热气溶胶灭火剂在高压开关柜中的应用探究

邓长征，龚燎原，杨 楠，许晓明

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000；2.三峡大学 新能源微电网湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443000；3.国网湖北直流运检公司，湖北宜昌 443000；4.国网湖北省电力有限公司长阳县供电公司，湖北宜昌 443000）

引言

随着电力需求的增加，我国新增变电站也越来越多，高压开关柜是变电站中一种重要的综合性一体化电气设备，然而封闭式高压开关柜的运行工况复杂，工作环境恶劣，内部散热性能差，容易造成柜内电力设备异常升温，导致事故率很高，火灾事故最为严重[1-3]。如何安全、高效地处理高压开关柜带电火灾成为了目前运维工作人员需要解决的难题。

经过多年的发展，当下对电气设备管理以及运行安全性的要求越来越高，如何根据其特点，最大化利用优势、避开缺陷成为一时间众多科研工作者开展研究的落脚点。研究开展之初，灭火技术的创新集中表现在对现有高压开关柜的改造和优化，例如文献[4]利用现有的柜体模型，将一体化金属底板设计改造为嵌入橡胶活塞的复合式底部结构，无需开柜，灭火材料可通过橡胶活塞直接进入柜内。此项成果，成功打破了原有的工作模式，既能保证消防人员的生命安全，又可节省开柜操作所延误的救援时间。2014年，国家标准GB 50016—2014《建筑设计防火规范（2018年版）》的发布，为研究指明了方向，高压开关柜的火灾防护有了新的转折，自动灭火技术的应用和发展得以快速推进。文献[5]将小型悬挂式储压干粉灭火装置引入高压开关柜，通过固定式的连接，由温度传感器自动启动装置实现灭火，并利用1：1比例的手车室模型模拟灭火试验，验证了其方法是合理有效的。随着经验的不断积累，人们对带电火灾的认识越来越清晰，除了技术手段的升级，优良的灭火材料同样是成功解决火灾事故的必备条件。早些时候，可供选择的灭火剂还很局限，在一些带电火灾的处理过程中依然沿用比较普通的灭火材料，如文献[6]论述了用水扑灭带电火灾的具体实施方法，为避免导电对人体造成伤害，建议将水枪的金属喷头接地，并指出了水流的电阻随着其雾化程度升高而增大的特点，同时还要求工作人员在操作过程中必须佩戴好绝缘手套、穿着均压服。显而易见，带电火灾事故中使用具有导电性的灭火材料，给消防作业增添了许多繁琐的中间环节，无形中加大了救援难度，使工作效率大打折扣。直到后来，不导电灭火剂的科研技术逐渐成熟，受到广泛认可，才使带电环境下的火灾救援工作取得突破性进展。文献[7,8]通过总结、对比各种带电灭火技术的实施方案，指出采用不导电灭火材料（主要包括二氧化碳灭火剂、SD水系灭火剂和干粉灭火剂）代替传统产品，能够大幅度降低灭火剂对电气设备绝缘强度产生的影响，具有重要的应用价值。在此基础上，文献[9,10]进一步拓宽视野，结合新型材料在灭火性能方面的数据比较，从理论分析的角度说明了气溶胶和六氟丙烷较之干粉与二氧化碳更有优势，可能更适合带电火灾。近年来，气溶胶灭火剂发展迅速、技术标准基本成熟，已经在一些综合性领域得到初步应用，尤其是电动汽车和船舶上最为常见，这也给高压开关柜的火灾防护带来了启发。

为了测试热气溶胶灭火技术对高压开关柜火灾的实际保护效果，本研究以KYN28A-12型高压开关柜为保护对象，采用K型热气溶胶灭火剂及装置，对高压开关柜进行全淹没式灭火试验，此试验模拟了柜内起火的真实场景，通过观察灭火的全过程，更深层次地探究热气溶胶的性质及其在高压开关柜中应用的特点。主要目的是为了核实热气溶胶的灭火效率，验证其在高压开关柜中应用的可行性，确保灭火的高效性和可靠性。

