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        全氟己酮在電力開關(guān)柜火災(zāi)的滅火試驗(yàn)研究

        2023-01-25 10:09:02劉國強(qiáng)李國春趙志鵬郝亞楠
        山東電力技術(shù) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:己酮滅火劑全氟

        劉國強(qiáng),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(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003;2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院),山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,山東 濟(jì)南 250014;3.山東天康達(dá)安防科技有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

        0 引言

        隨著社會(huì)不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,電力需求不斷增長,開關(guān)柜的使用日益增加。開關(guān)柜內(nèi)的部件主要有斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)、互感器以及各種保護(hù)裝置等[1]。連接上述裝置有數(shù)量眾多的接線端子,當(dāng)出現(xiàn)接觸電阻過大、短路、漏電、過載等故障時(shí)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(zāi)事故。預(yù)防開關(guān)柜電氣火災(zāi)事故已成為當(dāng)前亟須解決的一項(xiàng)重要課題[2-3]。

        設(shè)計(jì)和搭建針對開關(guān)柜火災(zāi)的全氟己酮滅火系統(tǒng)真型試驗(yàn)平臺(tái),選擇一款電力系統(tǒng)中典型尺寸的開關(guān)柜,內(nèi)部安裝斷路器、電纜等燃燒物,通過高溫?zé)犭娕?、熱輻射?jì)、氧氣檢測儀和復(fù)合氣體分析儀采集試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。通過進(jìn)行真型滅火試驗(yàn),驗(yàn)證新型滅火劑全氟己酮對開關(guān)柜火災(zāi)防控的適用性。

        1 研究現(xiàn)狀

        開關(guān)柜常用的滅火方式有超細(xì)干粉、熱氣溶膠、七氟丙烷等。超細(xì)干粉和熱氣溶膠滅火后有殘留,滅火后很難清理,設(shè)備基本報(bào)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(dǎo)電介質(zhì),目前廣泛應(yīng)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(dá)31年,溫室效應(yīng)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(dǎo)電、無殘留等特點(diǎn),適用于滅火后不能有二次污染的火災(zāi)場所,可應(yīng)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(jī)理一是釋放后迅速汽化吸收熱量,通過降低火場溫度進(jìn)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(xué)反應(yīng)鏈,使燃燒過程的聯(lián)鎖反應(yīng)中斷而滅火[7-8]。

        國內(nèi)學(xué)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(jìn)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?jǐn)?shù)約為5.6%[9]。崔鳳霞等研究了全氟己酮滅火劑高溫?zé)崃呀庑阅埽l(fā)現(xiàn)熱裂解后的氣體產(chǎn)物含量與熱裂解溫度、滯留時(shí)間相關(guān);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(jìn)行了對比研究,在體積122 m3的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了A 類木垛火、B 類正庚烷火和全淹沒滅火試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明全氟己酮和七氟丙烷都能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)熄滅火焰[5]。國內(nèi)有個(gè)別公司進(jìn)行了全氟己酮針對配電柜的滅火試驗(yàn),但未見相關(guān)試驗(yàn)論文。

        2 開關(guān)柜火災(zāi)特點(diǎn)分析

        開關(guān)柜一般由低壓室、手車室、母線室、電纜室等組成,內(nèi)部設(shè)備主要有斷路器、線纜、保護(hù)裝置等,電氣線路老化造成短路、使用負(fù)荷過載、連接處安裝不牢固導(dǎo)致接觸不良等容易引起電氣火災(zāi)[11]。引起開關(guān)柜火災(zāi)的主要原因有:

        1)電纜或電氣設(shè)備發(fā)生短路時(shí),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(qiáng)烈的火花甚至放電電弧,不僅能引燃電纜絕緣層和設(shè)備外殼迅速燃燒,甚至能使電纜或設(shè)備中的金屬熔化[12]。

        2)雨季潮濕或者晝夜溫差較大時(shí),開關(guān)柜內(nèi)部的金屬導(dǎo)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(fù)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(dāng)電纜內(nèi)電流高過防護(hù)負(fù)載時(shí),電纜長期在高溫下運(yùn)行,引起電纜過負(fù)荷。電纜的絕緣層長期過負(fù)荷運(yùn)行會(huì)加速老化變質(zhì),電纜溫度會(huì)升高。開關(guān)柜內(nèi)部通風(fēng)散熱效果較差,熱量積聚可引燃電纜的絕緣層。老化變質(zhì)的電纜絕緣層可能會(huì)破損引起短路,所以電纜不能長期過載運(yùn)行。

