一種電纜橋架主動(dòng)滅火裝置的研究與應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 劉寶吉 吳棉廷 羅其鋒 李新海

電纜在發(fā)電廠、變電站內(nèi)的廣布性、電纜的易燃性、電纜著火的串延性、電纜著火后果的嚴(yán)重性使電纜的防火工作受到了電力部門(mén)、消防機(jī)構(gòu)和科研機(jī)構(gòu)的高度重視。線纜設(shè)備的專屬設(shè)備間電纜室可能存在的隱患有兩種：一是設(shè)備室封堵不良導(dǎo)致小動(dòng)物啃嚙設(shè)備電纜導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作，此種隱患可能導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)，但一般更換單條或?yàn)閿?shù)不多的幾條電纜即可消除故障；二是設(shè)備電纜發(fā)生火災(zāi)，此情況一旦發(fā)生將造成若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情并及時(shí)處理，可能導(dǎo)致整個(gè)變電站設(shè)備癱瘓?jiān)斐扇臼海M(jìn)而破壞整個(gè)片區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

考慮到電纜設(shè)備的宜彎折及單條電纜的耐碾壓、剖面占用空間小等特性，電纜室一般堆疊使用電纜橋架進(jìn)行布置，各條電纜都通過(guò)在電纜橋架上的堆疊進(jìn)行走線。電纜橋架可以看做為站內(nèi)電纜相對(duì)集中的一個(gè)匯集點(diǎn)，具有縱橫交叉的多層結(jié)構(gòu)，具有空間狹小且開(kāi)放的特點(diǎn)。電線、電纜絕緣層的可燃性的橡膠、聚氯乙烯等高分子有機(jī)化合物在焚燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量達(dá)19000～46000kJ/kg，而電線、電纜的銅芯熔點(diǎn)約在1038℃，鋁芯熔點(diǎn)在658℃，電線、電纜絕緣層的熔點(diǎn)卻遠(yuǎn)低于這些數(shù)值，如聚氯乙烯塑料熔點(diǎn)僅為120℃。當(dāng)群體成束電線、電纜事故發(fā)生熱點(diǎn)高溫可達(dá)800～1100℃[2]。

為更好的完成變電站設(shè)備的防火工作，本文設(shè)計(jì)了一種電纜橋架主動(dòng)滅火罩，從阻燃、窒息、冷卻三個(gè)維度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種集防火、阻火、滅火為一體的主動(dòng)滅火罩，覆蓋在各層電纜橋架上，來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)電纜的隔離和滅火，降低對(duì)電纜的傷害，保護(hù)電纜橋架層，防止傷及其他層上的電纜，有效提高變電站電纜安全性，為電網(wǎng)的可靠運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)電纜本體絕緣擊穿、接地系統(tǒng)故障或接地系統(tǒng)接線錯(cuò)誤導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱、設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)行狀況下容易產(chǎn)生高溫過(guò)熱、操作人員誤操作造成電纜、電纜短路，發(fā)生過(guò)負(fù)荷，加劇電線、電纜表層成倍發(fā)熱，當(dāng)熱量超過(guò)設(shè)備燃點(diǎn)，將造成電纜起火，由于電纜橋架的“緊密”銜接，就相當(dāng)于大量可燃物堆疊在一起，將造成恐怖的火災(zāi)，發(fā)生電氣火災(zāi)事故還會(huì)引起其它連鎖事故。塑料電線、電纜燃燒蔓延速度快，而且還產(chǎn)生大量的有毒有害氣體如氯化氫、一氧化碳等，使人處于窒息、中毒狀態(tài)，面臨死亡的危險(xiǎn)。同時(shí)，在熄滅時(shí)鹵化物氣體經(jīng)燃燒反應(yīng)會(huì)生成強(qiáng)烈的酸霧，對(duì)人、物、環(huán)境造成了“二次沾染”，使現(xiàn)代智能型高層電氣、電子設(shè)備受到強(qiáng)酸侵蝕，結(jié)果也相當(dāng)重大。

