劉國強,李國春,趙志鵬,劉 苑,郝亞楠
(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院,山東 濟南 250003;2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院),山東省科學院自動化研究所,山東 濟南 250014;3.山東天康達安防科技有限公司,山東 濟南 250000)
隨著社會不斷進步、經(jīng)濟快速發(fā)展,電力需求不斷增長,開關柜的使用日益增加。開關柜內(nèi)的部件主要有斷路器、隔離開關、負荷開關、操作機構、互感器以及各種保護裝置等[1]。連接上述裝置有數(shù)量眾多的接線端子,當出現(xiàn)接觸電阻過大、短路、漏電、過載等故障時很容易引起局部溫度急劇升高,引燃絕緣層及附近電纜產(chǎn)生火災事故。預防開關柜電氣火災事故已成為當前亟須解決的一項重要課題[2-3]。
設計和搭建針對開關柜火災的全氟己酮滅火系統(tǒng)真型試驗平臺,選擇一款電力系統(tǒng)中典型尺寸的開關柜,內(nèi)部安裝斷路器、電纜等燃燒物,通過高溫熱電偶、熱輻射計、氧氣檢測儀和復合氣體分析儀采集試驗過程中的數(shù)據(jù)。通過進行真型滅火試驗,驗證新型滅火劑全氟己酮對開關柜火災防控的適用性。
開關柜常用的滅火方式有超細干粉、熱氣溶膠、七氟丙烷等。超細干粉和熱氣溶膠滅火后有殘留,滅火后很難清理,設備基本報廢[4]。七氟丙烷滅火劑由于滅火效率高,滅火后不留痕跡,而且不含導電介質,目前廣泛應用于檔案館、數(shù)據(jù)中心、配電室等場所。但是七氟丙烷對大氣破壞的永久性程度為42,其大氣中存留壽命達31年,溫室效應潛能值為3 350,這是該滅火劑的環(huán)保缺陷,不宜長期使用[5]。
全氟己酮作為一種新型高效潔凈的氣體滅火劑,具有滅火濃度低、滅火效率高、安全系數(shù)高、不導電、無殘留等特點,適用于滅火后不能有二次污染的火災場所,可應用于全淹沒或局部淹沒滅火系統(tǒng)[6]。全氟己酮滅火劑的滅火機理一是釋放后迅速汽化吸收熱量,通過降低火場溫度進行滅火;二是迅速分解成氟化烷自由基,中斷燃燒過程中化學反應鏈,使燃燒過程的聯(lián)鎖反應中斷而滅火[7-8]。
國內(nèi)學者對全氟己酮滅火劑有許多研究,陳濤等對全氟己酮滅火劑臨界滅火濃度進行了測試研究,得出全氟己酮滅火劑對于乙醇燃料的臨界滅火體積分數(shù)約為5.6%[9]。崔鳳霞等研究了全氟己酮滅火劑高溫熱裂解性能,發(fā)現(xiàn)熱裂解后的氣體產(chǎn)物含量與熱裂解溫度、滯留時間相關;熱裂解氣體產(chǎn)物成分較多,其中有一氧化碳和劇毒氣體全氟異丁烯[10]。張斌對全氟己酮與七氟丙烷的滅火性能進行了對比研究,在體積122 m3的實驗室內(nèi)進行了A 類木垛火、B 類正庚烷火和全淹沒滅火試驗,試驗結果表明全氟己酮和七氟丙烷都能夠在規(guī)定時間內(nèi)熄滅火焰[5]。國內(nèi)有個別公司進行了全氟己酮針對配電柜的滅火試驗,但未見相關試驗論文。
開關柜一般由低壓室、手車室、母線室、電纜室等組成,內(nèi)部設備主要有斷路器、線纜、保護裝置等,電氣線路老化造成短路、使用負荷過載、連接處安裝不牢固導致接觸不良等容易引起電氣火災[11]。引起開關柜火災的主要原因有:
