Page 82 - 电力与能源2024年第五期

614 张文杰，等：基于热释离子探测与直流快速灭弧的储能站安全提升技术

相比之下，0.002 μm 级的粒子数量要比粉尘多 25
倍以上，因此云室离子传感器能分辨出是正常的
还是极早期的火灾信息。

图 2 火灾发展各阶段离子构成和数量
段，空气中除了普通的悬浮粒子外，还会释放由物

质过热导致热崩溃释放的不可见次微米粒子，每
立方厘米数量在 500 000 个以上；到达烟阶段，空
气中存在普通的悬浮粒子、不可见次微米粒子以
及烟粒子，这些粒子持续积累的每立方厘米数量 图 3 云室离子传感器原理
约是 1 000 000 个。 通过云雾室技术，每一个火灾极早期阶段所
通 常 情 况 下 基 于 光 散 射 理 论 的 激 光 型 或 产生的不可见次微米粒子与灰尘粒子皆由一水滴
LED 型早期烟雾探测器并不会对次微米粒子产 所包围，它们产生的遮光能力等同于包围灰尘粒

生反应，它们所能探测到的粒子大小受探测器所 子的水珠产生的效果，因此可以通过观察它们每
使用的探测光源波长（激光波长约为 0.3 μm）的限 立方厘米的数量差距（500 000 个>20 000 个）来
制，如果光波长大于粒子直径，就无法探测到粒子 辨识。由于所有粒子尺寸相同，可以用光遮挡的
的存在。然而，在火灾极早期阶段，热释次微米粒 方式测量遮光率和透光率，从而得到粒子的总量。
子的直径约为 0.002 μm，所以基于光散射原理的 一旦能够准确地得到粒子的数量，就可以利用空
激光型或 LED 型早期烟雾探测器无法探测出火 气中的最大灰尘数值（每立方厘米的数量通常不

灾的早期征兆。 会超过 60 000 个）作为阈值，以避免错误报警的发
本文采用了云室离子传感器，该探测器可以 生，并可在火灾的极早期作出反应。
检测到火灾初期释放出来的大量不可见次微米粒 热释离子火灾预警技术与现有其他火灾预警
子，从而可以在电池组火灾的潜在阴燃阶段发出 技术对比如表 1 所示。由表 1 可见，对于储能站电
预警。如果区域内的环境中存在着火灾初期释放 池的早期火灾征兆，所提出的热释离子云室传感
出的高浓度不可见次微米粒子，那么云雾室可以 器能够起到有效的预警效果。
通过一套简易但精准的机械操作流程来实现对它 3.2 直流故障快速开断设计

们的分离与捕捉。这种方法依赖于水的凝聚作 对于直流故障快速灭弧方面，现有技术可以
用，把不可见次微米粒子一一包裹进独立的水珠 做到在 20 ms 以内切除故障，但是需要附加大体
中心（每个粒子产生一个水珠），最终形成大量可 积高成本的 LC 震荡电路、PTC 或电力电子缓冲
视化的微型雾状水珠（粒经约为 20 μm）。云雾室 器件，这通常无法在储能站的大规模、低电压、高
的工作原理如图 3 所示，其关键在于分析雾滴的 电流的直流断路器场景中应用。对于储能站，关
遮光和透光特性，从而计算出环境中粒子的总量。 键问题是确保在开断过程中，直流故障点的电弧

表 1 热释离子火灾预警技术与现有其他火灾预警技术对比
典型场景 特征量 现有技术烟感雾感应 现有技术紫外感应 热释离子云室传感器
发热焦味 微量 VOC 气体离子 无法感应 无法感应 可以感应
无烟阴燃火 热释离子 无法感应 直视才能感应 可以感应
发热高温热点 微量热释离子 无法感应 无法感应 可以感应
电弧火花 O 3 ，NO x 无法感应 直视才能感应 可以感应