鄧長征，龔燎原，楊 楠，許曉明

（1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學 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備，然而封閉式高壓開關(guān)柜的運行工況復雜，工作環(huán)境惡劣，內(nèi)部散熱性能差，容易造成柜內(nèi)電力設備異常升溫，導致事故率很高，火災事故最為嚴重[1-3]。如何安全、高效地處理高壓開關(guān)柜帶電火災成為了目前運維工作人員需要解決的難題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，當下對電氣設備管理以及運行安全性的要求越來越高，如何根據(jù)其特點，最大化利用優(yōu)勢、避開缺陷成為一時間眾多科研工作者開展研究的落腳點。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[4]利用現(xiàn)有的柜體模型，將一體化金屬底板設計改造為嵌入橡膠活塞的復合式底部結(jié)構(gòu)，無需開柜，滅火材料可通過橡膠活塞直接進入柜內(nèi)。此項成果，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間。2014年，國家標準GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范（2018年版）》的發(fā)布，為研究指明了方向，高壓開關(guān)柜的火災防護有了新的轉(zhuǎn)折，自動滅火技術(shù)的應用和發(fā)展得以快速推進。文獻[5]將小型懸掛式儲壓干粉滅火裝置引入高壓開關(guān)柜，通過固定式的連接，由溫度傳感器自動啟動裝置實現(xiàn)滅火，并利用1：1比例的手車室模型模擬滅火試驗，驗證了其方法是合理有效的。隨著經(jīng)驗的不斷積累，人們對帶電火災的認識越來越清晰，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事故的必備條件。早些時候，可供選擇的滅火劑還很局限，在一些帶電火災的處理過程中依然沿用比較普通的滅火材料，如文獻[6]論述了用水撲滅帶電火災的具體實施方法，為避免導電對人體造成傷害，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，同時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，帶電火災事故中使用具有導電性的滅火材料，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，不導電滅火劑的科研技術(shù)逐漸成熟，受到廣泛認可，才使帶電環(huán)境下的火災救援工作取得突破性進展。文獻[7,8]通過總結(jié)、對比各種帶電滅火技術(shù)的實施方案，指出采用不導電滅火材料（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備絕緣強度產(chǎn)生的影響，具有重要的應用價值。在此基礎上，文獻[9,10]進一步拓寬視野，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。近年來，氣溶膠滅火劑發(fā)展迅速、技術(shù)標準基本成熟，已經(jīng)在一些綜合性領域得到初步應用，尤其是電動汽車和船舶上最為常見，這也給高壓開關(guān)柜的火災防護帶來了啟發(fā)。

為了測試熱氣溶膠滅火技術(shù)對高壓開關(guān)柜火災的實際保護效果，本研究以KYN28A-12型高壓開關(guān)柜為保護對象，采用K型熱氣溶膠滅火劑及裝置，對高壓開關(guān)柜進行全淹沒式滅火試驗，此試驗模擬了柜內(nèi)起火的真實場景，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)柜中應用的特點。主要目的是為了核實熱氣溶膠的滅火效率，驗證其在高壓開關(guān)柜中應用的可行性，確保滅火的高效性和可靠性。

1 試驗概述

1.1 試驗方案

熱氣溶膠具有高效滅火、清潔環(huán)保和安全無毒等特點，氣溶膠滅火顆粒在密閉性良好的空間中懸浮能力極強，且不會對電氣設備產(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。本試驗模擬柜內(nèi)起火，采用適量的熱氣溶膠滅火劑對一次設備所在的隔室實施滅火，進一步測試熱氣溶膠材料在高壓開關(guān)柜內(nèi)的實際滅火能力，驗證該方法的可行性。在運行過程中，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，而這些電接觸點主要集中在一次設備所在的斷路器手車室、母排室和電纜室，這3個隔室是開關(guān)柜高溫預警以及消防保護的重點區(qū)域。因此，本試驗將分別以電纜室、手車室和母排室為防護空間，采用相同的方法模擬真實的火災保護。以電纜室的滅火試驗為例，具體試驗過程如下：

