電力設(shè)備火災(zāi)危險性分析與防控技術(shù)*

汪嘉俊，倪順江

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084;2.城市綜合應(yīng)急科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

電力是國家經(jīng)濟(jì)與社會運(yùn)行的重要支撐，隨著電力系統(tǒng)快速發(fā)展，人類生存和生活越來越離不開電力。電力系統(tǒng)中分布多種電力設(shè)施設(shè)備，因其運(yùn)行和結(jié)構(gòu)特性，易發(fā)生短路、故障等問題，從而導(dǎo)致火災(zāi)[1]，影響電力設(shè)備正常運(yùn)行，同時還會造成生命和財產(chǎn)損失。

據(jù)中華人民共和國應(yīng)急管理部公布的2020年1月至2020年10月全國火災(zāi)形勢報告，電氣火災(zāi)事故占火災(zāi)總數(shù)的50.4%[2]。近年來，我國實(shí)施部分法律法規(guī)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以遏制電氣火災(zāi)事故發(fā)生，同時對用電安全提出新的要求。電氣火災(zāi)事故頻發(fā)，各種突發(fā)事件對電力系統(tǒng)的威脅不斷加劇，尤其地震、臺風(fēng)、雨雪冰凍、森林火災(zāi)等公共安全事件對電力設(shè)備安全的威脅需要引起足夠重視。因此，對電網(wǎng)及電力設(shè)備進(jìn)行火災(zāi)危險性分析以及對電力設(shè)備防火滅火相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。

本文對電力設(shè)備火災(zāi)相關(guān)風(fēng)險分析進(jìn)行總結(jié)與分析，包括電力設(shè)備火災(zāi)機(jī)理與特性的研究現(xiàn)狀及其不足，總結(jié)電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險、火災(zāi)相關(guān)多災(zāi)種風(fēng)險評估，介紹目前主流電力設(shè)備火災(zāi)監(jiān)控及防火滅火技術(shù)，并對電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險評估及防控的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 電力設(shè)備火災(zāi)危險性分析

電力設(shè)備極易發(fā)生火災(zāi)，電力系統(tǒng)中電力設(shè)備種類較多，火災(zāi)機(jī)理與特征不盡相同，因此需要對不同設(shè)備火災(zāi)相關(guān)特性進(jìn)行針對性研究。其中，電纜、變壓器、開關(guān)柜和配電柜、蓄電池的火災(zāi)機(jī)理與特性研究較為典型。為了更好地掌握電力設(shè)備的火災(zāi)風(fēng)險程度，采取針對性防火措施，對電力設(shè)備進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評估十分必要。電力設(shè)備一般屬于點(diǎn)位風(fēng)險，尺度較小，所以將電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險作為建筑火災(zāi)風(fēng)險評估、區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險評估等較大尺度火災(zāi)風(fēng)險評估的一部分。

1.1 電力設(shè)備火災(zāi)機(jī)理與特性研究

針對電纜設(shè)備，部分學(xué)者對電纜燃燒特性進(jìn)行研究,Magalie等[3]在小尺寸方面從電纜結(jié)構(gòu)角度分析通訊電纜的燃燒特性。針對不同電纜材料，對使用聚氯乙烯保護(hù)套[4]、橡膠電纜等多種電纜[5]的電纜燃燒特性進(jìn)行研究。針對電纜在不同空間內(nèi)燃燒特性的研究包括封閉空間內(nèi)間距、通風(fēng)等因素對電纜火災(zāi)的影響研究[6]以及密閉通風(fēng)、封閉以及開放空間電纜火災(zāi)的對比研究[7]。此外，特高壓電纜是電纜火災(zāi)特性研究的重要部分，主要針對其在火災(zāi)條件下的電場相關(guān)特性進(jìn)行研究，如Shao等[8]建立火災(zāi)條件下特高壓輸電線纜擊穿概率的計算模型，發(fā)現(xiàn)特高壓擊穿概率隨溫度和煙氣密度的變化呈“S”型增長。