1)電纜或電氣設備發(fā)生短路時,電流突然增大,發(fā)熱量極大,溫度極高,并在短路的位置產(chǎn)生強烈的火花甚至放電電弧,不僅能引燃電纜絕緣層和設備外殼迅速燃燒,甚至能使電纜或設備中的金屬熔化[12]。
2)雨季潮濕或者晝夜溫差較大時,開關柜內(nèi)部的金屬導線或接線端子表面容易產(chǎn)生凝露[13],造成電纜絕緣層、絕緣殼體或者相間隔板等復合材料絕緣電阻降低,引起拉弧放電造成相間短路或者接地短路事故。
3)當電纜內(nèi)電流高過防護負載時,電纜長期在高溫下運行,引起電纜過負荷。電纜的絕緣層長期過負荷運行會加速老化變質,電纜溫度會升高。開關柜內(nèi)部通風散熱效果較差,熱量積聚可引燃電纜的絕緣層。老化變質的電纜絕緣層可能會破損引起短路,所以電纜不能長期過載運行。
4)開關柜中的電纜或接頭一般通過電流比較大,如果在接線端子等連接處安裝不到位,接觸不良會導致接觸電阻過大[14]。這種連接處接觸電阻和通過電流都比較大,可能產(chǎn)生較大熱量,高溫下會使連接端子變形甚至熔化,進而導致電纜的絕緣層或者工程塑料殼體發(fā)生燃燒引起火災。
5)開關柜內(nèi)部母線和接線端子等金屬件的加工可能存在尖角、毛刺,導致電場分布不均勻,尖端發(fā)生電暈放電。如果局部電場強度達到臨界場強時,附近的氣體發(fā)生局部電離[15],會使絕緣材料的絕緣性能降低甚至破壞,進而引起短路甚至火災。
針對開關柜火災的特點,為了驗證全氟己酮滅火劑對開關柜火災的滅火效果,制定試驗方案,方案路線如圖1所示。
圖1 開關柜滅火試驗路線圖
試驗平臺布局圖如圖2 所示[16],具體搭建方案如下:
圖2 開關柜滅火試驗布局
1)開關柜內(nèi)部可燃物主要是殼體工程塑料、交聯(lián)聚乙烯線纜等,在開關柜的下部安裝線槽和線纜,上面安裝一排斷路器、保護裝置等工程塑料殼體的設備。
2)全氟己酮高壓儲罐固定在開關柜側壁,噴頭安裝在開關柜中部。
3)熱輻射傳感器固定于開關柜頂部,傳感器接收面正對油盤和上方線纜,監(jiān)測熱輻射值。采用JTR09 熱輻射計,熱輻射范圍0~10 kW/m2,分辨率0.001 kW/m2,精度±4%,數(shù)據(jù)存儲間隔設定為2 s,存儲空間4 000組,數(shù)據(jù)可通過迷你USB 接口連接電腦導出。
4)設置三個測溫點,采用K 型鎧裝熱電偶。熱電偶1 位于線槽和線纜上方100 mm 處,用于測量火焰中心的溫度;熱電偶2 位于開關柜中部;熱電偶3位于開關柜上部,距離開關柜頂面200 mm。熱電偶通過耐高溫導線連接到智能溫度記錄儀,記錄儀可以同時采集4路溫度信號,數(shù)據(jù)存儲間隔設定為2 s,溫度數(shù)據(jù)可通過U盤導出到電腦。
5)復合氣體分析儀采樣管安裝于熱電偶3 附近。為防止高溫損壞采樣硅膠管,用一段長度1 m外徑8 mm的不銹鋼管插入開關柜,外部通過硅膠氣管連接復合氣體分析儀。采用PGD4-C-M4 復合式高精度氣體分析儀,可以檢測CO、SO2、O2、NO 等4種氣體,檢測原理為電化學,檢測方式為泵吸式,精度±2%,數(shù)據(jù)存儲間隔設定為2 s。CO 質量濃度的量程是0~1 250 mg/m3,分辨率0.125 mg/m3;SO2質量濃度的量程是0~200 mg/m3,分辨率0.1 mg/m3;O2的量程為0~30%的體積百分比,分辨率0.01%;NO質量濃度的量程是0~500 mg/m3,分辨率0.1 mg/m3。