1 试验概述

1.1 试验方案

热气溶胶具有高效灭火、清洁环保和安全无毒等特点，气溶胶灭火颗粒在密闭性良好的空间中悬浮能力极强，且不会对电气设备产生绝缘损坏，是非常适合在高压开关柜中使用的灭火剂。本试验模拟柜内起火，采用适量的热气溶胶灭火剂对一次设备所在的隔室实施灭火，进一步测试热气溶胶材料在高压开关柜内的实际灭火能力，验证该方法的可行性。在运行过程中，电接触部位的发热损耗是引起高压开关柜温度大幅上升的重要原因，而这些电接触点主要集中在一次设备所在的断路器手车室、母排室和电缆室，这3个隔室是开关柜高温预警以及消防保护的重点区域。因此，本试验将分别以电缆室、手车室和母排室为防护空间，采用相同的方法模拟真实的火灾保护。以电缆室的灭火试验为例，具体试验过程如下：

（1）精确测量电缆室的空间尺寸大小，通过防护空间的净容积确定所需热气溶胶灭火剂的质量，选择相应灭火罐体；

（2）按照装置的固定要求，使用冲击电钻在电缆室顶端的隔离挡板中央打孔，将热气溶胶自动灭火装置通过螺钉固定于电缆室顶部；

（3）将灭火装置的热敏感温线拆除，通过导线在电引发器端接入一个直流稳压电源，输出电压恒定为直流24 V；

（4）将油盘预燃30 s，分别放置于电缆室底端的对角位置；

（5）利用直流稳压电源（DC 24 V）手动启动灭火装置，观察灭火过程并记录灭火时间。

灭火装置集热敏感温线、电引发器和灭火瓶罐于一体，既可以通过电信号启动装置，又可以通过热能触发，启动电压为直流6 V～24 V。为了保证相同的试验条件，此次试验均采用人工手动触发的方式启动装置，所以事先将灭火装置左端的热敏感温线摘除，保证启动方式的唯一性。没有动作时，热气溶胶灭火剂是以气溶胶发生剂的形式贮存于灭火装置的化学反应室中，通过电引发器给予其引发燃烧所需的最低能量，发生反应后产生气溶胶。

3次试验均采用手动开关的触发方式，利用导线将一台小型稳压电源与灭火装置的电引发器串联，输出电压设置为恒定的直流24 V，灭火时手动闭合开关，稳压电源产生的电信号随即传递给电引器，再通过电引发器提供反应所需的足够能量，经过快速反应后，喷射气溶胶。

1.2 KYN28A-12型高压开关柜

KYN28A-12型高压开关柜[11]是目前国内使用较为普遍的户内金属铠装移开式开关设备，其额定电压为3.6 kV～12 kV，额定频率50 Hz。KYN28A-12型高压开关柜内部可视为被隔板拆分开的独立空间，主要由四个部分构成：母排室、断路器手车室、电缆室和继电器仪表室[12]。高压开关柜内的电气设备种类繁多，载流量大、温升明显的位置区域主要集中在一次设备部分，故二次设备和继电器仪表室忽略不计。表1为KYN28A-12型高压开关柜电缆室、手车室、母排室的尺寸参数。

表1 KYN28A-12型高压开关柜参数 m

1.3 热气溶胶灭火剂用量设计

热气溶胶灭火系统的灭火设计用量应按GB 50370《气体灭火系统设计规范》的要求[13]。试验采用K型热气溶胶灭火剂，灭火设计密度为0.08 kg/m3，试验用高压开关柜密闭性良好，容积修正系数KV取1即可，再通过测量电缆室、手车室和母排室的空间尺寸，就可以根据公式计算热气溶胶灭火剂的具体用量，选量计算见表2。

表2 热气溶胶灭火剂用量设计参数

3个隔室中，电缆室的容积最大，所需要的K型气溶胶最多。手车室和母排室的空间尺寸相差不大。为了制造方便，电缆室的灭火剂实际用量为60 g，手车室和母排室的实际用量均为30 g。

