一種無源實時測溫加全氟己酮自動滅火系統(tǒng)的新技術(shù)研究

吳越鋒，王夢齊，王朕偉，徐劍鋒

(1.饒河縣晨光熱電有限公司, 黑龍江 雙鴨山 155799；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，哈爾濱 150070；3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司興凱湖供電分公司，黑龍江 雞西 158300)

0 引 言

高溫和火災(zāi)是電力系統(tǒng)中的常見事故，而電纜頭是電纜絕緣性能的關(guān)鍵部位，最容易成為引火源[1]。由此可見，對電纜頭的測溫工作尤為重要。目前變電站中的電纜頭多存在于開關(guān)柜內(nèi)部，小車開關(guān)的動靜觸頭及母線排等設(shè)備也都處于柜體內(nèi)部，這對變電站現(xiàn)場的測溫工作造成了一定的阻礙[2]。而且傳統(tǒng)的紅外測溫方式無法滿足對待測設(shè)備溫度的遠距離、多點、實時在線測量，造成電纜頭等設(shè)備由于溫度過高引起的火災(zāi)甚至爆炸等事故頻發(fā)[3]。因此，亟需對上述設(shè)備進行有效的溫度在線監(jiān)測。與此同時，面對這些突發(fā)性強、隱蔽性高的設(shè)備高溫異常，除了在線監(jiān)測外，還應(yīng)配合進行滅火，以免事故范圍進一步擴大。當前電力系統(tǒng)變電站內(nèi)的各類開關(guān)柜、控制屏柜、保護屏柜等大多空間狹小，對滅火裝置的要求比較高，使電氣火災(zāi)的防護難度加大。而目前市場上常見的幾種基于電氣設(shè)備的消防系統(tǒng)都存在或多或少的局限性及不適用性，因此需要選擇一種安全可靠、綠色環(huán)保、滅火效率高、滅火速度快、安裝維護方便、噴放后對設(shè)備無二次損害的全自動氣體滅火系統(tǒng)，對電氣柜進行有效保護。

該文以變電站為例進行深入分析，設(shè)計一種無源實時測溫加全氟己酮自動滅火系統(tǒng)的新技術(shù)，以保障電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

1 當前變電站采用的測溫技術(shù)及存在問題

目前，電力系統(tǒng)變電站中對設(shè)備的測溫工作大多通過紅外熱像測溫技術(shù)來完成。該技術(shù)是利用紅外探測器來探測電氣設(shè)備表面肉眼無法看到的紅外線輻射狀態(tài)的熱信息，再將其轉(zhuǎn)換成溫度進行顯示的技術(shù)。紅外熱像儀能夠收集電氣設(shè)備表面通過大氣傳播的各種紅外輻射，并通過紅外熱像儀中的光學(xué)系統(tǒng)，將收集到的紅外輻射能量聚集到熱像儀內(nèi)的紅外探測器上，由探測器將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過處理后再傳送至紅外熱像儀中[4]。由此可見，紅外熱像測溫技術(shù)是一種非接觸式的測溫技術(shù)，只能感知待測設(shè)備表面的溫度，而無法對設(shè)備內(nèi)部的溫度進行檢測。

對于目前電力系統(tǒng)各類變電站中大量應(yīng)用的封閉式開關(guān)柜、組合電器等，如需對其內(nèi)部電纜頭、母線排、斷路器、刀閘、電流互感器、電壓互感器等設(shè)備進行測溫，則需打開其外部封閉結(jié)構(gòu)，在設(shè)備運行過程中顯然是不能實現(xiàn)的[5]。而對于變電站的保護、測控屏柜及端子箱內(nèi)部的二次電纜和二次接線端子等設(shè)備在進行測溫時，需逐一打開屏柜門進行測溫，這給測溫工作帶來許多困難。