6)攝像頭固定于開關柜中部,鏡頭對準油盤和上方線纜。為防止高溫燒毀攝像頭和連接線,試驗中燃燒時間設定為120 s。
7)油盤直徑300 mm,高度170 mm,置于開關柜下部,油盤上沿距離線纜200 mm。
試驗采用10 kV 高壓開關柜,寬度62 cm,深度82 cm,高度220 cm。試驗目的是驗證全氟己酮滅火劑針對開關柜火災的適用性,關鍵是計算滅火劑的用量。因為關于全氟己酮滅火系統(tǒng)設計施工的國家標準暫未出臺,參照山東省地方標準DB37/T 3642—2019《全氟己酮滅火系統(tǒng)設計、施工及驗收規(guī)范》6.4.1 來計算滅火劑使用量[17-18]。全氟己酮實際使用量:
式中:K為海拔高度修正系數(shù),參考設計規(guī)范取K=1;C1為滅火濃度,全氟己酮的滅火濃度為4.0%~6.0%,C1取最高值6%;S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容,m3/kg;V為防護區(qū)的凈容積,m3。
試驗當天環(huán)境溫度T=20 ℃;
高壓儲罐內(nèi)滅火劑剩余量ΔW≈0.05 kg;
全氟己酮總充裝量W0=W+ΔW=0.99+0.05≈1.04(kg)。
選擇高壓儲罐規(guī)格為2 L,數(shù)量1 只,在20 ℃時增壓壓力為4.2 MPa。
1)油盤底部倒入適量的水,用量杯注入500 mL正庚烷,把油盤放入開關柜底部。
2)攝像機開始錄像。
3)溫度記錄儀、熱輻射計、氧氣檢測儀、復合氣體分析儀開始記錄試驗數(shù)據(jù)。
4)啟動點火器點燃正庚烷,引燃線纜和斷路器等,先敞開柜門引燃30 s,然后關閉柜門繼續(xù)燃燒90 s,合計預燃120 s。
5)啟動全氟己酮滅火裝置噴射滅火劑。
6)滅火劑噴射結束后,通過開關柜內(nèi)部的攝像機觀察火焰是否熄滅。如果滅火劑噴射結束后60 s內(nèi)不能熄滅火焰,用備用滅火器手動滅火。
7)清理試驗現(xiàn)場,記錄整理實驗數(shù)據(jù)。
滅火試驗在山東某公司火災實驗室進行,試驗過程如圖3—圖5所示。
圖3 試驗場景布置
圖4 試驗開始
圖5 滅火劑噴射前后火焰狀態(tài)
試驗開始用點火器點燃油盤引燃線纜和斷路器自由燃燒,首先敞開開關柜門預燃30 s,然后關閉柜門繼續(xù)燃燒90 s。預燃時間總計120 s時啟動全氟己酮滅火裝置,滅火劑噴射5 s 后火焰熄滅。從滅火劑噴射前后的火焰狀態(tài)可以看出,滅火劑剛開始噴射時火焰更猛烈;噴射2 s 時火焰最大,之后2 s 火焰脫離了可燃物在開關柜內(nèi)部擴散;滅火劑噴射5 s 后火焰熄滅。
因為采用的K 型鎧裝熱電偶外徑10 mm,熱響應時間比較長。熱電偶1 位于火焰的中心,所以溫度最高。由圖6 可以看出,預燃120 s 時,熱電偶1 最高溫度220 ℃,熱電偶2最高溫度125 ℃,熱電偶3最高溫度95 ℃。滅火劑噴射5s 后火焰熄滅,全氟己酮快速氣化吸收熱量,熱電偶1 以0.35 ℃/s 的速度下降,熱電偶2 以0.15 ℃/s 的速度緩慢下降,熱電偶3以0.08 ℃/s的速度緩慢下降。