目前對(duì)電纜橋架的火災(zāi)防護(hù)措施主要有兩種：一是選用阻燃電纜，即在電纜的絕緣層和護(hù)套之間增加一層阻燃材料，以阻止或延緩火勢(shì)的蔓延；二是在電纜本體上噴涂防火涂料，在火災(zāi)中阻止火苗對(duì)電纜的入侵。但是當(dāng)前的電纜橋架的火災(zāi)防護(hù)措施存在以下弊端。

電線電纜從絕緣層的油浸電纜紙、交聯(lián)聚乙烯、乙丙橡皮等材料到油麻、聚氯乙烯外護(hù)套材料等都是易燃性物質(zhì)[3]，電纜絕緣層和護(hù)套間的阻燃材料主要靠材料本身的高燃點(diǎn)來(lái)阻燃，無(wú)自熄滅能力，電纜本體或附屬設(shè)施發(fā)生絕緣擊穿故障時(shí)產(chǎn)生的溫度高達(dá)上千度，據(jù)統(tǒng)計(jì)，若火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)若人員未立即發(fā)現(xiàn)并滅火，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生明火后溫度將長(zhǎng)時(shí)間保持在800～1100℃，此時(shí)溫度已超出阻燃材料的燃點(diǎn)，阻燃材料會(huì)完全“失效”。

電纜本體上的防火涂料需逐條刷涂才能充分發(fā)揮其防火功能，同時(shí)阻燃材料的刷涂?jī)H在電纜進(jìn)出口3m，上至電纜橋架的中間電纜是不刷圖防火涂料的，若中間電纜起火，防火涂料僅能保證不外延至進(jìn)出口，將火情控制在固定空間內(nèi)，無(wú)法起到滅火或保護(hù)空間內(nèi)電纜的作用。同時(shí)阻燃效果受涂抹工藝影響較大，一旦材料涂抹不均勻其效果大打折扣。現(xiàn)階段由于社會(huì)發(fā)展速度增快，站內(nèi)設(shè)備擴(kuò)容或新建設(shè)變電站的任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備施工質(zhì)量難以把控，極易產(chǎn)生防火涂料涂刷不到位的情況。同時(shí)，防火涂料受環(huán)境影響也較大，受潮或施工過(guò)程受到剮蹭容易脫落，使得電纜失去涂料保護(hù)，需要現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員定期檢查更換，維護(hù)成本高[4-5]。

電纜橋架往往深而狹長(zhǎng)且多層分布，如圖1所示，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電纜絕緣層達(dá)到燃點(diǎn)，堆疊的電纜可視為堆疊的可燃物，此時(shí)火焰極易蔓延至上下各層，擴(kuò)大火災(zāi)范圍，現(xiàn)有的電纜橋架的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致會(huì)增加滅火難度。電纜夾層縱向空間相對(duì)較大且開(kāi)放，一般氣體滅火系統(tǒng)不能有限滅火，水霧噴淋系統(tǒng)滅火，會(huì)給帶電線纜帶來(lái)新的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

圖1 電纜橋架

2 一種電纜橋架主動(dòng)滅火裝置結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置具有三層防護(hù)結(jié)構(gòu)：滅火層快速冷卻滅火，阻火層隔絕外來(lái)火源對(duì)點(diǎn)燃電纜風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，防火層快速散熱加速抑制火情。既保障了電纜橋架內(nèi)部火源的擴(kuò)散，又防止了外部火源對(duì)電纜橋架的侵蝕，同時(shí)也給電纜火災(zāi)后的修復(fù)工作帶來(lái)了極大的便利，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電纜橋架主動(dòng)滅火裝置結(jié)構(gòu)