綜上所述，當前電力系統(tǒng)采用的紅外熱像測溫技術(shù)對隱蔽空間及密閉空間內(nèi)的設(shè)備測溫存在很大的局限性和不可實現(xiàn)的問題。因此，需要一種可接觸式的、能夠?qū)Ψ忾]式空間的內(nèi)部設(shè)備進行測溫的技術(shù)，來解決現(xiàn)有測溫技術(shù)存在的難題。

2 無線無源實時測溫技術(shù)應(yīng)用

無線無源測溫技術(shù)的核心是采用一種特殊設(shè)計的聲表(surface acoustic wave，SAW)諧振器，當對聲表諧振器輸入一個特定頻率的電波時，其輸出信號的頻率能夠隨環(huán)境溫度的改變而改變。利用上述特點，可以通過采集聲表諧振器輸出的頻率，得到待測設(shè)備的實時溫度。

無源測溫裝置由溫度采集器、溫度傳感器、溫度采集器天線通訊管理機、變電站測溫管理裝置、溫度監(jiān)測分析軟件及射頻電纜組成。

1)溫度采集器。溫度采集器負責與1～3組傳感器通信，最多可與18個傳感器進行數(shù)據(jù)交換。采集器的發(fā)射天線發(fā)射測溫微波信號到傳感器，傳感器接收此微波信號的同時，變更并被動反射脈沖信號，溫度采集器接收并解析溫度傳感器返回的信號，處理成具有標準通信規(guī)約的溫度信息，上傳至變電站系統(tǒng)主站。由于受到傳感器自身溫度的影響，返回的脈沖信號攜帶傳感器的溫度信息，從而能夠?qū)Υ郎y設(shè)備實時進行無源測溫。

2)溫度傳感器。溫度傳感器是一種能夠直接安裝在被測設(shè)備表面的元件，安裝在母線排、抽屜式斷路器、小車開關(guān)梅花觸指、開關(guān)柜電纜頭等部位，其能夠接收探詢信號，并將帶有溫度信息的射頻信號返回到采集器中。其是基于聲表面波技術(shù)的無源器件，無需電池，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

3)溫度采集器收發(fā)天線。采集器收發(fā)天線的作用為發(fā)送和接受電磁波信號，完成溫度采集器與溫度傳感器的信號傳送。

4)變電站測溫管理裝置。變電站測溫管理裝置用于完成參數(shù)設(shè)定、采集器和傳感器的數(shù)據(jù)處理、提供與自動化系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口及溫度數(shù)據(jù)的解析。每臺變電站測溫管理裝置接入的溫度采集器數(shù)量，根據(jù)該變電站內(nèi)管理開關(guān)柜的數(shù)量或其他待測設(shè)備數(shù)量而定。

5)測溫管理裝置。測溫管理裝置配備彩色觸摸屏、LED狀態(tài)指示燈，具備短信報警功能(選配)。可查詢和顯示該變電站測溫點的溫度值，并通過查詢趨勢曲線來觀察待測點溫度隨時間變化的情況；還可設(shè)置各測溫點的名稱、溫度預(yù)警值、高溫報警值、差溫報警值等功能。

6)在線溫度監(jiān)測分析軟件。在線溫度監(jiān)測分析軟件用于運維站主站內(nèi)，通過國網(wǎng)公司內(nèi)網(wǎng)與運維站管轄的各個變電所的測溫管理裝置進行通信，主要包括所有測點溫度的實時溫度顯示、報警設(shè)置、報警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢分析等功能。實時溫度顯示能夠直觀地顯示設(shè)備實時溫度；報警設(shè)置能夠根據(jù)具體情況設(shè)定不同的報警級別，例如：溫差報警、超溫報警，報警信息能夠以短信的方式發(fā)送給變電站指定的負責人；歷史報警點的位置以及報警溫度等信息都能夠保存在報警記錄中，系統(tǒng)安裝后，所有被測點的溫度變化可以保存在歷史記錄分析功能中，以便運行人員翻閱記錄，及時準確地對被測設(shè)備溫度進行監(jiān)控。