有關(guān)變壓器的火災(zāi)機(jī)理與特性研究主要針對變壓器油的燃燒特性進(jìn)行，如初始油溫對可燃?xì)怏w產(chǎn)生及燃燒中熱釋放速率的影響及變壓器油的水平火蔓延特性等[9-10]。部分文獻(xiàn)對變壓器的火災(zāi)原因進(jìn)行研究[11]，主要涉及可燃物種類和變壓器工作環(huán)境，研究發(fā)現(xiàn)變壓器火災(zāi)主要是由于機(jī)械、線路故障等導(dǎo)致變壓器內(nèi)部絕緣被擊穿放電，內(nèi)部變壓器油被分解為CO等氣體，并且溫度升高，氣體膨脹導(dǎo)致壓強(qiáng)超過變壓器承受能力，油箱產(chǎn)生爆炸或破裂，可燃的高溫氣體進(jìn)入空氣導(dǎo)致燃燒，并且持續(xù)點(diǎn)燃變壓器油，導(dǎo)致耦合放大效應(yīng)。

針對開關(guān)柜和配電柜設(shè)備的研究主要集中在其內(nèi)部開關(guān)元件燃燒與升溫特性[12-13]。配電柜與開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境大致相同，因此其火災(zāi)機(jī)理基本一致，火災(zāi)原因大致相同。目前，對于開關(guān)柜火災(zāi)原因的研究較多，且主要涉及特定的案例分析，對于開關(guān)柜和配電柜進(jìn)行系統(tǒng)火災(zāi)分析的研究較少[14]。

隨著新能源電力發(fā)展，新能源儲電儲能設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，如鋰電池、氫燃料電池以及儲能電站等。對新能源電力設(shè)備的火災(zāi)機(jī)理特性研究以鋰電池為主，如儲能電站火災(zāi)原因分析或電廠中鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)危險性及風(fēng)險應(yīng)對措施等[15-16]。由于鋰電池燃燒會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，因此對鋰電池燃燒產(chǎn)生的氣體相關(guān)研究十分重要，如Zhang等[17]研究鋰離子電池內(nèi)部溫度和電壓以及熱失控期間產(chǎn)生的氣體，評估產(chǎn)生氣體的毒性效應(yīng)，認(rèn)為在熱失控過程中，電池內(nèi)部溫度明顯高于表面溫度，產(chǎn)生的主要有毒氣體是CO和HF，氣體含量隨荷電狀態(tài)的增加而增加。部分學(xué)者針對于蓄電池組火災(zāi)原因進(jìn)行研究[18-19]。

綜上，現(xiàn)有研究大部分基于事故原因調(diào)查分析，有關(guān)設(shè)備發(fā)生火災(zāi)原因、機(jī)理與特性分析以總結(jié)性描述為主，從系統(tǒng)角度出發(fā)，利用定量方法研究電力設(shè)備的火災(zāi)危險性較少。電力設(shè)備火災(zāi)機(jī)理與特性分析可從可能性分析和后果分析2個部分進(jìn)行?？赡苄苑治龌诨馂?zāi)三角形理論，全面分析電力設(shè)備工作時存在的可燃物性質(zhì)和電力設(shè)備自身、工作環(huán)境和外部環(huán)境中存在的潛在著火源以及助燃物分析；后果分析可著重分析可燃物的燃燒性能、電力設(shè)備功能特性及其在整體電力系統(tǒng)中的影響。

1.2 電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險評估

在火災(zāi)風(fēng)險評估中，電力設(shè)備視為空間/區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險的部分風(fēng)險因素?；馂?zāi)風(fēng)險評估方法主要包括定性方法、半定量方法和定量方法，其中定性方法的主觀誤差較大。上述方法均需考慮火災(zāi)發(fā)生的概率和火災(zāi)可能引起的后果。由于不同場景的火災(zāi)模式存在差異，需要結(jié)合具體場景將電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險納入綜合火災(zāi)風(fēng)險考慮范圍。

半定量方法一般通過構(gòu)建指標(biāo)體系[20]，由專家打分或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析得出火災(zāi)風(fēng)險等級，常用方法包括德爾菲法或者層次分析法。近年來，模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用[21]使得半定量方法中權(quán)重判定更加科學(xué)合理，能夠?qū)⒃u價從定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎恐笜?biāo)，直觀地表達(dá)火災(zāi)風(fēng)險。但主觀因素對風(fēng)險評估影響較大，一般用于快速判斷火災(zāi)風(fēng)險的相對大小。定量方法是基于概率論與數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，以歷史數(shù)據(jù)等客觀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，量化火災(zāi)頻率和后果。常用的方法有事件樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、蒙特卡羅模擬等，但方法需要大量火災(zāi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[22]。隨數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)快速發(fā)展，火災(zāi)相關(guān)的定量風(fēng)險評估更加方便精確。

