張茂春，徐 岳，張 偉，阮鵬程，劉丙偉

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118；3.國(guó)網(wǎng)智能科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

消防機(jī)器人是用于滅火防爆作業(yè)的先進(jìn)機(jī)械設(shè)備。在面臨高溫、有毒、缺氧和濃煙等危險(xiǎn)復(fù)雜環(huán)境時(shí)，機(jī)器人可替代消防人員執(zhí)行滅火救災(zāi)任務(wù)，從而可有效保障消防人員的人身安全［1］。近年來消防機(jī)器人在高層建筑火災(zāi)［2］、隧道火災(zāi)［3］、森林火災(zāi)［4］和爆燃爆炸［5］等危險(xiǎn)復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境中發(fā)揮著越來越重要的作用。

變電站對(duì)消防安全有著較高要求。變電站中包含數(shù)量較大的各類大中型變壓器，變壓器中油量存儲(chǔ)大，變壓器工作過程中產(chǎn)生熱量高，發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)較高。目前，多數(shù)變電站為無人值守模式，火災(zāi)發(fā)生后極易快速蔓延導(dǎo)致火勢(shì)失控，造成變壓器損壞、電網(wǎng)癱瘓等嚴(yán)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(xiàn)。例如：在變電站內(nèi)部安裝各類傳感器或攝像機(jī)對(duì)變電站內(nèi)部高溫、煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)［7-8］；采用巡檢機(jī)器人［9-10］對(duì)火情進(jìn)行檢測(cè)和定位，發(fā)現(xiàn)火情后及時(shí)向運(yùn)維中心報(bào)告；對(duì)巡檢機(jī)器人的巡檢路線進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲取最佳巡視路線，給多個(gè)巡檢機(jī)器人進(jìn)行區(qū)域劃分，進(jìn)行協(xié)同作業(yè)［11］；通過可視化設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)相結(jié)合，提高了對(duì)事故的快速響應(yīng)能力［12］；在變電站內(nèi)安裝噴淋滅火系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生后通過自動(dòng)觸發(fā)或遠(yuǎn)程遙控等方式進(jìn)行滅火作業(yè)［13-14］；采用S 型氣溶膠應(yīng)用到變電站滅火系統(tǒng)中，可避免利用水等滅火介質(zhì)對(duì)電氣設(shè)備的二次損害［15］。

由于機(jī)器人具有機(jī)動(dòng)性能好，地形及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此也可將機(jī)器人用于變電站滅火作業(yè)［16-17］。但傳統(tǒng)消防機(jī)器人在變電站領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)存在較大局限性，如多數(shù)消防機(jī)器人滅火介質(zhì)（多數(shù)為水）單一，且受體積和重量等因素限制，機(jī)器人本體很難攜帶足夠多的消防水，導(dǎo)致機(jī)器人火災(zāi)撲滅能力大打折扣。若給機(jī)器人配備消防車進(jìn)行滅火工作，則造成滅火作業(yè)不便。為解決上述問題，滿足機(jī)器人應(yīng)用于變電站消防場(chǎng)景的使用需求，保證機(jī)器人滅火能力，對(duì)應(yīng)用于變電站的消防機(jī)器人（如圖1 所示）進(jìn)行了消防介質(zhì)供給方案設(shè)計(jì)。該消防介質(zhì)供給方案為機(jī)器人提供了超細(xì)干粉、消防水和泡沫等3種滅火介質(zhì)。其中超細(xì)干粉由安裝于機(jī)器人本體上的標(biāo)準(zhǔn)干粉罐儲(chǔ)存提供，便于快速更換，提高效率；消防水和泡沫由設(shè)計(jì)配備的消防介質(zhì)供給裝備提供，通過該裝備與機(jī)器人之間的水帶對(duì)接，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的消防水和泡沫噴射，泡沫比例可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。變電站消防機(jī)器人多種消防介質(zhì)供給方案的設(shè)計(jì)，可提高變電站消防機(jī)器人的滅火能力，對(duì)保證電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。

