電力設備火災危險性分析與防控技術*

汪嘉俊，倪順江

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084;2.城市綜合應急科學北京市重點實驗室，北京 100084)

0 引言

電力是國家經濟與社會運行的重要支撐，隨著電力系統快速發展，人類生存和生活越來越離不開電力。電力系統中分布多種電力設施設備，因其運行和結構特性，易發生短路、故障等問題，從而導致火災[1]，影響電力設備正常運行，同時還會造成生命和財產損失。

據中華人民共和國應急管理部公布的2020年1月至2020年10月全國火災形勢報告，電氣火災事故占火災總數的50.4%[2]。近年來，我國實施部分法律法規及行業標準，以遏制電氣火災事故發生，同時對用電安全提出新的要求。電氣火災事故頻發，各種突發事件對電力系統的威脅不斷加劇，尤其地震、臺風、雨雪冰凍、森林火災等公共安全事件對電力設備安全的威脅需要引起足夠重視。因此，對電網及電力設備進行火災危險性分析以及對電力設備防火滅火相關技術進行研究十分必要。

本文對電力設備火災相關風險分析進行總結與分析，包括電力設備火災機理與特性的研究現狀及其不足，總結電力設備火災風險、火災相關多災種風險評估，介紹目前主流電力設備火災監控及防火滅火技術，并對電力設備火災風險評估及防控的未來發展進行展望。

1 電力設備火災危險性分析

電力設備極易發生火災，電力系統中電力設備種類較多，火災機理與特征不盡相同，因此需要對不同設備火災相關特性進行針對性研究。其中，電纜、變壓器、開關柜和配電柜、蓄電池的火災機理與特性研究較為典型。為了更好地掌握電力設備的火災風險程度，采取針對性防火措施，對電力設備進行火災風險評估十分必要。電力設備一般屬于點位風險，尺度較小，所以將電力設備火災風險作為建筑火災風險評估、區域火災風險評估等較大尺度火災風險評估的一部分。

1.1 電力設備火災機理與特性研究

針對電纜設備，部分學者對電纜燃燒特性進行研究,Magalie等[3]在小尺寸方面從電纜結構角度分析通訊電纜的燃燒特性。針對不同電纜材料，對使用聚氯乙烯保護套[4]、橡膠電纜等多種電纜[5]的電纜燃燒特性進行研究。針對電纜在不同空間內燃燒特性的研究包括封閉空間內間距、通風等因素對電纜火災的影響研究[6]以及密閉通風、封閉以及開放空間電纜火災的對比研究[7]。此外，特高壓電纜是電纜火災特性研究的重要部分，主要針對其在火災條件下的電場相關特性進行研究，如Shao等[8]建立火災條件下特高壓輸電線纜擊穿概率的計算模型，發現特高壓擊穿概率隨溫度和煙氣密度的變化呈“S”型增長。

有關變壓器的火災機理與特性研究主要針對變壓器油的燃燒特性進行，如初始油溫對可燃氣體產生及燃燒中熱釋放速率的影響及變壓器油的水平火蔓延特性等[9-10]。部分文獻對變壓器的火災原因進行研究[11]，主要涉及可燃物種類和變壓器工作環境，研究發現變壓器火災主要是由于機械、線路故障等導致變壓器內部絕緣被擊穿放電，內部變壓器油被分解為CO等氣體，并且溫度升高，氣體膨脹導致壓強超過變壓器承受能力，油箱產生爆炸或破裂，可燃的高溫氣體進入空氣導致燃燒，并且持續點燃變壓器油，導致耦合放大效應。

針對開關柜和配電柜設備的研究主要集中在其內部開關元件燃燒與升溫特性[12-13]。配電柜與開關柜結構和工作環境大致相同，因此其火災機理基本一致，火災原因大致相同。目前，對于開關柜火災原因的研究較多，且主要涉及特定的案例分析，對于開關柜和配電柜進行系統火災分析的研究較少[14]。

隨著新能源電力發展，新能源儲電儲能設備應用越來越廣泛，如鋰電池、氫燃料電池以及儲能電站等。對新能源電力設備的火災機理特性研究以鋰電池為主，如儲能電站火災原因分析或電廠中鋰電池儲能系統火災危險性及風險應對措施等[15-16]。由于鋰電池燃燒會產生有毒物質，因此對鋰電池燃燒產生的氣體相關研究十分重要，如Zhang等[17]研究鋰離子電池內部溫度和電壓以及熱失控期間產生的氣體，評估產生氣體的毒性效應，認為在熱失控過程中，電池內部溫度明顯高于表面溫度，產生的主要有毒氣體是CO和HF，氣體含量隨荷電狀態的增加而增加。部分學者針對于蓄電池組火災原因進行研究[18-19]。

綜上，現有研究大部分基于事故原因調查分析，有關設備發生火災原因、機理與特性分析以總結性描述為主，從系統角度出發，利用定量方法研究電力設備的火災危險性較少。電力設備火災機理與特性分析可從可能性分析和后果分析2個部分進行。可能性分析基于火災三角形理論，全面分析電力設備工作時存在的可燃物性質和電力設備自身、工作環境和外部環境中存在的潛在著火源以及助燃物分析；后果分析可著重分析可燃物的燃燒性能、電力設備功能特性及其在整體電力系統中的影響。