火災(zāi)風(fēng)險評估是世界各國關(guān)注的重點(diǎn)，如美國道化學(xué)公司提出的 “火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)評價法”等。此外，火災(zāi)相關(guān)算法和軟件也在持續(xù)發(fā)展，如英國開發(fā)的火災(zāi)風(fēng)險評估輔助工具Dwelling Risk Assessment Toolkit、High Occupancy Building Risk Assessment Toolkit 等。靈活快捷的火災(zāi)風(fēng)險評估以及統(tǒng)一的評估規(guī)范，是火災(zāi)風(fēng)險評估研究的國際化趨勢。

近年來，Natech事件(自然災(zāi)害引發(fā)的事故災(zāi)難)[23]逐漸引起人們重視。自然災(zāi)害同樣對電力設(shè)備安全存在較大威脅。Natech事件風(fēng)險評估主要基于自然災(zāi)害和目標(biāo)設(shè)備的特征確定以及自然災(zāi)害對目標(biāo)設(shè)備的損害模型[24]。模糊評價法和層次分析法廣泛應(yīng)用于Natech風(fēng)險評估中，如Cruz等[25]開發(fā)的Natech風(fēng)險指數(shù)，包含火災(zāi)風(fēng)險或火災(zāi)相關(guān)危險設(shè)備及其生產(chǎn)過程的危害程度。因此，電力設(shè)備同樣被納入Natech風(fēng)險后果評估中。

2 電力設(shè)備火災(zāi)監(jiān)控及防火滅火技術(shù)

電力設(shè)備火災(zāi)頻發(fā)，危險性大，對電力設(shè)備火災(zāi)進(jìn)行防控相關(guān)技術(shù)，也是電力設(shè)備火災(zāi)研究重點(diǎn)。電力設(shè)備火災(zāi)防控首先要做好對電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，并在出現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險時及時報警；同時，需要采取措施防止電力設(shè)備火災(zāi)發(fā)生，加強(qiáng)本質(zhì)安全。在火災(zāi)發(fā)生之后要及時采取有效措施進(jìn)行滅火，研究重點(diǎn)是變壓器、電線電纜以及鋰電池等新能源設(shè)備的防火滅火。除科學(xué)研究成果之外，相關(guān)企業(yè)也研制出較多電力設(shè)備火災(zāi)監(jiān)控及防火滅火相關(guān)產(chǎn)品。

2.1 電力設(shè)備火災(zāi)監(jiān)控

自動報警系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括2個部分，一是對火災(zāi)的物理特性進(jìn)行探測，二是處理分析探測到的物理量后報警。傳統(tǒng)火災(zāi)探測器按敏感元件類型不同，主要針對火災(zāi)時產(chǎn)生煙霧、環(huán)境溫度、光強(qiáng)變化以及可燃?xì)怏w濃度等進(jìn)行探測。當(dāng)探測到相關(guān)物理量出現(xiàn)異常，會通過自動報警裝置報警。

1)多源數(shù)據(jù)智能探測與報警

火災(zāi)發(fā)生特征可由多個物理量共同描述，但傳統(tǒng)火災(zāi)探測器往往針對某單一物理參數(shù)進(jìn)行探測，導(dǎo)致探測結(jié)果易受周邊環(huán)境因素影響，使系統(tǒng)對探測結(jié)果的判斷出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)誤報或漏報。近年來，隨數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)分析技術(shù)發(fā)展，多源數(shù)據(jù)、多特征火災(zāi)智能報警系統(tǒng)逐步發(fā)展，如汪書蘋等[26]設(shè)計的吸氣式復(fù)合探測器，可以模仿人對火災(zāi)的判斷，實(shí)施多元同步探測，綜合分析多種火災(zāi)特征參數(shù)，并應(yīng)用智能算法進(jìn)行融合，以進(jìn)行智能化報警；Gao等[1]從新一代信息技術(shù)和算法驅(qū)動出發(fā)，研發(fā)出針對多種參數(shù)的監(jiān)測設(shè)備，并制定相應(yīng)預(yù)警方法和判斷規(guī)則，解決了“看不見摸不著”的電火災(zāi)問題。

