关闭抽离装置；hw＝h0＜0.2h，开启水喷雾装置，且水喷雾装置的流量维持在0.1p.u，并直至hw＝h0＝0.2h时关闭水喷雾装置；

当抽离装置开启时，事故油池的水和油均排放至所述油水分离装置，通过油水分离装置将油分离至储油罐，将水回收至水箱，且水箱内的水体通过水泵仍能够继续供应至水喷雾装置。

通过采用上述技术方案，加速着火变压器油的熄灭，避免其到处蔓延，亦可以及时对变压器油进行回收避免环境污染。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过在变压器需要紧急排油时，无需操作人员手动操作，通过排放系统即可安全可靠的完成对变压器以及储油柜的排油操作，提高了系统以及方法的安全性，且通过多维度的信息融合分析，减少了灭火系统出现误动的情况发生，提高了系统以及方法的准确性；

2.通过事故油池系统，加速着火变压器油的熄灭，避免其到处蔓延，亦可以及时对变压器油进行回收避免环境污染；

3.通过系统通过拉丁超立方抽样的方式对变压器的表面位置点阵矩阵随机抽样，改善了设备视频监控分画过多的缺点，且无需安排专门人员对视频监控进行监控，减少了对人力资源的浪费，且当出现火情时，系统能够及时作出正确的动作，系统进行排油、回收等操作。

附图说明

图1为本实施例的系统拓扑图；

图2为本实施例的事故油系统的模块示意图；

图3为本实施例的本体排放装置的连接示意图；

图4为本实施例的储油柜排放装置的连接示意图；

图5为本实施例的排放系统的执行模块示意图；

图6为本实施例的盘管的局部剖视图。

附图标记：1、盘管；11、膨胀孔；2、储存锥；21、热胀孔；31、事故油池；32、测量装置；33、水喷雾装置；34、抽离装置；41、油水分离装置；42、储油罐；43、水箱；51、储油柜排放装置；52、本体排放装置。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种用于变压器的火灾减灾系统，包括变压器和上位机，所述上位机信号连接有轨道式可旋转的视频监控装置，视频监控装置采用为红外热像、光学镜头，视频监控装置用于监控变压器；上位机分别信号连接有重瓦斯信号感应器、油位感应器以及烟感器，重瓦斯信号感应器、油位感应器以及烟感器安装于变压器，上位机信号连接有报警器；上位机信号连接有用于对变压器排油的排放系统；变压器的油箱顶部固定连接有灭火装置；排放系统连接有事故油系统。

如图2所示，事故油系统包括事故油池31，事故油系统有用于测量事故油池31水位以及油位的测量装置32，事故油池31的顶部固定连接有水喷雾装置33，水喷雾装置33的喷头竖直向下设置，水喷雾装置33的喷头覆盖事故油池31设置；事故油池31的底部固定连接有抽离装置34，抽离装置34采用为抽水泵；测量装置32、水喷雾装置33以及抽离装置34三者均与上位机信号连接；抽离装置34管道连接有油水分离装置41，油水分离装置41管道连接有储油罐42。

如图3至图4所示，排放系统包括本体排放装置52与储油柜排放装置51，本体排放装置52接入至变压器的回油管与冷却器的连接处之间，储油柜排放装置51接入至储油柜与瓦斯继电器的连接处之间。如图5所示，本体排放装置52与储油柜排放装置51两者均包括有抗爆耐火外壳，抗爆耐火外壳开设有传输孔，传输孔填充有abs工程塑料；抗爆耐火外壳的内部安装有电动阀、电动泵、通讯芯片、运算芯片以及5g天线，通讯芯片通过所述5g天线与上位机连接，通讯芯片将上位机的信号传递至运算芯片，运算芯片控制电动泵和电动阀；抗爆耐火外壳的内部还安装有用于供电的蓄电池，蓄电池分别与电动阀、电动泵、通讯芯片、运算芯片电性连接。

如图6所示，灭火装置包括固定连接于变压器顶部的盘管1，盘管1的内底壁放置有硫酸铝溶液，盘管1的下端面开设有若干膨胀孔11；盘管1的内顶壁固定有若干中空设置的储存锥2，储存锥2的形状为三角锥，储存锥2的内部储存有碳酸氢钠溶液，每一储存锥2均开设有竖直向下设置的热胀孔21。