3 電力系統(tǒng)火災(zāi)原因及滅火介質(zhì)存在問題

3.1 電力系統(tǒng)火災(zāi)原因

目前，電力系統(tǒng)中變電站內(nèi)的管線、光纜及電纜為主要可燃物。其中電纜主要由保護皮、絕緣層及導(dǎo)體三部分構(gòu)成。中國電力系統(tǒng)中的變電站一般都采用橡膠電纜或聚氯乙烯電纜。光纜主要由光導(dǎo)纖維、塑料保護套及塑料皮構(gòu)成。

線路過載、接觸不良、接地短路和相間短路等原因都可能導(dǎo)致電纜著火，而電纜頭對絕緣性能的要求較高，往往最先著火。電纜頭在開關(guān)柜內(nèi)著火時，由于開關(guān)柜是一個相對密閉的空間，火災(zāi)所產(chǎn)生的熱量短時間內(nèi)無法擴散，會造成開關(guān)柜內(nèi)的溫度急劇上升。開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備處于高溫的惡劣環(huán)境中，對設(shè)備的絕緣造成很大程度的威脅，極易造成更大范圍的事故。與此同時，著火的電纜頭產(chǎn)生的熱煙氣和熱輻射也會很快影響相鄰間隔，使相鄰間隔內(nèi)的設(shè)備同樣處于惡劣的運行環(huán)境，最終引發(fā)連串的事故。

據(jù)有關(guān)資料顯示，某變電站內(nèi)就曾經(jīng)出現(xiàn)過由于單個間隔電纜頭著火導(dǎo)致5面開關(guān)柜爆炸的嚴重事故。由于開關(guān)柜、保護裝置屏柜內(nèi)的各種二次電纜接頭及各類二次接線端子都處在狹小密閉的空間中，一旦過熱引發(fā)火災(zāi)，將會對整個變電站乃至電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行帶來很大程度的威脅。

3.2 常見滅火系統(tǒng)及存在問題

市面上用于電氣設(shè)備的自動滅火系統(tǒng)主要為干粉滅火系統(tǒng)、七氟丙烷滅火系統(tǒng)、IG-541滅火系統(tǒng)。

1)干粉滅火系統(tǒng)。干粉滅火系統(tǒng)的滅火劑成本低，存儲方便，平時儲存在干粉滅火器或干粉滅火設(shè)備中。但干粉滅火器只能用于-23 ℃以上的環(huán)境中，否則便不能正常滅火或徹底失效。在使用干粉滅火器滅火后，現(xiàn)場往往一片狼籍，很難清理，經(jīng)濟損失較為嚴重；且由于其噴出的物質(zhì)形態(tài)為粉狀，藥劑噴射后會遮住滅火人員的視線，對現(xiàn)場人員的呼吸造成嚴重影響，從而無法進行后續(xù)滅火處理工作[6]。

2)七氟丙烷滅火系統(tǒng)。七氟丙烷是一種無毒的滅火劑，適合用于經(jīng)常有人工作的防護區(qū)，且七氟丙烷不含固體粉塵、油漬，液態(tài)儲存氣態(tài)釋放，噴放后現(xiàn)場無殘留物[7]。但是在運輸、安裝、運行等過程中，七氟丙烷易出現(xiàn)壓力泄漏、瓶體爆裂等情況，且瓶體本身過于笨重，危險系數(shù)高。在滅火過程中，七氟丙烷會分解少量的有害氣體(氟化氫)，故其噴放時間不能超過10 s，存在一定的時間局限性。最重要的是，七氟丙烷滅火裝置的安裝維護手冊規(guī)定：滅火裝置滅火劑貯存容器、氣動驅(qū)動裝置的壓力指示，需每月檢查一次，確保裝置壓力不小于儲存壓力的90%；每季度應(yīng)對七氟丙烷滅火裝置進行一次全面檢查和維護，逐個對滅火劑的儲存容器進行稱重，確保滅火劑凈重始終保持在設(shè)計儲存量的90%及以上；每年需要對防護區(qū)按照《氣體滅火系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定進行一次模擬噴氣試驗。由此可見，七氟丙烷滅火系統(tǒng)后期檢測維護成本較高，不利于大范圍的使用和推廣。

