变电站消防机器人消防介质供给方案设计

张茂春，徐 岳，张 伟，阮鹏程，刘丙伟

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250012；2.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118；3.国网智能科技股份有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

消防机器人是用于灭火防爆作业的先进机械设备。在面临高温、有毒、缺氧和浓烟等危险复杂环境时，机器人可替代消防人员执行灭火救灾任务，从而可有效保障消防人员的人身安全［1］。近年来消防机器人在高层建筑火灾［2］、隧道火灾［3］、森林火灾［4］和爆燃爆炸［5］等危险复杂的火场环境中发挥着越来越重要的作用。

变电站对消防安全有着较高要求。变电站中包含数量较大的各类大中型变压器，变压器中油量存储大，变压器工作过程中产生热量高，发生火灾的风险较高。目前，多数变电站为无人值守模式，火灾发生后极易快速蔓延导致火势失控，造成变压器损坏、电网瘫痪等严重后果［6］。为保证变电站消防安全，电力和消防工作者做出了大量的贡献。例如：在变电站内部安装各类传感器或摄像机对变电站内部高温、烟气进行实时检测［7-8］；采用巡检机器人［9-10］对火情进行检测和定位，发现火情后及时向运维中心报告；对巡检机器人的巡检路线进行拓扑优化，获取最佳巡视路线，给多个巡检机器人进行区域划分，进行协同作业［11］；通过可视化设备与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术相结合，提高了对事故的快速响应能力［12］；在变电站内安装喷淋灭火系统，火灾发生后通过自动触发或远程遥控等方式进行灭火作业［13-14］；采用S 型气溶胶应用到变电站灭火系统中，可避免利用水等灭火介质对电气设备的二次损害［15］。

由于机器人具有机动性能好，地形及环境适应性强等特点，因此也可将机器人用于变电站灭火作业［16-17］。但传统消防机器人在变电站领域应用时存在较大局限性，如多数消防机器人灭火介质（多数为水）单一，且受体积和重量等因素限制，机器人本体很难携带足够多的消防水，导致机器人火灾扑灭能力大打折扣。若给机器人配备消防车进行灭火工作，则造成灭火作业不便。为解决上述问题，满足机器人应用于变电站消防场景的使用需求，保证机器人灭火能力，对应用于变电站的消防机器人（如图1 所示）进行了消防介质供给方案设计。该消防介质供给方案为机器人提供了超细干粉、消防水和泡沫等3种灭火介质。其中超细干粉由安装于机器人本体上的标准干粉罐储存提供，便于快速更换，提高效率；消防水和泡沫由设计配备的消防介质供给装备提供，通过该装备与机器人之间的水带对接，实现持续稳定的消防水和泡沫喷射，泡沫比例可根据需要进行调整。变电站消防机器人多种消防介质供给方案的设计，可提高变电站消防机器人的灭火能力，对保证电网安全运行具有重要意义。

图1 变电站消防机器人

1 干粉供给方案

干粉灭火剂特别适用于油类物质和电气设备所引起的B 类和E 类火灾［18］。对于变电站内小型电抗器、电容器等带电设备及变压器油产生的火灾，特别是初期火灾，干粉具有优良的扑灭能力，有着与消防水和泡沫不可比拟的灭火优势。超细干粉灭火剂具有较好流动性、弥散性、疏水性和电绝缘性等性能，当前灭火剂粒子的细化已成为提高灭火能力的主要方向之一［19］。因此，为变电站消防机器人配备了干粉灭火方式，且其使用的干粉灭火剂为灭火效果优良的超细干粉。超细干粉由安装于机器人本体上的两个干粉罐提供，如图2 所示。机器人可独立使用干粉进行灭火，使得机器人具有更好的机动性。干粉罐固定在机器人底盘壳体上，采用标准干粉罐体和接口，便于快速更换，提高作业效率。

图2 机器人去除外罩照片（后部）

2 消防水和消防泡沫供给方案

2.1 消防介质供给装备

消防水是最常见的灭火介质。消防水具有廉价、易获取、比热大、流动性强、高压喷射距离远等特点，具有较好的灭火和降温性能。若通过消防机器人本体携带消防用水，则会造成机器人体积过于庞大，重量大幅增加，机器人机动性和灵活性降低，且机器人自身消防水携带量有限，存在供应不持续的问题。为给机器人在灭火时提供持续且压力充足的消防水和泡沫，保证机器人灭火能力，给变电站消防机器人设计配备了消防介质供给装备，如图3 所示。消防介质供给装备采用四轮移动式底盘，前轮具有转向功能，方便在变电站内移动，四条支腿撑起时可进行固定。消防介质供给装备内含一个1 m3的消防水存储罐，罐体与站内消防栓连接，提供持续供水，也可断开连接单独使用，如图4 所示。消防水存储罐上设有泄压阀和溢流阀，压力升高时进行泄压，以防止压力超过水带的额定压力胀破水带。当消防水进水量超过消防水存储罐体积时，多余的消防水在泄压阀流出，对消防水存储罐进行有效的保护。罐体上还设有消防水液位指示器，可随时在消防介质供给装备外部查看消防水水位。应定期查看消防水水位情况，当发现消防水不足时应及时补充。消防介质供给装备内装有增压泵，用于把消防水或泡沫增压，以增加机器人喷射距离，提高灭火效果。消防水通过水带供应给机器人灭火使用。