圖6 熱電偶溫度變化
熱輻射值變化如圖7所示。由圖7可以看出,預燃32 s時,熱輻射值達到最大值118 W/m2,之后波動下降。預燃82 s時下降到43 W/m2,然后上升到71 W/m2,啟動全氟己酮滅火裝置時波動下降到45 W/m2。滅火劑噴射后熱輻射值急劇下降到0,維持5 s后又在1 min內(nèi)上升到最高88 W/m2,之后緩慢下降。
圖7 熱輻射值變化
熱輻射計傳感器安裝在開關柜頂部,預燃前30 s 開關柜門是敞開狀態(tài),熱輻射值急劇上升。關閉柜門之后熱輻射值不穩(wěn)定且波動下降,分析主要有以下3 個原因:一是燃燒產(chǎn)生的煙氣較大,在傳感器和火焰之間造成了遮擋;二是關閉柜門之后氧氣濃度下降,燃燒不充分;三是傳感器表面被煙氣覆蓋造成靈敏度降低。
全氟己酮滅火劑的滅火機理主要是釋放后迅速汽化吸收熱量,通過降低火場溫度進行滅火。所以滅火劑噴射后,熱輻射傳感器也被滅火劑噴霧淹沒而吸收熱量,熱輻射值在8 s 內(nèi)急劇降到0。滅火劑霧化蒸發(fā)后,因為電氣柜內(nèi)部還有余熱,所以熱輻射值又上升到88 W/m2之后才緩慢下降。從熱輻射值的上升程度可見,滅火劑噴射前熱輻射值波動下降主要是由燃燒產(chǎn)生的煙氣遮擋造成。因為滅火劑噴射后煙氣溫度降低沉降,遮擋減少,所以熱輻射值上升到比滅火劑噴射之前還高的程度才緩慢下降。
燃燒試驗開始后會引起多種氣體濃度的變化。由圖8 和圖9 可以看出,前30 s 因為開關柜門是敞開狀態(tài),氣體濃度基本沒有變化。從關閉柜門開始,SO2、NO 和CO 的濃度都快速上升。SO2質量濃度最高升高到165 mg/m3,火焰熄滅后在60 s 內(nèi)下降了75.7%,之后緩慢下降。NO 質量濃度最高升高到50.9 mg/m3,火焰熄滅后在44 s 內(nèi)下降到0。CO 的質量濃度在試驗進行到80 s 時達到氣體分析儀的最大量程1 250 mg/m3,維持106 s后快速下降,40 s內(nèi)下降了69%,之后緩慢下降。試驗開始前氧氣的體積百分比為20.69%,試驗中關閉柜門后氧氣濃度緩慢下降,體積百分比最低降到12.49%,火焰熄滅后緩慢回升到前值。
圖8 復合氣體濃度變化
圖9 CO濃度變化
利用電力開關柜的全氟己酮滅火試驗,通過對試驗結果和數(shù)據(jù)的分析,說明在尺寸0.62 m×0.82 m×2.2 m,體積1.12 m3的10 kV 開關柜內(nèi),選擇2 L 高壓儲罐,灌裝1 kg 全氟己酮,在20 ℃時N2增壓至壓力4.2 MPa,開啟噴射可在5 s內(nèi)熄滅開關柜內(nèi)的電纜和工程塑料引起的電氣火災。
相對密閉空間內(nèi)電氣火災燃燒會產(chǎn)生CO、SO2、NO 等有毒有害氣體的濃度也較高,進入火場的消防救援人員要佩戴好防煙面罩,做好人身防護。
全氟己酮噴射氣化后能夠快速熄滅開關柜火焰,降低火場的溫度和熱輻射值,快速降低CO、SO2、NO等有毒有害氣體濃度。
電氣火災產(chǎn)生的煙氣濃度較大,熱輻射計的探測值會受到影響而顯著下降,紅外熱成像設備在這種情況下可能功能受限,需要進一步通過試驗驗證。