其中阻燃防火層采用的是石墨高分子納米材料，滅火層的厚度為2mm，材料可以耐受1000℃的高溫0.5小時(shí)以上；阻火粘合層是無(wú)紡布基材雙面膠，能有效將滅火層和防火層進(jìn)行粘結(jié)；全氟己酮滅火層厚度為2mm，內(nèi)含包裹了全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒，滅火層受熱后微膠囊顆粒內(nèi)的滅火藥劑會(huì)釋放到被保護(hù)的物體表面，形成隔氧層。

2.2 功能設(shè)計(jì)

電纜橋架主動(dòng)滅火罩由石墨防火層、阻火粘合層、全氟己酮滅火層等結(jié)構(gòu)組成，以實(shí)現(xiàn)多維度滅火。該裝置主要技術(shù)原理、功能如下。

石墨防火層含有石墨聚合物，是一種良好的導(dǎo)熱材料，具有很高的導(dǎo)熱性能，可將點(diǎn)熱源轉(zhuǎn)換為面熱源的快速熱傳導(dǎo)，加速抑制火情；氟己酮防火層含有全氟己酮微膠囊，遇火爆裂釋放全氟己酮?dú)怏w，該化學(xué)反應(yīng)過(guò)程需大量吸熱，從而達(dá)到滅火的效果；阻火粘合層采用高性能阻燃材料，利用其高燃點(diǎn)阻隔火勢(shì)擊穿。同時(shí)，其粘連特性也可將防火層和滅火層合二為一，實(shí)現(xiàn)外層防火、內(nèi)層滅火的雙重防護(hù)功能；主動(dòng)滅火罩激活溫度為200±10℃，可在火苗散發(fā)的前期快速激活，在火勢(shì)擴(kuò)散前抑制。保存溫度為-40～85℃（激活溫度由微膠囊決定），適用于大部分的電纜橋架環(huán)境。壽命為10年，使用周期長(zhǎng)。

2.3 電纜橋架主動(dòng)滅火裝置關(guān)鍵技術(shù)

電纜橋架主動(dòng)滅火罩具有三層防護(hù)結(jié)構(gòu)：滅火層、阻火層和防火層。通過(guò)這三層防護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，電纜橋架主動(dòng)滅火罩能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速隔離和滅火，降低對(duì)電纜的傷害，并且防止火勢(shì)蔓延，有效保護(hù)設(shè)備和人員的安全。每一層的關(guān)鍵技術(shù)如下：

滅火層：采用高效的滅火劑，為包含全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒，具有快速冷卻和滅火的能力。關(guān)鍵技術(shù)包括滅火劑的選擇和噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒能迅速釋放滅火劑，達(dá)到快速滅火的效果。噴灑系統(tǒng)需要精確控制噴灑的位置、噴射角度和噴射速度，以確保滅火劑覆蓋整個(gè)火災(zāi)區(qū)域，并迅速滅火。

阻火層：采用石墨聚合物材料，具有良好的隔熱和隔煙性能，能夠隔離外來(lái)火源，防止火勢(shì)蔓延。關(guān)鍵技術(shù)包括阻火材料的選擇和阻火層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。石墨聚合物材料具有高溫穩(wěn)定性和耐火性，能有效隔離火源，并防止火勢(shì)蔓延到其他區(qū)域。阻火層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮密封性和耐火性，確保阻火效果和耐久性。

防火層：采用無(wú)紡布基材雙面膠作為阻火粘合層，主要用于快速散熱和抑制火情。關(guān)鍵技術(shù)包括防火材料的選擇和防火層的散熱設(shè)計(jì)。無(wú)紡布基材雙面膠具有良好的散熱性能，能夠快速將熱量傳導(dǎo)和散發(fā)到外部環(huán)境，避免火災(zāi)蔓延和設(shè)備過(guò)熱。防火層的散熱設(shè)計(jì)需要考慮材料的導(dǎo)熱性和散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以提高散熱效率和保證防火層的穩(wěn)定性。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