        4)開關(guān)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(huì)導(dǎo)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(huì)使連接端子變形甚至熔化,進(jìn)而導(dǎo)致電纜的絕緣層或者工程塑料殼體發(fā)生燃燒引起火災(zāi)。

        5)開關(guān)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(dǎo)致電場分布不均勻,尖端發(fā)生電暈放電。如果局部電場強(qiáng)度達(dá)到臨界場強(qiáng)時(shí),附近的氣體發(fā)生局部電離[15],會(huì)使絕緣材料的絕緣性能降低甚至破壞,進(jìn)而引起短路甚至火災(zāi)。

        3 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)

        針對開關(guān)柜火災(zāi)的特點(diǎn),為了驗(yàn)證全氟己酮滅火劑對開關(guān)柜火災(zāi)的滅火效果,制定試驗(yàn)方案,方案路線如圖1所示。

        圖1 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)路線圖

        3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

        試驗(yàn)平臺(tái)布局圖如圖2 所示[16],具體搭建方案如下:

        圖2 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)布局

        1)開關(guān)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(guān)柜的下部安裝線槽和線纜,上面安裝一排斷路器、保護(hù)裝置等工程塑料殼體的設(shè)備。

        2)全氟己酮高壓儲(chǔ)罐固定在開關(guān)柜側(cè)壁,噴頭安裝在開關(guān)柜中部。

        3)熱輻射傳感器固定于開關(guān)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(jì),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(chǔ)間隔設(shè)定為2 s,存儲(chǔ)空間4 000組,數(shù)據(jù)可通過迷你USB 接口連接電腦導(dǎo)出。

        4)設(shè)置三個(gè)測溫點(diǎn),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(guān)柜中部;熱電偶3位于開關(guān)柜上部,距離開關(guān)柜頂面200 mm。熱電偶通過耐高溫導(dǎo)線連接到智能溫度記錄儀,記錄儀可以同時(shí)采集4路溫度信號(hào),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔設(shè)定為2 s,溫度數(shù)據(jù)可通過U盤導(dǎo)出到電腦。

        5)復(fù)合氣體分析儀采樣管安裝于熱電偶3 附近。為防止高溫?fù)p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(guān)柜,外部通過硅膠氣管連接復(fù)合氣體分析儀。采用PGD4-C-M4 復(fù)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(xué),檢測方式為泵吸式,精度±2%,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔設(shè)定為2 s。CO 質(zhì)量濃度的量程是0~1 250 mg/m3,分辨率0.125 mg/m3;SO2質(zhì)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(zhì)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(guān)柜中部,鏡頭對準(zhǔn)油盤和上方線纜。為防止高溫?zé)龤z像頭和連接線,試驗(yàn)中燃燒時(shí)間設(shè)定為120 s。

        7)油盤直徑300 mm,高度170 mm,置于開關(guān)柜下部,油盤上沿距離線纜200 mm。

        3.2 全氟己酮用量計(jì)算

        試驗(yàn)采用10 kV 高壓開關(guān)柜,寬度62 cm,深度82 cm,高度220 cm。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證全氟己酮滅火劑針對開關(guān)柜火災(zāi)的適用性,關(guān)鍵是計(jì)算滅火劑的用量。因?yàn)殛P(guān)于全氟己酮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工的國家標(biāo)準(zhǔn)暫未出臺(tái),參照山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB37/T 3642—2019《全氟己酮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》6.4.1 來計(jì)算滅火劑使用量[17-18]。全氟己酮實(shí)際使用量:

        式中:K為海拔高度修正系數(shù),參考設(shè)計(jì)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(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容,m3/kg;V為防護(hù)區(qū)的凈容積,m3。

        試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境溫度T=20 ℃;

        高壓儲(chǔ)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(chǔ)罐規(guī)格為2 L,數(shù)量1 只,在20 ℃時(shí)增壓壓力為4.2 MPa。

        3.3 試驗(yàn)步驟

        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(guān)柜底部。

        2)攝像機(jī)開始錄像。

        3)溫度記錄儀、熱輻射計(jì)、氧氣檢測儀、復(fù)合氣體分析儀開始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        4)啟動(dòng)點(diǎn)火器點(diǎn)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(guān)閉柜門繼續(xù)燃燒90 s,合計(jì)預(yù)燃120 s。

