變電站消防機器人消防介質供給方案設計

張茂春，徐 岳，張 偉，阮鵬程，劉丙偉

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250012；2.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118；3.國網智能科技股份有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

消防機器人是用于滅火防爆作業的先進機械設備。在面臨高溫、有毒、缺氧和濃煙等危險復雜環境時，機器人可替代消防人員執行滅火救災任務，從而可有效保障消防人員的人身安全［1］。近年來消防機器人在高層建筑火災［2］、隧道火災［3］、森林火災［4］和爆燃爆炸［5］等危險復雜的火場環境中發揮著越來越重要的作用。

變電站對消防安全有著較高要求。變電站中包含數量較大的各類大中型變壓器，變壓器中油量存儲大，變壓器工作過程中產生熱量高，發生火災的風險較高。目前，多數變電站為無人值守模式，火災發生后極易快速蔓延導致火勢失控，造成變壓器損壞、電網癱瘓等嚴重后果［6］。為保證變電站消防安全，電力和消防工作者做出了大量的貢獻。例如：在變電站內部安裝各類傳感器或攝像機對變電站內部高溫、煙氣進行實時檢測［7-8］；采用巡檢機器人［9-10］對火情進行檢測和定位，發現火情后及時向運維中心報告；對巡檢機器人的巡檢路線進行拓撲優化，獲取最佳巡視路線，給多個巡檢機器人進行區域劃分，進行協同作業［11］；通過可視化設備與虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術相結合，提高了對事故的快速響應能力［12］；在變電站內安裝噴淋滅火系統，火災發生后通過自動觸發或遠程遙控等方式進行滅火作業［13-14］；采用S 型氣溶膠應用到變電站滅火系統中，可避免利用水等滅火介質對電氣設備的二次損害［15］。

由于機器人具有機動性能好，地形及環境適應性強等特點，因此也可將機器人用于變電站滅火作業［16-17］。但傳統消防機器人在變電站領域應用時存在較大局限性，如多數消防機器人滅火介質（多數為水）單一，且受體積和重量等因素限制，機器人本體很難攜帶足夠多的消防水，導致機器人火災撲滅能力大打折扣。若給機器人配備消防車進行滅火工作，則造成滅火作業不便。為解決上述問題，滿足機器人應用于變電站消防場景的使用需求，保證機器人滅火能力，對應用于變電站的消防機器人（如圖1 所示）進行了消防介質供給方案設計。該消防介質供給方案為機器人提供了超細干粉、消防水和泡沫等3種滅火介質。其中超細干粉由安裝于機器人本體上的標準干粉罐儲存提供，便于快速更換，提高效率；消防水和泡沫由設計配備的消防介質供給裝備提供，通過該裝備與機器人之間的水帶對接，實現持續穩定的消防水和泡沫噴射，泡沫比例可根據需要進行調整。變電站消防機器人多種消防介質供給方案的設計，可提高變電站消防機器人的滅火能力，對保證電網安全運行具有重要意義。

圖1 變電站消防機器人

1 干粉供給方案

干粉滅火劑特別適用于油類物質和電氣設備所引起的B 類和E 類火災［18］。對于變電站內小型電抗器、電容器等帶電設備及變壓器油產生的火災，特別是初期火災，干粉具有優良的撲滅能力，有著與消防水和泡沫不可比擬的滅火優勢。超細干粉滅火劑具有較好流動性、彌散性、疏水性和電絕緣性等性能，當前滅火劑粒子的細化已成為提高滅火能力的主要方向之一［19］。因此，為變電站消防機器人配備了干粉滅火方式，且其使用的干粉滅火劑為滅火效果優良的超細干粉。超細干粉由安裝于機器人本體上的兩個干粉罐提供，如圖2 所示。機器人可獨立使用干粉進行滅火，使得機器人具有更好的機動性。干粉罐固定在機器人底盤殼體上，采用標準干粉罐體和接口，便于快速更換，提高作業效率。

圖2 機器人去除外罩照片（后部）

2 消防水和消防泡沫供給方案

2.1 消防介質供給裝備

消防水是最常見的滅火介質。消防水具有廉價、易獲取、比熱大、流動性強、高壓噴射距離遠等特點，具有較好的滅火和降溫性能。若通過消防機器人本體攜帶消防用水，則會造成機器人體積過于龐大，重量大幅增加，機器人機動性和靈活性降低，且機器人自身消防水攜帶量有限，存在供應不持續的問題。為給機器人在滅火時提供持續且壓力充足的消防水和泡沫，保證機器人滅火能力，給變電站消防機器人設計配備了消防介質供給裝備，如圖3 所示。消防介質供給裝備采用四輪移動式底盤，前輪具有轉向功能，方便在變電站內移動，四條支腿撐起時可進行固定。消防介質供給裝備內含一個1 m3的消防水存儲罐，罐體與站內消防栓連接，提供持續供水，也可斷開連接單獨使用，如圖4 所示。消防水存儲罐上設有泄壓閥和溢流閥，壓力升高時進行泄壓，以防止壓力超過水帶的額定壓力脹破水帶。當消防水進水量超過消防水存儲罐體積時，多余的消防水在泄壓閥流出，對消防水存儲罐進行有效的保護。罐體上還設有消防水液位指示器，可隨時在消防介質供給裝備外部查看消防水水位。應定期查看消防水水位情況，當發現消防水不足時應及時補充。消防介質供給裝備內裝有增壓泵，用于把消防水或泡沫增壓，以增加機器人噴射距離，提高滅火效果。消防水通過水帶供應給機器人滅火使用。

