熱氣溶膠滅火劑在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用探究

鄧長征，龔燎原，楊 楠，許曉明

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443000；3.國網(wǎng)湖北直流運(yùn)檢公司，湖北宜昌 443000；4.國網(wǎng)湖北省電力有限公司長陽縣供電公司，湖北宜昌 443000）

引言

隨著電力需求的增加，我國新增變電站也越來越多，高壓開關(guān)柜是變電站中一種重要的綜合性一體化電氣設(shè)備，然而封閉式高壓開關(guān)柜的運(yùn)行工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，內(nèi)部散熱性能差，容易造成柜內(nèi)電力設(shè)備異常升溫，導(dǎo)致事故率很高，火災(zāi)事故最為嚴(yán)重[1-3]。如何安全、高效地處理高壓開關(guān)柜帶電火災(zāi)成為了目前運(yùn)維工作人員需要解決的難題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，當(dāng)下對電氣設(shè)備管理以及運(yùn)行安全性的要求越來越高，如何根據(jù)其特點(diǎn)，最大化利用優(yōu)勢、避開缺陷成為一時(shí)間眾多科研工作者開展研究的落腳點(diǎn)。研究開展之初，滅火技術(shù)的創(chuàng)新集中表現(xiàn)在對現(xiàn)有高壓開關(guān)柜的改造和優(yōu)化，例如文獻(xiàn)[4]利用現(xiàn)有的柜體模型，將一體化金屬底板設(shè)計(jì)改造為嵌入橡膠活塞的復(fù)合式底部結(jié)構(gòu)，無需開柜，滅火材料可通過橡膠活塞直接進(jìn)入柜內(nèi)。此項(xiàng)成果，成功打破了原有的工作模式，既能保證消防人員的生命安全，又可節(jié)省開柜操作所延誤的救援時(shí)間。2014年，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018年版）》的發(fā)布，為研究指明了方向，高壓開關(guān)柜的火災(zāi)防護(hù)有了新的轉(zhuǎn)折，自動(dòng)滅火技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展得以快速推進(jìn)。文獻(xiàn)[5]將小型懸掛式儲(chǔ)壓干粉滅火裝置引入高壓開關(guān)柜，通過固定式的連接，由溫度傳感器自動(dòng)啟動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)滅火，并利用1：1比例的手車室模型模擬滅火試驗(yàn)，驗(yàn)證了其方法是合理有效的。隨著經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，人們對帶電火災(zāi)的認(rèn)識越來越清晰，除了技術(shù)手段的升級，優(yōu)良的滅火材料同樣是成功解決火災(zāi)事故的必備條件。早些時(shí)候，可供選擇的滅火劑還很局限，在一些帶電火災(zāi)的處理過程中依然沿用比較普通的滅火材料，如文獻(xiàn)[6]論述了用水撲滅帶電火災(zāi)的具體實(shí)施方法，為避免導(dǎo)電對人體造成傷害，建議將水槍的金屬噴頭接地，并指出了水流的電阻隨著其霧化程度升高而增大的特點(diǎn)，同時(shí)還要求工作人員在操作過程中必須佩戴好絕緣手套、穿著均壓服。顯而易見，帶電火災(zāi)事故中使用具有導(dǎo)電性的滅火材料，給消防作業(yè)增添了許多繁瑣的中間環(huán)節(jié)，無形中加大了救援難度，使工作效率大打折扣。直到后來，不導(dǎo)電滅火劑的科研技術(shù)逐漸成熟，受到廣泛認(rèn)可，才使帶電環(huán)境下的火災(zāi)救援工作取得突破性進(jìn)展。文獻(xiàn)[7,8]通過總結(jié)、對比各種帶電滅火技術(shù)的實(shí)施方案，指出采用不導(dǎo)電滅火材料（主要包括二氧化碳滅火劑、SD水系滅火劑和干粉滅火劑）代替?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)品，能夠大幅度降低滅火劑對電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9,10]進(jìn)一步拓寬視野，結(jié)合新型材料在滅火性能方面的數(shù)據(jù)比較，從理論分析的角度說明了氣溶膠和六氟丙烷較之干粉與二氧化碳更有優(yōu)勢，可能更適合帶電火災(zāi)。近年來，氣溶膠滅火劑發(fā)展迅速、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本成熟，已經(jīng)在一些綜合性領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，尤其是電動(dòng)汽車和船舶上最為常見，這也給高壓開關(guān)柜的火災(zāi)防護(hù)帶來了啟發(fā)。