500kV 文山變電站是南方電網(wǎng)首座500kV 戶內(nèi)GIS 變電站，同時(shí)也是南方電網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用的示范點(diǎn)。本文研發(fā)的電纜橋架主動(dòng)滅火罩已成功安裝并應(yīng)用于500kV 文山變電站的電纜室。安裝后主動(dòng)滅火罩在現(xiàn)場(chǎng)施工中實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，具體的表現(xiàn)如下。

安裝便捷：只需簡(jiǎn)單地將主動(dòng)滅火罩覆蓋在各層電纜橋架上并固定，即可完成安裝，無(wú)需額外的輔助工具；雙重防護(hù)功能：外層（防火層）可有效防御外來(lái)火災(zāi)的侵襲，內(nèi)層（滅火層）可迅速抑制電纜自發(fā)火災(zāi)的發(fā)展；散熱功能：主動(dòng)滅火罩表面設(shè)有散熱孔，確保電纜的穩(wěn)定運(yùn)行。在電纜發(fā)生火災(zāi)的過(guò)程中，石墨聚合物通過(guò)快速熱傳導(dǎo)散熱，加速抑制火情的發(fā)展；免維護(hù)、無(wú)誤報(bào)、無(wú)故障：主動(dòng)滅火罩的材料壽命長(zhǎng)，直接覆蓋在電纜橋架上即可。一旦發(fā)生火災(zāi)，主動(dòng)滅火罩將自動(dòng)激活，無(wú)需人工干預(yù)；環(huán)保，無(wú)污染：主動(dòng)滅火罩采用新型環(huán)保材料，其滅火和阻燃過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，也不會(huì)對(duì)電纜橋架及電纜造成額外損傷。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種電纜橋架主動(dòng)滅火裝置，旨在提高變電站設(shè)備的防火能力，保護(hù)電纜橋架及其中的電纜安全。當(dāng)前的火災(zāi)防護(hù)措施存在一些弊端，如阻燃材料的失效、防火涂料的不均勻施工和易脫落等問(wèn)題。因此，本文提出的主動(dòng)滅火罩通過(guò)三層防護(hù)結(jié)構(gòu)，即滅火層、阻火層和防火層，實(shí)現(xiàn)了多維度的滅火功能。阻火層采用石墨高分子納米材料，能夠快速冷卻和抑制火情；滅火層含有全氟己酮微膠囊，在火災(zāi)中迅速釋放滅火劑，形成隔氧層；而防火層則具有導(dǎo)熱性能，可以將點(diǎn)熱源轉(zhuǎn)換為面熱源，進(jìn)一步控制火勢(shì)的蔓延。

此外，裝置的激活溫度適用于大多數(shù)電纜橋架環(huán)境，具有長(zhǎng)壽命和穩(wěn)定的性能。通過(guò)使用這種主動(dòng)滅火罩，可以有效地隔離和滅火電纜橋架內(nèi)的火災(zāi)，提高變電站電纜的安全性，為電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供保障。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高裝置的實(shí)用性和適用性，并探索其他創(chuàng)新的火災(zāi)防護(hù)技術(shù)，以進(jìn)一步提升電纜橋架的安全性和可靠性。

然而需要指出的是，本文所提出的電纜橋架主動(dòng)滅火裝置還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其性能和可行性，同時(shí)還需要考慮裝置的成本、可維護(hù)性以及適用性等方面的因素。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)、優(yōu)化防火材料的選擇和開(kāi)發(fā)更高效的滅火機(jī)制等方面。通過(guò)持續(xù)的努力和創(chuàng)新，可以不斷提升變電站電纜設(shè)備的防火能力，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定供電提供可靠的保障。

總之，本文的研究為變電站電纜設(shè)備的防火工作提供了一種創(chuàng)新的解決方案，通過(guò)引入電纜橋架主動(dòng)滅火裝置，可以有效降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)電纜設(shè)備的安全運(yùn)行，這對(duì)于保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠供電和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。希望這項(xiàng)研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的專家和從業(yè)人員提供有價(jià)值的參考，進(jìn)一步推動(dòng)電纜設(shè)備防火技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。