（1）精確測量電纜室的空間尺寸大小，通過防護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，通過導線在電引發(fā)器端接入一個直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓恒定為直流24 V；

（4）將油盤預燃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）手動啟動滅火裝置，觀察滅火過程并記錄滅火時間。

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裝置，又可以通過熱能觸發(fā)，啟動電壓為直流6 V～24 V。為了保證相同的試驗條件，此次試驗均采用人工手動觸發(fā)的方式啟動裝置，所以事先將滅火裝置左端的熱敏感溫線摘除，保證啟動方式的唯一性。沒有動作時，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反應室中，通過電引發(fā)器給予其引發(fā)燃燒所需的最低能量，發(fā)生反應后產(chǎn)生氣溶膠。

3次試驗均采用手動開關(guān)的觸發(fā)方式，利用導線將一臺小型穩(wěn)壓電源與滅火裝置的電引發(fā)器串聯(lián)，輸出電壓設置為恒定的直流24 V，滅火時手動閉合開關(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)器提供反應所需的足夠能量，經(jīng)過快速反應后，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立空間，主要由四個部分構(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備部分，故二次設備和繼電器儀表室忽略不計。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計

熱氣溶膠滅火系統(tǒng)的滅火設計用量應按GB 50370《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》的要求[13]。試驗采用K型熱氣溶膠滅火劑，滅火設計密度為0.08 kg/m3，試驗用高壓開關(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)公式計算熱氣溶膠滅火劑的具體用量，選量計算見表2。

表2 熱氣溶膠滅火劑用量設計參數(shù)

3個隔室中，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，電纜室的滅火劑實際用量為60 g，手車室和母排室的實際用量均為30 g。

2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 試驗時間

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

表3 開關(guān)柜全淹沒式滅火試驗數(shù)據(jù)

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

啟動時間可以用來衡量發(fā)生劑的反應速度。3次試驗的平均啟動時間均在0.9 s左右，說明熱氣溶膠反應速度非?？欤粫鹨蚍磻斐傻难诱`。一方面，這是因為熱氣溶膠滅火技術(shù)本身就具有快速反應并生成滅火顆粒的特點；另一方面，可能是因為高壓開關(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，反應時間短。

滅火時間可以用來衡量熱氣溶膠的滅火效率。3次試驗均滅火成功，并且用時極短，最長滅火時間也僅僅只有3.22 s。試驗結(jié)果很好地驗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)實施保護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)噴射時間可以體現(xiàn)氣溶膠滅火技術(shù)的特點。從試驗數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)，持續(xù)噴射時間與熱氣溶膠的使用量呈正相關(guān)。3次試驗中，電纜室的熱氣溶膠使用量最多，為60 g，持續(xù)噴射時間最長，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)噴射時間受氣溶膠質(zhì)量影響較大，氣溶膠越多，完全釋放時間越長。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)量都不會太大，持續(xù)噴射時間整體較短。

2.2 降塵情況對比

氣溶膠噴射時溫度較高，若滅火裝置導流口附近有遮擋物阻礙噴射路徑，則遮擋物上會產(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，試驗中柜壁距滅火裝置的導流口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，可能對電氣設備造成損害，在正式應用時應盡量避免滅火裝置的導流口近距離朝向電氣設備。

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防護空間，滅火效率比熱氣溶膠低。這一點同樣驗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)生劑的化學反應速度很快，裝置啟動后能夠迅速產(chǎn)生具有滅火功能的熱氣溶膠滅火劑，不會因反應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防護空間，不存在保護死區(qū)。熱氣溶膠的滅火效率極高，裝置啟動后能夠在數(shù)秒內(nèi)完成滅火任務，且無復燃現(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。但導流口附近噴射物的溫度較高，有設備形成遮擋可能影響到絕緣，使用時應注意避免將導流口的噴射路徑朝向電氣設備。

（4）在高壓開關(guān)柜中使用熱氣溶膠時，應根據(jù)GB 50370的相關(guān)規(guī)定設計用量。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，容積修正系數(shù)Kv可適當增加。