2 试验数据及结果分析

2.1 试验时间

表3记录的是在各隔室中模拟灭火的试验数据，主要包括启动时间、灭火时间和持续喷射时间。启动时间是从手动闭合开关到热气溶胶开始喷射的时间。

表3 开关柜全淹没式灭火试验数据

灭火时间是从手动闭合开关到电缆室中的燃烧油盘被扑灭的时间；持续喷射时间指从灭火剂开始喷射到全部喷射结束的时间。

启动时间可以用来衡量发生剂的反应速度。3次试验的平均启动时间均在0.9 s左右，说明热气溶胶反应速度非常快，不会引起因反应慢而造成的延误。一方面，这是因为热气溶胶灭火技术本身就具有快速反应并生成灭火颗粒的特点；另一方面，可能是因为高压开关柜内各隔室的空间体积有限，灭火所需要的热气溶胶用量少，反应时间短。

灭火时间可以用来衡量热气溶胶的灭火效率。3次试验均灭火成功，并且用时极短，最长灭火时间也仅仅只有3.22 s。试验结果很好地验证了理论分析得到的结论。高压开关柜的密闭性良好，采用热气溶胶技术实施保护的方法是行之有效的，且数据显示热气溶胶的灭火效率非常高。

持续喷射时间可以体现气溶胶灭火技术的特点。从试验数据上可以发现，持续喷射时间与热气溶胶的使用量呈正相关。3次试验中，电缆室的热气溶胶使用量最多，为60 g，持续喷射时间最长，喷射完全部热气溶胶需要5.45 s。手车室和母排室的热气溶胶相对少，均为30 g，持续喷射用时比电缆室短大约1 s。这说明热气溶胶完全释放需要一定过程，持续喷射时间受气溶胶质量影响较大，气溶胶越多，完全释放时间越长。但是，在高压开关柜中，各隔室空间有限，所需的气溶胶质量都不会太大，持续喷射时间整体较短。

2.2 降尘情况对比

气溶胶喷射时温度较高，若灭火装置导流口附近有遮挡物阻碍喷射路径，则遮挡物上会产生一种温度较高的黑色聚集物，冷却后呈块状固体附着在遮挡物上。图1(a)为喷射结束后在柜壁上形成黑色高温物质，冷却后从柜壁上截取下来的形态如图1(b)所示，试验中柜壁距灭火装置的导流口0.3 m，生成的黑色高温附着物最大厚度约0.8 cm，直径约9 cm。该附着物伴随高温，可能对电气设备造成损害，在正式应用时应尽量避免灭火装置的导流口近距离朝向电气设备。

图1 热气溶胶喷射产物

图2是气溶胶工作后完全沉降的情况。由于汽油燃烧，导致柜内四壁均被不同程度地熏黑，图中手车室底表面上黑色的固体小颗粒才是K型气溶胶的沉降物。

图2 K型气溶胶降尘情况

图3是干粉灭火剂完全沉降的情况，干粉灭火剂的沉降物呈黄色粘稠粉状物。通过对比，可以看出热气溶胶的降尘率明显低于干粉灭火剂。并且干粉灭火剂的保护具有指向性，只能扑灭处于干粉喷射路径上的火焰，无法做到像热气溶胶一样覆盖整个防护空间，灭火效率比热气溶胶低。这一点同样验证了理论分析得到的结论：热气溶胶的降尘率极低，是清洁程度非常高的灭火材料，不至于对设备绝缘产生不利影响，适合在高压开关柜中使用。

图3 干粉灭火剂降尘情况

3 结论

（1）热气溶胶发生剂的化学反应速度很快，装置启动后能够迅速产生具有灭火功能的热气溶胶灭火剂，不会因反应缓慢而造成救火延误。

（2）热气溶胶能够在密闭条件良好的高压开关柜中快速散布于整个防护空间，不存在保护死区。热气溶胶的灭火效率极高，装置启动后能够在数秒内完成灭火任务，且无复燃现象。

（3）热气溶胶灭火剂的降尘率低，降尘率明显低于干粉灭火剂，是一种清洁的灭火材料。但导流口附近喷射物的温度较高，有设备形成遮挡可能影响到绝缘，使用时应注意避免将导流口的喷射路径朝向电气设备。

（4）在高压开关柜中使用热气溶胶时，应根据GB 50370的相关规定设计用量。高压开关柜在全封闭状态下，容积修正系数Kv取1即可；开柜操作时，容积修正系数Kv可适当增加。