        5)啟動(dòng)全氟己酮滅火裝置噴射滅火劑。

        6)滅火劑噴射結(jié)束后,通過開關(guān)柜內(nèi)部的攝像機(jī)觀察火焰是否熄滅。如果滅火劑噴射結(jié)束后60 s內(nèi)不能熄滅火焰,用備用滅火器手動(dòng)滅火。

        7)清理試驗(yàn)現(xiàn)場,記錄整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        滅火試驗(yàn)在山東某公司火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)過程如圖3—圖5所示。

        圖3 試驗(yàn)場景布置

        圖4 試驗(yàn)開始

        圖5 滅火劑噴射前后火焰狀態(tài)

        4 試驗(yàn)結(jié)果分析

        試驗(yàn)開始用點(diǎn)火器點(diǎn)燃油盤引燃線纜和斷路器自由燃燒,首先敞開開關(guān)柜門預(yù)燃30 s,然后關(guān)閉柜門繼續(xù)燃燒90 s。預(yù)燃時(shí)間總計(jì)120 s時(shí)啟動(dòng)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(shí)火焰更猛烈;噴射2 s 時(shí)火焰最大,之后2 s 火焰脫離了可燃物在開關(guān)柜內(nèi)部擴(kuò)散;滅火劑噴射5 s 后火焰熄滅。

        4.1 溫度變化

        因?yàn)椴捎玫腒 型鎧裝熱電偶外徑10 mm,熱響應(yīng)時(shí)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(yù)燃120 s 時(shí),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

        4.2 熱輻射值變化

        熱輻射值變化如圖7所示。由圖7可以看出,預(yù)燃32 s時(shí),熱輻射值達(dá)到最大值118 W/m2,之后波動(dòng)下降。預(yù)燃82 s時(shí)下降到43 W/m2,然后上升到71 W/m2,啟動(dòng)全氟己酮滅火裝置時(shí)波動(dòng)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(jì)傳感器安裝在開關(guān)柜頂部,預(yù)燃前30 s 開關(guān)柜門是敞開狀態(tài),熱輻射值急劇上升。關(guān)閉柜門之后熱輻射值不穩(wěn)定且波動(dòng)下降,分析主要有以下3 個(gè)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(guān)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(jī)理主要是釋放后迅速汽化吸收熱量,通過降低火場溫度進(jìn)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?yàn)殡姎夤駜?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(dòng)下降主要是由燃燒產(chǎn)生的煙氣遮擋造成。因?yàn)闇缁饎﹪娚浜鬅煔鉁囟冉档统两担趽鯗p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。

        4.3 氣體濃度變化

        燃燒試驗(yàn)開始后會(huì)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?yàn)殚_關(guān)柜門是敞開狀態(tài),氣體濃度基本沒有變化。從關(guān)閉柜門開始,SO2、NO 和CO 的濃度都快速上升。SO2質(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度在試驗(yàn)進(jìn)行到80 s 時(shí)達(dá)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(yàn)開始前氧氣的體積百分比為20.69%,試驗(yàn)中關(guān)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(fù)合氣體濃度變化

        圖9 CO濃度變化

        5 結(jié)論

        利用電力開關(guān)柜的全氟己酮滅火試驗(yàn),通過對試驗(yàn)結(jié)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(guān)柜內(nèi),選擇2 L 高壓儲(chǔ)罐,灌裝1 kg 全氟己酮,在20 ℃時(shí)N2增壓至壓力4.2 MPa,開啟噴射可在5 s內(nèi)熄滅開關(guān)柜內(nèi)的電纜和工程塑料引起的電氣火災(zāi)。

        相對密閉空間內(nèi)電氣火災(zāi)燃燒會(huì)產(chǎn)生CO、SO2、NO 等有毒有害氣體的濃度也較高,進(jìn)入火場的消防救援人員要佩戴好防煙面罩,做好人身防護(hù)。

        全氟己酮噴射氣化后能夠快速熄滅開關(guān)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(zāi)產(chǎn)生的煙氣濃度較大,熱輻射計(jì)的探測值會(huì)受到影響而顯著下降,紅外熱成像設(shè)備在這種情況下可能功能受限,需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

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