3)IG-541滅火系統(tǒng)。IG-541滅火系統(tǒng)屬惰性氣體滅火系統(tǒng)，其環(huán)保性能和對設(shè)備的安全性能在氣體滅火系統(tǒng)中相對較好,適合對環(huán)保要求高的場所以及保護精密設(shè)備和珍貴財物的場合使用。由于IG-541是利用窒息作用來滅火的，其對設(shè)計濃度有非常高的要求，且系統(tǒng)工作壓力需要維持在15～17.5 MPa；且IG-541系統(tǒng)的成本是目前市面上所有消防設(shè)備中最高的，無論是儲存容器、滅火劑的價格，還是釋放滅火劑的管路都需要消耗大量的資金。其采用的是高壓氣態(tài)儲存方式，儲存壓力很大，儲瓶數(shù)量也較多，需儲存面積大且環(huán)境溫度保持在0～54 ℃的場所，受到的制約較為嚴重。尤其是目前對于該滅火系統(tǒng)的計算方法和設(shè)計標準還不完善，給其的大范圍應(yīng)用帶來一定困難。

綜上所述，為應(yīng)對電力系統(tǒng)的火災(zāi)，需要一種能夠瞬時滅火且環(huán)保性高、便于儲存、毒性低、安裝維護方便、噴放后對設(shè)備無二次損害的滅火介質(zhì)[8]。

4 全氟己酮自動滅火技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 全氟己酮性能

全氟己酮是一種透明、無色、無味、絕緣的新一代環(huán)保型潔凈滅火劑，其物理性能見表1。

表1 全氟己酮的物理性能

全氟己酮在常溫下為液體，無論是在氣態(tài)還是液態(tài)下其均具有電絕緣性。相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，在標準大氣壓下，環(huán)境溫度為21 ℃，電擊穿距離為2.7 mm的條件下，氣態(tài)全氟己酮的擊穿電壓為15.6 kV，而干燥氮氣的擊穿電壓僅為6.8 kV；上述條件下，液態(tài)全氟己酮的擊穿電壓能夠達到48 kV，可見其絕緣性能優(yōu)勢明顯。

全氟己酮的汽化潛熱為水的1/25，汽化速度為水的50倍，具有較高的氣相壓力，有助于快速地從液相變成氣相，并分布到設(shè)備的被保護區(qū)域。全氟己酮主要依靠吸熱來達到滅火效果，可以滅A、B、C、E類火災(zāi)。在使用時，一般將全氟己酮的體積濃度設(shè)計在4%～6%的范圍內(nèi)，其噴射后能夠與空氣形成一種比熱容比空氣大的混合物。在所有目前商業(yè)化的哈龍代替產(chǎn)品中，由于全氟己酮的比熱容最大，因此其滅火濃度最小。

全氟己酮的環(huán)保性能也十分優(yōu)越，其臭氧損耗潛能值(ozone depletion potential，ODP)為0，全球溫室效應(yīng)潛能值(global warming potential, GWP)為1，大氣存活壽命為0.014年(5天)，可以長期而持久的替代哈龍、氫氟烴類化合物和全氟類化合物，起到環(huán)境保護作用。將全氟己酮嚴格按照《化學(xué)品毒性鑒定技術(shù)規(guī)范》(衛(wèi)生部2005年)的規(guī)定進行試驗，試驗結(jié)果表明全氟己酮是一種低毒性的滅火介質(zhì)，其無毒性反應(yīng)濃度安全余量遠大于哈龍等滅火介質(zhì)。基于全氟己酮作為滅火介質(zhì)性能優(yōu)越，可在電力系統(tǒng)中使用全氟己酮全淹沒式自動滅火保護技術(shù)，并與上述無源測溫裝置相結(jié)合，達到監(jiān)測、報警、滅火一系列自動化流程，保障電力設(shè)備的安全運行。