圖1 變電站消防機(jī)器人

1 干粉供給方案

干粉滅火劑特別適用于油類物質(zhì)和電氣設(shè)備所引起的B 類和E 類火災(zāi)［18］。對(duì)于變電站內(nèi)小型電抗器、電容器等帶電設(shè)備及變壓器油產(chǎn)生的火災(zāi)，特別是初期火災(zāi)，干粉具有優(yōu)良的撲滅能力，有著與消防水和泡沫不可比擬的滅火優(yōu)勢(shì)。超細(xì)干粉滅火劑具有較好流動(dòng)性、彌散性、疏水性和電絕緣性等性能，當(dāng)前滅火劑粒子的細(xì)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(jī)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(yōu)良的超細(xì)干粉。超細(xì)干粉由安裝于機(jī)器人本體上的兩個(gè)干粉罐提供，如圖2 所示。機(jī)器人可獨(dú)立使用干粉進(jìn)行滅火，使得機(jī)器人具有更好的機(jī)動(dòng)性。干粉罐固定在機(jī)器人底盤殼體上，采用標(biāo)準(zhǔn)干粉罐體和接口，便于快速更換，提高作業(yè)效率。

圖2 機(jī)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(zhì)供給裝備

消防水是最常見的滅火介質(zhì)。消防水具有廉價(jià)、易獲取、比熱大、流動(dòng)性強(qiáng)、高壓噴射距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，具有較好的滅火和降溫性能。若通過消防機(jī)器人本體攜帶消防用水，則會(huì)造成機(jī)器人體積過于龐大，重量大幅增加，機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和靈活性降低，且機(jī)器人自身消防水?dāng)y帶量有限，存在供應(yīng)不持續(xù)的問題。為給機(jī)器人在滅火時(shí)提供持續(xù)且壓力充足的消防水和泡沫，保證機(jī)器人滅火能力，給變電站消防機(jī)器人設(shè)計(jì)配備了消防介質(zhì)供給裝備，如圖3 所示。消防介質(zhì)供給裝備采用四輪移動(dòng)式底盤，前輪具有轉(zhuǎn)向功能，方便在變電站內(nèi)移動(dòng)，四條支腿撐起時(shí)可進(jìn)行固定。消防介質(zhì)供給裝備內(nèi)含一個(gè)1 m3的消防水存儲(chǔ)罐，罐體與站內(nèi)消防栓連接，提供持續(xù)供水，也可斷開連接單獨(dú)使用，如圖4 所示。消防水存儲(chǔ)罐上設(shè)有泄壓閥和溢流閥，壓力升高時(shí)進(jìn)行泄壓，以防止壓力超過水帶的額定壓力脹破水帶。當(dāng)消防水進(jìn)水量超過消防水存儲(chǔ)罐體積時(shí)，多余的消防水在泄壓閥流出，對(duì)消防水存儲(chǔ)罐進(jìn)行有效的保護(hù)。罐體上還設(shè)有消防水液位指示器，可隨時(shí)在消防介質(zhì)供給裝備外部查看消防水水位。應(yīng)定期查看消防水水位情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)消防水不足時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。消防介質(zhì)供給裝備內(nèi)裝有增壓泵，用于把消防水或泡沫增壓，以增加機(jī)器人噴射距離，提高滅火效果。消防水通過水帶供應(yīng)給機(jī)器人滅火使用。

圖3 變電站消防機(jī)器人消防介質(zhì)供給裝備外觀

圖4 消防介質(zhì)供給裝備內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)

