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備溫度的遠距離、多點、實時在線測量，造成電纜頭等設備由于溫度過高引起的火災甚至爆炸等事故頻發(fā)[3]。因此，亟需對上述設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、隱蔽性高的設備高溫異常，除了在線監(jiān)測外，還應配合進行滅火，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，使電氣火災的防護難度加大。而目前市場上常見的幾種基于電氣設備的消防系統(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)，只能感知待測設備表面的溫度，而無法對設備內(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、電壓互感器等設備進行測溫，則需打開其外部封閉結(jié)構(gòu)，在設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)應用

無線無源測溫技術(shù)的核心是采用一種特殊設計的聲表(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)?？刹樵兒惋@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；還可設置各測溫點的名稱、溫度預警值、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備實時溫度；報警設置能夠根據(jù)具體情況設定不同的報警級別，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備溫度進行監(jiān)控。

3 電力系統(tǒng)火災原因及滅火介質(zhì)存在問題

3.1 電力系統(tǒng)火災原因

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)的設備處于高溫的惡劣環(huán)境中，對設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，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)的計算方法和設計標準還不完善，給其的大范圍應用帶來一定困難。

綜上所述，為應對電力系統(tǒng)的火災，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。在使用時，一般將全氟己酮的體積濃度設計在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，將火災報警相關(guān)傳感器信號傳輸?shù)交馂膱缶髦校瑢崿F(xiàn)火災報警聯(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)各種設備隱患，保障自動滅火系統(tǒng)各項設施正常運行。

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，響應時間短，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)設備異常，降低設備事故發(fā)生率，有效地解決了電力系統(tǒng)中無法對隱蔽類設備測溫、不能實時監(jiān)測設備溫度的難題。

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，還可以更廣泛地應用于空間更小的配電類設備以及其他領(lǐng)域?qū)ΚM小空間的無源測溫和高效滅火有要求的設備內(nèi)。既能對待測設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)域的同類設備的安全穩(wěn)定運行。