图3 变电站消防机器人消防介质供给装备外观

图4 消防介质供给装备内部主要结构

2.2 消防水带对接与收放

消防水带是连接消防介质供给装备和机器人的中间部件。在未与机器人连接时，消防水带缠绕在消防介质供给装备内的卷盘上，当外力抽拉水带时，水带可在外力作用下放出。卷盘上装有齿轮减速装置，水带用完且与机器人断开连接后，电机驱动齿轮减速装置带动卷盘转动进行水带收回操作。机器人上的消防水带对接口位于机器人背部下方，如图2 所示，对接口设置有凹槽。消防介质供给装备上的对接装置位于底部，高度与机器人对接口保持一致。消防介质供给装备上的对接装置的端部为喇叭口结构，如图5 所示，该结构允许机器人在一定误差范围内顺利完成对接。控制系统可实现机器人本体对接口与供给装备对接口的自动对接，也可手动遥控机器人完成对接操作。自动对接指令发出后，机器人首先到达指定位置，在设定误差范围内向后倒车，触动供给装备上的弹性对接装置，供给装备对接口中含有的弹性楔形块嵌入到机器人对接口的凹槽中，从而完成供给装备对接口与机器人对接口的水带对接。当机器人检测到供给装备对接口与机器人对接口误差过大时，会无法完成对接，此时控制系统根据机器人采集到的图像，分析出误差超出的范围，控制机器人向前移动并调整角度再次倒车，缩小误差后重新进行对接。如果两次自动对接失败，消防控制平台向运维人员反馈对接失败信息，请求人工介入，再由运维人员通过计算机控制系统或远程遥控箱进行手动控制完成对接。对接成功后，机器人向前行进，将消防水带从供给装备中的卷盘上拉出，消防供给装备上的消防水开关打开，到达合适的灭火位置后机器人可在自动或在远程控制指令下进行喷水灭火操作。图6 所示为机器人与消防介质供给装备水带成功对接的图像。

图5 消防介质供给装备上的对接装置结构原理

图6 机器人与消防介质供给装备水带成功对接画面

2.3 消防泡沫供给方案

消防泡沫主要利用水的冷却作用、泡沫的隔绝空气作用和遮断作用来达到灭火的效果［20］。消防泡沫具有成本低、灭火效率高和环境污染小等特点，消防泡沫在扑救A类、B类火灾上得到了广泛应用［21］。消防介质供给装备中装有泡沫装置，泡沫装置主要由泡沫泵和泡沫罐等组成。消防泡沫由泡沫泵生成，采用高倍水成膜型泡沫剂。泡沫剂存储于泡沫罐中，泡沫比例可根据需要选择3%、5%、10%和20%进行设置，泡沫比例参数通过计算机控制系统或远程遥控箱设定。设定好比例参数后，泡沫泵将泡沫剂从泡沫罐中抽出，与消防水混合，从而生成消防所需泡沫，通过消防水带输送给机器人灭火使用。

3 灭火试验

为验证消防机器人的火灾扑灭能力，检验干粉、消防水和泡沫的供应能力，进行了漫水、砂石、沟壑、障碍物、坡道等多种地面状况，以及高温、烟雾等不同环境下的灭火试验，如图7 所示。测试结果表明，机器人地面通过能力强，在不同环境下均具有较好的灭火能力。机器人与消防介质供给装备对接顺畅，消防水压力充足，泡沫混合均匀。通过测量得出，机器人水柱喷射最大距离29.8 m，细水雾喷射最大距离为10.2 m，可长时间持续进行灭火作业。在断开与消防介质供给装备连接状态下，机器人可独立工作。采用干粉灭火剂进行灭火时，试验测得干粉最大喷射距离为8.5 m，可持续喷射40 s，干粉有效灭火面积183 m2，干粉用完后干粉罐可实现50 s 内快速更换。机器人配备的蓄电池在满电状态下可保证机器人连续工作2 h 以上。通过远程遥控系统，可操作机器人进行不同灭火介质的灵活切换。总体来看，机器人灭火效果良好，可满足变电站多种火灾场景的消防需要。

图7 灭火试验画面

4 结语

为确保变电站消防机器人的灭火能力，对机器人进行了消防介质供给方案设计，为变电站消防机器人提供了超细干粉、消防水和泡沫等多种灭火介质。超细干粉由安装于机器人本体上的标准干粉罐储存提供，便于快速更换，提高效率；消防水和消防泡沫由消防介质供给装备提供，消防介质供给装备具有增压功能，可实现与机器人之间的水带对接和收放。灭火试验结果表明，消防介质供给方案合理可行，消防介质切换灵活，可保证机器人具有良好的火灾扑灭能力。