為了測試熱氣溶膠滅火技術(shù)對高壓開關(guān)柜火災(zāi)的實(shí)際保護(hù)效果，本研究以KYN28A-12型高壓開關(guān)柜為保護(hù)對象，采用K型熱氣溶膠滅火劑及裝置，對高壓開關(guān)柜進(jìn)行全淹沒式滅火試驗(yàn)，此試驗(yàn)?zāi)M了柜內(nèi)起火的真實(shí)場景，通過觀察滅火的全過程，更深層次地探究熱氣溶膠的性質(zhì)及其在高壓開關(guān)柜中應(yīng)用的特點(diǎn)。主要目的是為了核實(shí)熱氣溶膠的滅火效率，驗(yàn)證其在高壓開關(guān)柜中應(yīng)用的可行性，確保滅火的高效性和可靠性。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)方案

熱氣溶膠具有高效滅火、清潔環(huán)保和安全無毒等特點(diǎn)，氣溶膠滅火顆粒在密閉性良好的空間中懸浮能力極強(qiáng)，且不會(huì)對電氣設(shè)備產(chǎn)生絕緣損壞，是非常適合在高壓開關(guān)柜中使用的滅火劑。本試驗(yàn)?zāi)M柜內(nèi)起火，采用適量的熱氣溶膠滅火劑對一次設(shè)備所在的隔室實(shí)施滅火，進(jìn)一步測試熱氣溶膠材料在高壓開關(guān)柜內(nèi)的實(shí)際滅火能力，驗(yàn)證該方法的可行性。在運(yùn)行過程中，電接觸部位的發(fā)熱損耗是引起高壓開關(guān)柜溫度大幅上升的重要原因，而這些電接觸點(diǎn)主要集中在一次設(shè)備所在的斷路器手車室、母排室和電纜室，這3個(gè)隔室是開關(guān)柜高溫預(yù)警以及消防保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。因此，本試驗(yàn)將分別以電纜室、手車室和母排室為防護(hù)空間，采用相同的方法模擬真實(shí)的火災(zāi)保護(hù)。以電纜室的滅火試驗(yàn)為例，具體試驗(yàn)過程如下：

（1）精確測量電纜室的空間尺寸大小，通過防護(hù)空間的凈容積確定所需熱氣溶膠滅火劑的質(zhì)量，選擇相應(yīng)滅火罐體；

（2）按照裝置的固定要求，使用沖擊電鉆在電纜室頂端的隔離擋板中央打孔，將熱氣溶膠自動(dòng)滅火裝置通過螺釘固定于電纜室頂部；

（3）將滅火裝置的熱敏感溫線拆除，通過導(dǎo)線在電引發(fā)器端接入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓恒定為直流24 V；

（4）將油盤預(yù)燃30 s，分別放置于電纜室底端的對角位置；

（5）利用直流穩(wěn)壓電源（DC 24 V）手動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置，觀察滅火過程并記錄滅火時(shí)間。

滅火裝置集熱敏感溫線、電引發(fā)器和滅火瓶罐于一體，既可以通過電信號啟動(dòng)裝置，又可以通過熱能觸發(fā)，啟動(dòng)電壓為直流6 V～24 V。為了保證相同的試驗(yàn)條件，此次試驗(yàn)均采用人工手動(dòng)觸發(fā)的方式啟動(dòng)裝置，所以事先將滅火裝置左端的熱敏感溫線摘除，保證啟動(dòng)方式的唯一性。沒有動(dòng)作時(shí)，熱氣溶膠滅火劑是以氣溶膠發(fā)生劑的形式貯存于滅火裝置的化學(xué)反應(yīng)室中，通過電引發(fā)器給予其引發(fā)燃燒所需的最低能量，發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生氣溶膠。