1.2 電力設備火災風險評估

在火災風險評估中，電力設備視為空間/區域火災風險的部分風險因素。火災風險評估方法主要包括定性方法、半定量方法和定量方法，其中定性方法的主觀誤差較大。上述方法均需考慮火災發生的概率和火災可能引起的后果。由于不同場景的火災模式存在差異，需要結合具體場景將電力設備火災風險納入綜合火災風險考慮范圍。

半定量方法一般通過構建指標體系[20]，由專家打分或根據經驗分析得出火災風險等級，常用方法包括德爾菲法或者層次分析法。近年來，模糊數學的應用[21]使得半定量方法中權重判定更加科學合理，能夠將評價從定性評價轉變為定量指標，直觀地表達火災風險。但主觀因素對風險評估影響較大，一般用于快速判斷火災風險的相對大小。定量方法是基于概率論與數學統計方法，以歷史數據等客觀數據為基礎，量化火災頻率和后果。常用的方法有事件樹、貝葉斯網絡、動態貝葉斯網絡、蒙特卡羅模擬等，但方法需要大量火災統計數據[22]。隨數據統計分析技術快速發展，火災相關的定量風險評估更加方便精確。

火災風險評估是世界各國關注的重點，如美國道化學公司提出的 “火災、爆炸危險指數評價法”等。此外，火災相關算法和軟件也在持續發展，如英國開發的火災風險評估輔助工具Dwelling Risk Assessment Toolkit、High Occupancy Building Risk Assessment Toolkit 等。靈活快捷的火災風險評估以及統一的評估規范，是火災風險評估研究的國際化趨勢。

近年來，Natech事件(自然災害引發的事故災難)[23]逐漸引起人們重視。自然災害同樣對電力設備安全存在較大威脅。Natech事件風險評估主要基于自然災害和目標設備的特征確定以及自然災害對目標設備的損害模型[24]。模糊評價法和層次分析法廣泛應用于Natech風險評估中，如Cruz等[25]開發的Natech風險指數，包含火災風險或火災相關危險設備及其生產過程的危害程度。因此，電力設備同樣被納入Natech風險后果評估中。

2 電力設備火災監控及防火滅火技術

電力設備火災頻發，危險性大，對電力設備火災進行防控相關技術，也是電力設備火災研究重點。電力設備火災防控首先要做好對電力設備的狀態監控，并在出現火災風險時及時報警；同時，需要采取措施防止電力設備火災發生，加強本質安全。在火災發生之后要及時采取有效措施進行滅火，研究重點是變壓器、電線電纜以及鋰電池等新能源設備的防火滅火。除科學研究成果之外，相關企業也研制出較多電力設備火災監控及防火滅火相關產品。

2.1 電力設備火災監控

自動報警系統是實現火災監控的關鍵技術之一，主要包括2個部分，一是對火災的物理特性進行探測，二是處理分析探測到的物理量后報警。傳統火災探測器按敏感元件類型不同，主要針對火災時產生煙霧、環境溫度、光強變化以及可燃氣體濃度等進行探測。當探測到相關物理量出現異常，會通過自動報警裝置報警。

1)多源數據智能探測與報警

火災發生特征可由多個物理量共同描述，但傳統火災探測器往往針對某單一物理參數進行探測，導致探測結果易受周邊環境因素影響，使系統對探測結果的判斷出現偏差，出現誤報或漏報。近年來，隨數據整合和數據分析技術發展，多源數據、多特征火災智能報警系統逐步發展，如汪書蘋等[26]設計的吸氣式復合探測器，可以模仿人對火災的判斷，實施多元同步探測，綜合分析多種火災特征參數，并應用智能算法進行融合，以進行智能化報警；Gao等[1]從新一代信息技術和算法驅動出發，研發出針對多種參數的監測設備，并制定相應預警方法和判斷規則，解決了“看不見摸不著”的電火災問題。

2)新信息技術

新信息技術發展與進步使得數據傳輸更加高效便捷，火災監控數據傳輸也有新的發展。大數據、云平臺是新信息技術的典型代表，在電力火災監控預警中起到重要作用。如基于物聯網和云平臺技術的電氣火災監測系統，通過對電力設備火災中的關鍵參數進行數據統計和跟蹤[27]或對城市電網用電規律及安全系數等相關數據進行全面多維度處理分析，可及時判斷電氣火災風險，動態監測各種消防設施的有效性，實現動態實時監測和預防控制[28]。

此外，信息傳輸技術如無線傳輸電力火災監控，在保持建筑物原有結構條件下，監控電力線路的電流等參數預防火災風險，或通過CAN總線對火災監測節點獲得的參數進行連接[29-30],實現系統之間的資源和服務共享。