4.2 全氟己酮自動滅火技術(shù)

全氟己酮自動滅火技術(shù)由煙霧探測器、匯聚網(wǎng)關(guān)、非貯壓式全氟己酮固定滅火裝置及管理平臺組成。

煙霧探測器可安裝于溫度傳感器附近，用于探測待測設(shè)備所處環(huán)境是否有煙霧產(chǎn)生。當煙霧探測器和溫度傳感器同時被觸發(fā)時，匯聚網(wǎng)關(guān)會啟動非貯壓式全氟己酮固定滅火裝置，并發(fā)出報警信號及啟動反饋信號；通過網(wǎng)關(guān)收斂，將火災(zāi)報警相關(guān)傳感器信號傳輸?shù)交馂?zāi)報警器中，實現(xiàn)火災(zāi)報警聯(lián)動功能。

非貯壓式全氟己酮固定滅火裝置是參考航天軍工裝備設(shè)計經(jīng)驗，以全氟己酮為滅火介質(zhì)的小型無壓力存貯氣體固定滅火系統(tǒng)裝置，專門適用于小型及特定空間的滅火保護。全氟己酮氣體滅火介質(zhì)以液態(tài)常壓形式灌裝和存貯于系統(tǒng)裝置中，運輸、安裝、運行過程中始終保持“零”壓力，安全無風險。其采用一體化集成增壓驅(qū)動模塊，高效可靠且免維護，省去了后續(xù)使用過程中維護需要的成本和時間；且適配于各型火災(zāi)探測器和控制器，接收指令信號后可瞬時啟動噴發(fā)滅火介質(zhì)，滅火介質(zhì)噴出后能夠迅速氣化，有效撲滅火情。

匯聚網(wǎng)關(guān)具有數(shù)據(jù)采集、分析和傳輸功能，通過國網(wǎng)公司內(nèi)網(wǎng)將數(shù)據(jù)無線傳輸至管理平臺，實現(xiàn)消防設(shè)備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控。

管理運維平臺可接入所屬變電站的運維站管控后臺電腦中，實時采集所轄變電站消防相關(guān)的報警信息和運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)對各站滅火系統(tǒng)的全方位感知、全過程控制，能夠提前發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備隱患，保障自動滅火系統(tǒng)各項設(shè)施正常運行。

5 結(jié) 語

無線無源測溫實時技術(shù)對溫度分辨率高，定位準確，測量精度高，損耗小，響應(yīng)時間短，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，降低設(shè)備事故發(fā)生率，有效地解決了電力系統(tǒng)中無法對隱蔽類設(shè)備測溫、不能實時監(jiān)測設(shè)備溫度的難題。

全氟己酮滅火系統(tǒng)能夠瞬時滅火，滅火濃度更低，介質(zhì)絕緣性能優(yōu)越，溫室效應(yīng)潛能值低，在大氣中存活時間短，常溫下呈液態(tài)，易于運輸與儲存，對人體危害小，值得廣泛推廣和應(yīng)用。

兩種技術(shù)的組合使用，不僅僅局限于電力系統(tǒng)的變電站中，還可以更廣泛地應(yīng)用于空間更小的配電類設(shè)備以及其他領(lǐng)域?qū)ΚM小空間的無源測溫和高效滅火有要求的設(shè)備內(nèi)。既能對待測設(shè)備的溫度進行實時掌控，又能在突發(fā)異常時第一時間滅火，縮小事故范圍，達到雙重保險的效果，有助于電力系統(tǒng)變電站乃至更多行業(yè)和領(lǐng)域的同類設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。