2)新信息技術(shù)

新信息技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效便捷，火災(zāi)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸也有新的發(fā)展。大數(shù)據(jù)、云平臺是新信息技術(shù)的典型代表，在電力火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警中起到重要作用。如基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對電力設(shè)備火災(zāi)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和跟蹤[27]或?qū)Τ鞘须娋W(wǎng)用電規(guī)律及安全系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面多維度處理分析，可及時判斷電氣火災(zāi)風(fēng)險，動態(tài)監(jiān)測各種消防設(shè)施的有效性，實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時監(jiān)測和預(yù)防控制[28]。

此外，信息傳輸技術(shù)如無線傳輸電力火災(zāi)監(jiān)控，在保持建筑物原有結(jié)構(gòu)條件下，監(jiān)控電力線路的電流等參數(shù)預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險，或通過CAN總線對火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)獲得的參數(shù)進(jìn)行連接[29-30],實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的資源和服務(wù)共享。

3)火災(zāi)圖像跟蹤探測技術(shù)

對于火災(zāi)監(jiān)控最直觀的方法即通過圖像視頻進(jìn)行跟蹤觀察。傳統(tǒng)方法一般對火焰圖像進(jìn)行信息分析，如米銳[31]通過火焰形態(tài)和火焰顏色特征對火焰圖像進(jìn)行處理，但因火災(zāi)情況一般較為復(fù)雜，該分析方法受限較大。隨機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等概念提出，火災(zāi)圖像跟蹤識別技術(shù)得到新的提升[32-33]，該方法主要根據(jù)火災(zāi)靜態(tài)和動態(tài)特征，結(jié)合火焰多個參數(shù)和火焰形狀等對火災(zāi)進(jìn)行識別，然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提取的特征進(jìn)行檢測。

綜上，傳統(tǒng)火災(zāi)探測與報警模式功能較單一，監(jiān)測面較窄，已無法滿足現(xiàn)代化的火災(zāi)監(jiān)控需求。更加智能的探測與報警技術(shù)、圖像跟蹤識別技術(shù)等，能夠確保火災(zāi)監(jiān)控報警及時準(zhǔn)確，云平臺、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸技術(shù)等使火災(zāi)監(jiān)控報警更加全面快捷。

2.2 電力設(shè)備防火滅火技術(shù)

為防止電力設(shè)備火災(zāi)或在火災(zāi)之后能夠及時采取有效措施，是保護(hù)電力設(shè)備安全的重要部分，主要包括變壓器防火滅火、電線電纜防火滅火以及新能源電力設(shè)備防火滅火3個部分。

1)變壓器防火滅火

電力變壓器是電站和變電站中最重要的設(shè)備之一。室外大型變壓器的防火滅火最常用的方法是水噴霧滅火，除此之外還有合成泡沫噴霧、排油注氮滅火等；室內(nèi)變壓器的防火滅火方法主要有惰性氣體、CO2氣體滅火裝置和熱氣溶膠等滅火技術(shù)。現(xiàn)有研究主要針對已有方法進(jìn)行改進(jìn)，如合成泡沫滅火劑的評價與篩選[34]、改造排油注氮消防系統(tǒng)[35]等。

2)電線電纜防火滅火

在電網(wǎng)中，電線電纜短路、漏電、過熱等經(jīng)常引發(fā)火災(zāi)。對電纜的防火滅火研究主要集中在電線電纜材料選擇，從一般阻燃線纜、無鹵線纜等繼續(xù)發(fā)展低煙無鹵阻燃的綜合新技術(shù)電纜，是未來研究重點(diǎn)[36]。

3)新能源電力設(shè)備防火滅火

隨新能源技術(shù)發(fā)展，鋰電池和氫能電力設(shè)備成為電力系統(tǒng)的重要組成部分，新能源汽車是目前各國用以解決能量短缺以及環(huán)境污染問題的主要手段之一。對鋰電池的滅火研究主要在于滅火介質(zhì)選擇以及細(xì)水霧、七氟丙烷等滅火劑的開發(fā)等方面[37-38]。對氫能儲能電力設(shè)備的防火滅火研究主要在于儲氫瓶復(fù)合材料的選擇與設(shè)置以及氫能電力設(shè)備滅火劑的選擇與研究[39-40]。此外，對于鋰電和氫能新能源汽車的防火滅火也是研究的重點(diǎn)[41]。