3)火災圖像跟蹤探測技術

對于火災監控最直觀的方法即通過圖像視頻進行跟蹤觀察。傳統方法一般對火焰圖像進行信息分析，如米銳[31]通過火焰形態和火焰顏色特征對火焰圖像進行處理，但因火災情況一般較為復雜，該分析方法受限較大。隨機器學習、神經網絡等概念提出，火災圖像跟蹤識別技術得到新的提升[32-33]，該方法主要根據火災靜態和動態特征，結合火焰多個參數和火焰形狀等對火災進行識別，然后通過神經網絡對提取的特征進行檢測。

綜上，傳統火災探測與報警模式功能較單一，監測面較窄，已無法滿足現代化的火災監控需求。更加智能的探測與報警技術、圖像跟蹤識別技術等，能夠確保火災監控報警及時準確，云平臺、云計算、物聯網、無線傳輸技術等使火災監控報警更加全面快捷。

2.2 電力設備防火滅火技術

為防止電力設備火災或在火災之后能夠及時采取有效措施，是保護電力設備安全的重要部分，主要包括變壓器防火滅火、電線電纜防火滅火以及新能源電力設備防火滅火3個部分。

1)變壓器防火滅火

電力變壓器是電站和變電站中最重要的設備之一。室外大型變壓器的防火滅火最常用的方法是水噴霧滅火，除此之外還有合成泡沫噴霧、排油注氮滅火等；室內變壓器的防火滅火方法主要有惰性氣體、CO2氣體滅火裝置和熱氣溶膠等滅火技術。現有研究主要針對已有方法進行改進，如合成泡沫滅火劑的評價與篩選[34]、改造排油注氮消防系統[35]等。

2)電線電纜防火滅火

在電網中，電線電纜短路、漏電、過熱等經常引發火災。對電纜的防火滅火研究主要集中在電線電纜材料選擇，從一般阻燃線纜、無鹵線纜等繼續發展低煙無鹵阻燃的綜合新技術電纜，是未來研究重點[36]。

3)新能源電力設備防火滅火

隨新能源技術發展，鋰電池和氫能電力設備成為電力系統的重要組成部分，新能源汽車是目前各國用以解決能量短缺以及環境污染問題的主要手段之一。對鋰電池的滅火研究主要在于滅火介質選擇以及細水霧、七氟丙烷等滅火劑的開發等方面[37-38]。對氫能儲能電力設備的防火滅火研究主要在于儲氫瓶復合材料的選擇與設置以及氫能電力設備滅火劑的選擇與研究[39-40]。此外，對于鋰電和氫能新能源汽車的防火滅火也是研究的重點[41]。

目前，針對重點電力設備的滅火研究，主要在于滅火介質的選擇、防火材料以及消防裝置研發，以滅火效果為主，忽略滅火后對電力設備的保護。

3 問題與研究展望

電力設備火災危險性分析與防控技術研究尚有不足，具體體現在：電力火災機理與特性研究以定性總結為主，缺乏系統性研究；電力火災風險評估以單一對象和定性為主，缺乏更加定量化的分析；電力設備防火滅火傳統方法還存在功能單一等問題，新的技術和方法尚未興起。因此，未來關于電力設備火災危險性分析與防控技術的研究可從以下4個方面入手：

1)應系統利用定性和定量結合的方法，研究電力設備火災的機理與特性。如通過可能性和后果分析，研究電力設備工作時存在的可燃物性質、潛在著火源和助燃物以及電力設備的功能特性和在整體電力系統中的影響等。

2)利用火災統計數據積累，發展更精細的電力設備風險評估方法，準確量化火災頻率和后果。重點需要考慮電力設備火災風險中可能存在的多災種耦合效應，包括自然災害導致事故災難的Natech事件中，電力設備火災作為次生衍生事件的風險以及電力設備火災引發的其他生命線基礎設施事故風險。通過建立電力設備火災中的多災種耦合關聯成災模型，解決耦合風險的非線性加和及量化問題。

3)在信息技術和智能電網發展基礎上，開發更加可視化、數字化、智能化的電力火災監控預警和應急管理系統，包含多源數據、火災多特征分析、利用機器學習和神經網絡進行火災圖像分析處理以及多要素聯合的風險時空分布可視化技術等。

4)由于新能源電力設備快速發展，鋰電池、氫能電力設備等出現溫度高、爆炸、中毒等問題，電力設備防火滅火研究需要進一步考慮人員安全防護，如中和毒性、控制溫度、爆炸防護等，同時，需要針對新能源電力設備特性，改進消防人員的防護服等防護設備。

4 結論

1)在廣泛調研基礎上，梳理歸納電纜、變壓器、開關柜和配電柜、蓄電池等電力設備火災機理與特性研究現狀，指出電力火災危險性分析及風險評估主要方法為定性或者半定量方法。

2)對電力設備火災風險、火災相關多災種風險評估進行總結，介紹目前先進電力設備火災監控技術，如多源數據智能探測與報警、大數據、云平臺等，簡要介紹變壓器、電線電纜、鋰電池、氫能電力設備等的防火滅火技術。

3)針對電力設備火災危險性分析與防控技術研究存在問題，需進一步定量化和系統化進行風險分析，智能化與全方位進行電力火災監控，提高并完善滅火技術。