测量装置32包括有形状为双层圆筒状的测量管，测量管竖直设置于事故油池31，测量管的底部与事故油池31的底部固定连接；测量管包括外层管与内层管，外层管与内层管两者的侧壁均开设有若干导流孔，内层管的内部分别安装有上浮球与下浮球，上浮球与下浮球两者均采用耐热阻燃的材料制成，上浮球的密度为0.6，下浮球的密度为0.97，下浮球的密度处于水密度与油密度之间，上浮球的密度小于油的密度；测量管的上下两端分别安装有用于采集上浮球与下浮球两者的位置信息的信息反射装置。

油水分离装置41还管道连接有水箱43，水箱43与水喷雾装置33管道连接，水箱43与水喷雾装置33之间安装有用于提供动力的水泵。上位机信号连接有用于显示起火点实时画面的显示器。上述信号连接均采用5g网络的方式传递信息。

一种用于变压器的火灾减灾方法，该方法应用于火灾减压系统，其步骤为：

视频监控装置对变压器进行视频监控，采用拉丁超立方抽样的方式对变压器的表面位置点阵矩阵随机抽样；

通过颜色分割法、面积变化法以及局部纹理特征法对随机抽样信息进行火情分析；

基于卷积神经网络进行判断，即在卷积层识别颜色、几何以及纹理特征，采用googlenetinceptionv3模型进行训练，进行深度学习，直到系统误判率低于2％时，当判断为火灾时，报警器发出报警声音，上位机控制显示器自动播放起火点的实时画面；

将重瓦斯信号感应器、油位感应器、烟感器采集的信息以及随机抽样信息融合为多维度信息，并采用决策粗糙集模型计算出条件概率pr(x|[x]r|，该计算过程为：

定义1：一个决策信息系统s是一个四元组：s＝<u,r,v,f>。其中u为对象集合，亦可称为域；r＝c∪d为属性集合，子集c、d分别为条件属性和决策属性，v为属性集的集合；f：u×r→v是一个信息函数，它指定u中每个对象x的属性集；

定义2：给定信息决策系统s＝<u,r,v,f>，对每个子集和不明关系b，x的上近似值及下近似值定义如下：

b-(x)为上近似值，b-(x)为下近似值；

定义3：u为论域，集合pos(x)＝b-(x)为x的正域；集合bnd(x)＝b-(x)-b-(x)为x的边界域；集合neg(x)＝u-b-(x)为x的负域，在dtrs模型中，使用两个状态集和3个行动集来表述决策过程。状态集分别代表事件属于x及不属于x。行动集a＝{ap,an,ab}分别判定当前对象x属于pos(x)，neg(x)，bnd(x)三种动作。用λpp,λbp,λnp分别表示当x属于x时采取行动ap,ab,an的损失；用λpn,λbn,λnn分别表示当x不属于x时采取行动ap,ab,an的损失。按照最小风险贝叶斯决策方法，采取ap,ab,an三种行动的期望风险分别为，其中[x]r为等价类形式表示的特征描述：

根据最小风险贝叶斯决策，可以得到如下规则：

(p)若r(ap|[x]r)≤r(ab|[x]r)且r(ap|[x]r)≤r(an|[x]r)，则x∈pos(x)

(b)若r(ab|[x]r)≤r(ap|[x]r)且r(ab|[x]r)≤r(an|[x]r)，则x∈bnd(x)

(n)若r(an|[x]r)≤r(ap|[x]r)且r(an|[x]r)≤r(ab|[x]r)，则x∈neg(x)

按照同时错误决策损失值>待分类决策损失值>正确决策损失值,λpp≤λbp＜λnp，λnn≤λbn＜λpn，引入阀值α,β,γ，则有：

(p1)若p(x|[x]r)≥γ且p(x|[x]r)≥α，则x∈pos(x)

(b1)若p(x|[x]r)≥β且p(x|[x]r)≤α，则x∈bnd(x)