3次試驗(yàn)均采用手動(dòng)開關(guān)的觸發(fā)方式，利用導(dǎo)線將一臺(tái)小型穩(wěn)壓電源與滅火裝置的電引發(fā)器串聯(lián)，輸出電壓設(shè)置為恒定的直流24 V，滅火時(shí)手動(dòng)閉合開關(guān)，穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的電信號隨即傳遞給電引器，再通過電引發(fā)器提供反應(yīng)所需的足夠能量，經(jīng)過快速反應(yīng)后，噴射氣溶膠。

1.2 KYN28A-12型高壓開關(guān)柜

KYN28A-12型高壓開關(guān)柜[11]是目前國內(nèi)使用較為普遍的戶內(nèi)金屬鎧裝移開式開關(guān)設(shè)備，其額定電壓為3.6 kV～12 kV，額定頻率50 Hz。KYN28A-12型高壓開關(guān)柜內(nèi)部可視為被隔板拆分開的獨(dú)立空間，主要由四個(gè)部分構(gòu)成：母排室、斷路器手車室、電纜室和繼電器儀表室[12]。高壓開關(guān)柜內(nèi)的電氣設(shè)備種類繁多，載流量大、溫升明顯的位置區(qū)域主要集中在一次設(shè)備部分，故二次設(shè)備和繼電器儀表室忽略不計(jì)。表1為KYN28A-12型高壓開關(guān)柜電纜室、手車室、母排室的尺寸參數(shù)。

表1 KYN28A-12型高壓開關(guān)柜參數(shù) m

1.3 熱氣溶膠滅火劑用量設(shè)計(jì)

熱氣溶膠滅火系統(tǒng)的滅火設(shè)計(jì)用量應(yīng)按GB 50370《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求[13]。試驗(yàn)采用K型熱氣溶膠滅火劑，滅火設(shè)計(jì)密度為0.08 kg/m3，試驗(yàn)用高壓開關(guān)柜密閉性良好，容積修正系數(shù)KV取1即可，再通過測量電纜室、手車室和母排室的空間尺寸，就可以根據(jù)公式計(jì)算熱氣溶膠滅火劑的具體用量，選量計(jì)算見表2。

表2 熱氣溶膠滅火劑用量設(shè)計(jì)參數(shù)

3個(gè)隔室中，電纜室的容積最大，所需要的K型氣溶膠最多。手車室和母排室的空間尺寸相差不大。為了制造方便，電纜室的滅火劑實(shí)際用量為60 g，手車室和母排室的實(shí)際用量均為30 g。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)時(shí)間

表3記錄的是在各隔室中模擬滅火的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要包括啟動(dòng)時(shí)間、滅火時(shí)間和持續(xù)噴射時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間是從手動(dòng)閉合開關(guān)到熱氣溶膠開始噴射的時(shí)間。

表3 開關(guān)柜全淹沒式滅火試驗(yàn)數(shù)據(jù)

滅火時(shí)間是從手動(dòng)閉合開關(guān)到電纜室中的燃燒油盤被撲滅的時(shí)間；持續(xù)噴射時(shí)間指從滅火劑開始噴射到全部噴射結(jié)束的時(shí)間。

啟動(dòng)時(shí)間可以用來衡量發(fā)生劑的反應(yīng)速度。3次試驗(yàn)的平均啟動(dòng)時(shí)間均在0.9 s左右，說明熱氣溶膠反應(yīng)速度非常快，不會(huì)引起因反應(yīng)慢而造成的延誤。一方面，這是因?yàn)闊釟馊苣z滅火技術(shù)本身就具有快速反應(yīng)并生成滅火顆粒的特點(diǎn)；另一方面，可能是因?yàn)楦邏洪_關(guān)柜內(nèi)各隔室的空間體積有限，滅火所需要的熱氣溶膠用量少，反應(yīng)時(shí)間短。

滅火時(shí)間可以用來衡量熱氣溶膠的滅火效率。3次試驗(yàn)均滅火成功，并且用時(shí)極短，最長滅火時(shí)間也僅僅只有3.22 s。試驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論分析得到的結(jié)論。高壓開關(guān)柜的密閉性良好，采用熱氣溶膠技術(shù)實(shí)施保護(hù)的方法是行之有效的，且數(shù)據(jù)顯示熱氣溶膠的滅火效率非常高。