目前，針對重點(diǎn)電力設(shè)備的滅火研究，主要在于滅火介質(zhì)的選擇、防火材料以及消防裝置研發(fā)，以滅火效果為主，忽略滅火后對電力設(shè)備的保護(hù)。

3 問題與研究展望

電力設(shè)備火災(zāi)危險性分析與防控技術(shù)研究尚有不足，具體體現(xiàn)在：電力火災(zāi)機(jī)理與特性研究以定性總結(jié)為主，缺乏系統(tǒng)性研究；電力火災(zāi)風(fēng)險評估以單一對象和定性為主，缺乏更加定量化的分析；電力設(shè)備防火滅火傳統(tǒng)方法還存在功能單一等問題，新的技術(shù)和方法尚未興起。因此，未來關(guān)于電力設(shè)備火災(zāi)危險性分析與防控技術(shù)的研究可從以下4個方面入手：

1)應(yīng)系統(tǒng)利用定性和定量結(jié)合的方法，研究電力設(shè)備火災(zāi)的機(jī)理與特性。如通過可能性和后果分析，研究電力設(shè)備工作時存在的可燃物性質(zhì)、潛在著火源和助燃物以及電力設(shè)備的功能特性和在整體電力系統(tǒng)中的影響等。

2)利用火災(zāi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)積累，發(fā)展更精細(xì)的電力設(shè)備風(fēng)險評估方法，準(zhǔn)確量化火災(zāi)頻率和后果。重點(diǎn)需要考慮電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險中可能存在的多災(zāi)種耦合效應(yīng)，包括自然災(zāi)害導(dǎo)致事故災(zāi)難的Natech事件中，電力設(shè)備火災(zāi)作為次生衍生事件的風(fēng)險以及電力設(shè)備火災(zāi)引發(fā)的其他生命線基礎(chǔ)設(shè)施事故風(fēng)險。通過建立電力設(shè)備火災(zāi)中的多災(zāi)種耦合關(guān)聯(lián)成災(zāi)模型，解決耦合風(fēng)險的非線性加和及量化問題。

3)在信息技術(shù)和智能電網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)上，開發(fā)更加可視化、數(shù)字化、智能化的電力火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警和應(yīng)急管理系統(tǒng)，包含多源數(shù)據(jù)、火災(zāi)多特征分析、利用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行火災(zāi)圖像分析處理以及多要素聯(lián)合的風(fēng)險時空分布可視化技術(shù)等。

4)由于新能源電力設(shè)備快速發(fā)展，鋰電池、氫能電力設(shè)備等出現(xiàn)溫度高、爆炸、中毒等問題，電力設(shè)備防火滅火研究需要進(jìn)一步考慮人員安全防護(hù)，如中和毒性、控制溫度、爆炸防護(hù)等，同時，需要針對新能源電力設(shè)備特性，改進(jìn)消防人員的防護(hù)服等防護(hù)設(shè)備。

4 結(jié)論

1)在廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，梳理歸納電纜、變壓器、開關(guān)柜和配電柜、蓄電池等電力設(shè)備火災(zāi)機(jī)理與特性研究現(xiàn)狀，指出電力火災(zāi)危險性分析及風(fēng)險評估主要方法為定性或者半定量方法。

2)對電力設(shè)備火災(zāi)風(fēng)險、火災(zāi)相關(guān)多災(zāi)種風(fēng)險評估進(jìn)行總結(jié)，介紹目前先進(jìn)電力設(shè)備火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)，如多源數(shù)據(jù)智能探測與報警、大數(shù)據(jù)、云平臺等，簡要介紹變壓器、電線電纜、鋰電池、氫能電力設(shè)備等的防火滅火技術(shù)。

3)針對電力設(shè)備火災(zāi)危險性分析與防控技術(shù)研究存在問題，需進(jìn)一步定量化和系統(tǒng)化進(jìn)行風(fēng)險分析，智能化與全方位進(jìn)行電力火災(zāi)監(jiān)控，提高并完善滅火技術(shù)。