圖3 變電站消防機器人消防介質供給裝備外觀

圖4 消防介質供給裝備內部主要結構

2.2 消防水帶對接與收放

消防水帶是連接消防介質供給裝備和機器人的中間部件。在未與機器人連接時，消防水帶纏繞在消防介質供給裝備內的卷盤上，當外力抽拉水帶時，水帶可在外力作用下放出。卷盤上裝有齒輪減速裝置，水帶用完且與機器人斷開連接后，電機驅動齒輪減速裝置帶動卷盤轉動進行水帶收回操作。機器人上的消防水帶對接口位于機器人背部下方，如圖2 所示，對接口設置有凹槽。消防介質供給裝備上的對接裝置位于底部，高度與機器人對接口保持一致。消防介質供給裝備上的對接裝置的端部為喇叭口結構，如圖5 所示，該結構允許機器人在一定誤差范圍內順利完成對接。控制系統可實現機器人本體對接口與供給裝備對接口的自動對接，也可手動遙控機器人完成對接操作。自動對接指令發出后，機器人首先到達指定位置，在設定誤差范圍內向后倒車，觸動供給裝備上的彈性對接裝置，供給裝備對接口中含有的彈性楔形塊嵌入到機器人對接口的凹槽中，從而完成供給裝備對接口與機器人對接口的水帶對接。當機器人檢測到供給裝備對接口與機器人對接口誤差過大時，會無法完成對接，此時控制系統根據機器人采集到的圖像，分析出誤差超出的范圍，控制機器人向前移動并調整角度再次倒車，縮小誤差后重新進行對接。如果兩次自動對接失敗，消防控制平臺向運維人員反饋對接失敗信息，請求人工介入，再由運維人員通過計算機控制系統或遠程遙控箱進行手動控制完成對接。對接成功后，機器人向前行進，將消防水帶從供給裝備中的卷盤上拉出，消防供給裝備上的消防水開關打開，到達合適的滅火位置后機器人可在自動或在遠程控制指令下進行噴水滅火操作。圖6 所示為機器人與消防介質供給裝備水帶成功對接的圖像。

圖5 消防介質供給裝備上的對接裝置結構原理

圖6 機器人與消防介質供給裝備水帶成功對接畫面

2.3 消防泡沫供給方案

消防泡沫主要利用水的冷卻作用、泡沫的隔絕空氣作用和遮斷作用來達到滅火的效果［20］。消防泡沫具有成本低、滅火效率高和環境污染小等特點，消防泡沫在撲救A類、B類火災上得到了廣泛應用［21］。消防介質供給裝備中裝有泡沫裝置，泡沫裝置主要由泡沫泵和泡沫罐等組成。消防泡沫由泡沫泵生成，采用高倍水成膜型泡沫劑。泡沫劑存儲于泡沫罐中，泡沫比例可根據需要選擇3%、5%、10%和20%進行設置，泡沫比例參數通過計算機控制系統或遠程遙控箱設定。設定好比例參數后，泡沫泵將泡沫劑從泡沫罐中抽出，與消防水混合，從而生成消防所需泡沫，通過消防水帶輸送給機器人滅火使用。

3 滅火試驗

為驗證消防機器人的火災撲滅能力，檢驗干粉、消防水和泡沫的供應能力，進行了漫水、砂石、溝壑、障礙物、坡道等多種地面狀況，以及高溫、煙霧等不同環境下的滅火試驗，如圖7 所示。測試結果表明，機器人地面通過能力強，在不同環境下均具有較好的滅火能力。機器人與消防介質供給裝備對接順暢，消防水壓力充足，泡沫混合均勻。通過測量得出，機器人水柱噴射最大距離29.8 m，細水霧噴射最大距離為10.2 m，可長時間持續進行滅火作業。在斷開與消防介質供給裝備連接狀態下，機器人可獨立工作。采用干粉滅火劑進行滅火時，試驗測得干粉最大噴射距離為8.5 m，可持續噴射40 s，干粉有效滅火面積183 m2，干粉用完后干粉罐可實現50 s 內快速更換。機器人配備的蓄電池在滿電狀態下可保證機器人連續工作2 h 以上。通過遠程遙控系統，可操作機器人進行不同滅火介質的靈活切換。總體來看，機器人滅火效果良好，可滿足變電站多種火災場景的消防需要。

圖7 滅火試驗畫面

4 結語

為確保變電站消防機器人的滅火能力，對機器人進行了消防介質供給方案設計，為變電站消防機器人提供了超細干粉、消防水和泡沫等多種滅火介質。超細干粉由安裝于機器人本體上的標準干粉罐儲存提供，便于快速更換，提高效率；消防水和消防泡沫由消防介質供給裝備提供，消防介質供給裝備具有增壓功能，可實現與機器人之間的水帶對接和收放。滅火試驗結果表明，消防介質供給方案合理可行，消防介質切換靈活，可保證機器人具有良好的火災撲滅能力。