持續(xù)噴射時(shí)間可以體現(xiàn)氣溶膠滅火技術(shù)的特點(diǎn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)，持續(xù)噴射時(shí)間與熱氣溶膠的使用量呈正相關(guān)。3次試驗(yàn)中，電纜室的熱氣溶膠使用量最多，為60 g，持續(xù)噴射時(shí)間最長，噴射完全部熱氣溶膠需要5.45 s。手車室和母排室的熱氣溶膠相對少，均為30 g，持續(xù)噴射用時(shí)比電纜室短大約1 s。這說明熱氣溶膠完全釋放需要一定過程，持續(xù)噴射時(shí)間受氣溶膠質(zhì)量影響較大，氣溶膠越多，完全釋放時(shí)間越長。但是，在高壓開關(guān)柜中，各隔室空間有限，所需的氣溶膠質(zhì)量都不會(huì)太大，持續(xù)噴射時(shí)間整體較短。

2.2 降塵情況對比

氣溶膠噴射時(shí)溫度較高，若滅火裝置導(dǎo)流口附近有遮擋物阻礙噴射路徑，則遮擋物上會(huì)產(chǎn)生一種溫度較高的黑色聚集物，冷卻后呈塊狀固體附著在遮擋物上。圖1(a)為噴射結(jié)束后在柜壁上形成黑色高溫物質(zhì)，冷卻后從柜壁上截取下來的形態(tài)如圖1(b)所示，試驗(yàn)中柜壁距滅火裝置的導(dǎo)流口0.3 m，生成的黑色高溫附著物最大厚度約0.8 cm，直徑約9 cm。該附著物伴隨高溫，可能對電氣設(shè)備造成損害，在正式應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量避免滅火裝置的導(dǎo)流口近距離朝向電氣設(shè)備。

圖1 熱氣溶膠噴射產(chǎn)物

圖2是氣溶膠工作后完全沉降的情況。由于汽油燃燒，導(dǎo)致柜內(nèi)四壁均被不同程度地熏黑，圖中手車室底表面上黑色的固體小顆粒才是K型氣溶膠的沉降物。

圖2 K型氣溶膠降塵情況

圖3是干粉滅火劑完全沉降的情況，干粉滅火劑的沉降物呈黃色粘稠粉狀物。通過對比，可以看出熱氣溶膠的降塵率明顯低于干粉滅火劑。并且干粉滅火劑的保護(hù)具有指向性，只能撲滅處于干粉噴射路徑上的火焰，無法做到像熱氣溶膠一樣覆蓋整個(gè)防護(hù)空間，滅火效率比熱氣溶膠低。這一點(diǎn)同樣驗(yàn)證了理論分析得到的結(jié)論：熱氣溶膠的降塵率極低，是清潔程度非常高的滅火材料，不至于對設(shè)備絕緣產(chǎn)生不利影響，適合在高壓開關(guān)柜中使用。

圖3 干粉滅火劑降塵情況

3 結(jié)論

（1）熱氣溶膠發(fā)生劑的化學(xué)反應(yīng)速度很快，裝置啟動(dòng)后能夠迅速產(chǎn)生具有滅火功能的熱氣溶膠滅火劑，不會(huì)因反應(yīng)緩慢而造成救火延誤。

（2）熱氣溶膠能夠在密閉條件良好的高壓開關(guān)柜中快速散布于整個(gè)防護(hù)空間，不存在保護(hù)死區(qū)。熱氣溶膠的滅火效率極高，裝置啟動(dòng)后能夠在數(shù)秒內(nèi)完成滅火任務(wù)，且無復(fù)燃現(xiàn)象。

（3）熱氣溶膠滅火劑的降塵率低，降塵率明顯低于干粉滅火劑，是一種清潔的滅火材料。但導(dǎo)流口附近噴射物的溫度較高，有設(shè)備形成遮擋可能影響到絕緣，使用時(shí)應(yīng)注意避免將導(dǎo)流口的噴射路徑朝向電氣設(shè)備。

（4）在高壓開關(guān)柜中使用熱氣溶膠時(shí)，應(yīng)根據(jù)GB 50370的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)用量。高壓開關(guān)柜在全封閉狀態(tài)下，容積修正系數(shù)Kv取1即可；開柜操作時(shí)，容積修正系數(shù)Kv可適當(dāng)增加。