(n1)若p(x|[x]r)≤β且p(x|[x]r)≤γ，则x∈neg(x)

则有：

由(p1)、(b1)、(n1)得到：

0≤β＜γ＜α≤1。

使用阀值，则有：

(p2)若pr(x|[x]r)≥α，则x∈pos(x)

(b2)若β＜pr(x|[x]r)＜α，则x∈bnd(x)

(n2)若pr(x|[x]r)≤β，则x∈neg(x)

算法步骤如下：

排放系统的决策信息系统s是一个四元组：s＝<u,r,v,f>。其中u为当前变压器的多维度信息集合，c为变压器的多维度信息特征集向量合，d为变压器的状态特征，d＝{0，1}，1表示变压器着火，0表示变压器正常。用行动集合a＝{ap,an,ab}分别表示变压器着火、变压器疑似着火、变压器正常三种判断。用λpp,λbp,λnp分别表示当变压器着火时，采取行动ap,ab,an的损失；用λpn,λbn,λnn分别表示当变压器正常时采取行动ap,ab,an的损失。用方程式(6)计算阀值α及β，按照(p2)、(b2)、(n2)将变压器分为着火、疑似着火、正常。

输入：s＝＜u,cud,v,f＞及行动损失因子λpp,λbp,λnp，λpn,λbn,λnn；

输出：变压器当前着火状态评估；

step1:将变压器多维度信息进行补齐并离散化；初始化着火、疑似、正常均为

step2：按照公式(7)计算阀值α及β；

step3：计算条件概率pr(x|[x]r|；

step4：比较pr(x|[x]r|、α、β的大小关系。根据规则(p2)、(b2)、(n2)将变压器状态归入着火、疑似、正常集合中；

当α≤pr(x|[x]r)＜(1-2α)/3时，判断为一般火灾，仅开启储油柜排放装置51；

当(1-2α)/3≤pr(x|[x]r)≤1时，判断为严重火灾，同时开启储油柜排放装置51和本体排放装置52；

当判断为疑似着火时，报警器维持警报声音，由人工复查，人工点击不动作按钮或动作按钮；

当上位机输出信号为严重火灾时，储油柜排放装置51和本体排放装置52同时进行动作，将储油柜和变压器的油箱两者的油紧急排放至所述事故油池31；

当变压器的油排放进入所述事故油池31时，所述测量装置32对事故油池31的油位和水位进行监控，其中将所述事故油池31的油面高度设置为h0，泄洪高度为h，水面高度为hw，dx/dt为微分，p.u为标幺值，所述测量装置32每60秒进行一次采样和计算并将信号传递至上位机，并通过所述水喷雾装置33的流量标幺值、h0、hw以及(dh_(o-w))/dt进行决策，决策方式如下：

s1、在时，

当h0＞0.6h时，决策输出为关闭水喷雾装置33，开启抽离装置34；

当符合符合以下条件时：

水喷雾装置33的流量降低为0.5p.u，输出为关闭抽离装置34；

当符合符合以下条件时：

并且水喷雾装置33的流量为1p.u，维持关闭抽离装置34。

s2、在时，

当hw＞0.5h时，输出为关闭水喷雾装置33，开启抽离装置34；

当0.2h＜hw≤0.5h、水喷雾装置33的流量为1p.u，关闭抽离装置34；

当排放系统关闭时，输出为关闭水喷雾装置33，开启抽离装置34；

当hw＝h0＝0时，关闭抽离装置34，开启水喷雾装置33，且水喷雾装置33的流量维持在0.3p.u，并直至hw＝h0＝0.2h时关闭水喷雾装置33。

当排放系统在最近的3h无开启信息时，hw＞0.2h，开启抽离装置34；hw＝h0＝0.2h，关闭抽离装置34；hw＝h0＜0.2h，开启水喷雾装置33，且水喷雾装置33的流量维持在0.1p.u，并直至hw＝h0＝0.2h时关闭水喷雾装置33；

当抽离装置34开启时，事故油池31的水和油均排放至油水分离装置41，油水分离装置41将油分离至储油罐42，将水回收至水箱43，且水箱43内的水体通过水泵仍能够继续供应至水喷雾装置33。

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