2.2 消防水帶對(duì)接與收放

消防水帶是連接消防介質(zhì)供給裝備和機(jī)器人的中間部件。在未與機(jī)器人連接時(shí)，消防水帶纏繞在消防介質(zhì)供給裝備內(nèi)的卷盤上，當(dāng)外力抽拉水帶時(shí)，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(jī)器人斷開連接后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速裝置帶動(dòng)卷盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行水帶收回操作。機(jī)器人上的消防水帶對(duì)接口位于機(jī)器人背部下方，如圖2 所示，對(duì)接口設(shè)置有凹槽。消防介質(zhì)供給裝備上的對(duì)接裝置位于底部，高度與機(jī)器人對(duì)接口保持一致。消防介質(zhì)供給裝備上的對(duì)接裝置的端部為喇叭口結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，該結(jié)構(gòu)允許機(jī)器人在一定誤差范圍內(nèi)順利完成對(duì)接?？刂葡到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體對(duì)接口與供給裝備對(duì)接口的自動(dòng)對(duì)接，也可手動(dòng)遙控機(jī)器人完成對(duì)接操作。自動(dòng)對(duì)接指令發(fā)出后，機(jī)器人首先到達(dá)指定位置，在設(shè)定誤差范圍內(nèi)向后倒車，觸動(dòng)供給裝備上的彈性對(duì)接裝置，供給裝備對(duì)接口中含有的彈性楔形塊嵌入到機(jī)器人對(duì)接口的凹槽中，從而完成供給裝備對(duì)接口與機(jī)器人對(duì)接口的水帶對(duì)接。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到供給裝備對(duì)接口與機(jī)器人對(duì)接口誤差過大時(shí)，會(huì)無法完成對(duì)接，此時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人采集到的圖像，分析出誤差超出的范圍，控制機(jī)器人向前移動(dòng)并調(diào)整角度再次倒車，縮小誤差后重新進(jìn)行對(duì)接。如果兩次自動(dòng)對(duì)接失敗，消防控制平臺(tái)向運(yùn)維人員反饋對(duì)接失敗信息，請(qǐng)求人工介入，再由運(yùn)維人員通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程遙控箱進(jìn)行手動(dòng)控制完成對(duì)接。對(duì)接成功后，機(jī)器人向前行進(jìn)，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(guān)打開，到達(dá)合適的滅火位置后機(jī)器人可在自動(dòng)或在遠(yuǎn)程控制指令下進(jìn)行噴水滅火操作。圖6 所示為機(jī)器人與消防介質(zhì)供給裝備水帶成功對(duì)接的圖像。

圖5 消防介質(zhì)供給裝備上的對(duì)接裝置結(jié)構(gòu)原理

圖6 機(jī)器人與消防介質(zhì)供給裝備水帶成功對(duì)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(dá)到滅火的效果［20］。消防泡沫具有成本低、滅火效率高和環(huán)境污染小等特點(diǎn)，消防泡沫在撲救A類、B類火災(zāi)上得到了廣泛應(yīng)用［21］。消防介質(zhì)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(chǔ)于泡沫罐中，泡沫比例可根據(jù)需要選擇3%、5%、10%和20%進(jìn)行設(shè)置，泡沫比例參數(shù)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程遙控箱設(shè)定。設(shè)定好比例參數(shù)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(jī)器人滅火使用。

3 滅火試驗(yàn)

為驗(yàn)證消防機(jī)器人的火災(zāi)撲滅能力，檢驗(yàn)干粉、消防水和泡沫的供應(yīng)能力，進(jìn)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(huán)境下的滅火試驗(yàn)，如圖7 所示。測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人地面通過能力強(qiáng)，在不同環(huán)境下均具有較好的滅火能力。機(jī)器人與消防介質(zhì)供給裝備對(duì)接順暢，消防水壓力充足，泡沫混合均勻。通過測(cè)量得出，機(jī)器人水柱噴射最大距離29.8 m，細(xì)水霧噴射最大距離為10.2 m，可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)進(jìn)行滅火作業(yè)。在斷開與消防介質(zhì)供給裝備連接狀態(tài)下，機(jī)器人可獨(dú)立工作。采用干粉滅火劑進(jìn)行滅火時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得干粉最大噴射距離為8.5 m，可持續(xù)噴射40 s，干粉有效滅火面積183 m2，干粉用完后干粉罐可實(shí)現(xiàn)50 s 內(nèi)快速更換。機(jī)器人配備的蓄電池在滿電狀態(tài)下可保證機(jī)器人連續(xù)工作2 h 以上。通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，可操作機(jī)器人進(jìn)行不同滅火介質(zhì)的靈活切換?？傮w來看，機(jī)器人滅火效果良好，可滿足變電站多種火災(zāi)場(chǎng)景的消防需要。

圖7 滅火試驗(yàn)畫面

4 結(jié)語

為確保變電站消防機(jī)器人的滅火能力，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了消防介質(zhì)供給方案設(shè)計(jì)，為變電站消防機(jī)器人提供了超細(xì)干粉、消防水和泡沫等多種滅火介質(zhì)。超細(xì)干粉由安裝于機(jī)器人本體上的標(biāo)準(zhǔn)干粉罐儲(chǔ)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(zhì)供給裝備提供，消防介質(zhì)供給裝備具有增壓功能，可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人之間的水帶對(duì)接和收放。滅火試驗(yàn)結(jié)果表明，消防介質(zhì)供給方案合理可行，消防介質(zhì)切換靈活，可保證機(jī)器人具有良好的火災(zāi)撲滅能力。