全氟己酮在電力開關(guān)柜火災(zāi)的滅火試驗(yàn)研究

劉國強(qiáng)，李國春，趙志鵬，劉 苑，郝亞楠

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東省科學(xué)院自動化研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東天康達(dá)安防科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著社會不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求不斷增長，開關(guān)柜的使用日益增加。開關(guān)柜內(nèi)的部件主要有斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)、互感器以及各種保護(hù)裝置等［1］。連接上述裝置有數(shù)量眾多的接線端子，當(dāng)出現(xiàn)接觸電阻過大、短路、漏電、過載等故障時很容易引起局部溫度急劇升高，引燃絕緣層及附近電纜產(chǎn)生火災(zāi)事故。預(yù)防開關(guān)柜電氣火災(zāi)事故已成為當(dāng)前亟須解決的一項重要課題［2-3］。

設(shè)計和搭建針對開關(guān)柜火災(zāi)的全氟己酮滅火系統(tǒng)真型試驗(yàn)平臺，選擇一款電力系統(tǒng)中典型尺寸的開關(guān)柜，內(nèi)部安裝斷路器、電纜等燃燒物，通過高溫?zé)犭娕?、熱輻射計、氧氣檢測儀和復(fù)合氣體分析儀采集試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。通過進(jìn)行真型滅火試驗(yàn)，驗(yàn)證新型滅火劑全氟己酮對開關(guān)柜火災(zāi)防控的適用性。

1 研究現(xiàn)狀

開關(guān)柜常用的滅火方式有超細(xì)干粉、熱氣溶膠、七氟丙烷等。超細(xì)干粉和熱氣溶膠滅火后有殘留，滅火后很難清理，設(shè)備基本報廢［4］。七氟丙烷滅火劑由于滅火效率高，滅火后不留痕跡，而且不含導(dǎo)電介質(zhì)，目前廣泛應(yīng)用于檔案館、數(shù)據(jù)中心、配電室等場所。但是七氟丙烷對大氣破壞的永久性程度為42，其大氣中存留壽命達(dá)31年，溫室效應(yīng)潛能值為3 350，這是該滅火劑的環(huán)保缺陷，不宜長期使用［5］。

全氟己酮作為一種新型高效潔凈的氣體滅火劑，具有滅火濃度低、滅火效率高、安全系數(shù)高、不導(dǎo)電、無殘留等特點(diǎn)，適用于滅火后不能有二次污染的火災(zāi)場所，可應(yīng)用于全淹沒或局部淹沒滅火系統(tǒng)［6］。全氟己酮滅火劑的滅火機(jī)理一是釋放后迅速汽化吸收熱量，通過降低火場溫度進(jìn)行滅火；二是迅速分解成氟化烷自由基，中斷燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)鏈，使燃燒過程的聯(lián)鎖反應(yīng)中斷而滅火［7-8］。

國內(nèi)學(xué)者對全氟己酮滅火劑有許多研究，陳濤等對全氟己酮滅火劑臨界滅火濃度進(jìn)行了測試研究，得出全氟己酮滅火劑對于乙醇燃料的臨界滅火體積分?jǐn)?shù)約為5.6%［9］。崔鳳霞等研究了全氟己酮滅火劑高溫?zé)崃呀庑阅埽l(fā)現(xiàn)熱裂解后的氣體產(chǎn)物含量與熱裂解溫度、滯留時間相關(guān)；熱裂解氣體產(chǎn)物成分較多，其中有一氧化碳和劇毒氣體全氟異丁烯［10］。張斌對全氟己酮與七氟丙烷的滅火性能進(jìn)行了對比研究，在體積122 m3的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了A 類木垛火、B 類正庚烷火和全淹沒滅火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明全氟己酮和七氟丙烷都能夠在規(guī)定時間內(nèi)熄滅火焰［5］。國內(nèi)有個別公司進(jìn)行了全氟己酮針對配電柜的滅火試驗(yàn)，但未見相關(guān)試驗(yàn)論文。

2 開關(guān)柜火災(zāi)特點(diǎn)分析

開關(guān)柜一般由低壓室、手車室、母線室、電纜室等組成，內(nèi)部設(shè)備主要有斷路器、線纜、保護(hù)裝置等，電氣線路老化造成短路、使用負(fù)荷過載、連接處安裝不牢固導(dǎo)致接觸不良等容易引起電氣火災(zāi)［11］。引起開關(guān)柜火災(zāi)的主要原因有：

1）電纜或電氣設(shè)備發(fā)生短路時，電流突然增大，發(fā)熱量極大，溫度極高，并在短路的位置產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花甚至放電電弧，不僅能引燃電纜絕緣層和設(shè)備外殼迅速燃燒，甚至能使電纜或設(shè)備中的金屬熔化［12］。

2）雨季潮濕或者晝夜溫差較大時，開關(guān)柜內(nèi)部的金屬導(dǎo)線或接線端子表面容易產(chǎn)生凝露［13］，造成電纜絕緣層、絕緣殼體或者相間隔板等復(fù)合材料絕緣電阻降低，引起拉弧放電造成相間短路或者接地短路事故。

3）當(dāng)電纜內(nèi)電流高過防護(hù)負(fù)載時，電纜長期在高溫下運(yùn)行，引起電纜過負(fù)荷。電纜的絕緣層長期過負(fù)荷運(yùn)行會加速老化變質(zhì)，電纜溫度會升高。開關(guān)柜內(nèi)部通風(fēng)散熱效果較差，熱量積聚可引燃電纜的絕緣層。老化變質(zhì)的電纜絕緣層可能會破損引起短路，所以電纜不能長期過載運(yùn)行。

4）開關(guān)柜中的電纜或接頭一般通過電流比較大，如果在接線端子等連接處安裝不到位，接觸不良會導(dǎo)致接觸電阻過大［14］。這種連接處接觸電阻和通過電流都比較大，可能產(chǎn)生較大熱量，高溫下會使連接端子變形甚至熔化，進(jìn)而導(dǎo)致電纜的絕緣層或者工程塑料殼體發(fā)生燃燒引起火災(zāi)。

5）開關(guān)柜內(nèi)部母線和接線端子等金屬件的加工可能存在尖角、毛刺，導(dǎo)致電場分布不均勻，尖端發(fā)生電暈放電。如果局部電場強(qiáng)度達(dá)到臨界場強(qiáng)時，附近的氣體發(fā)生局部電離［15］，會使絕緣材料的絕緣性能降低甚至破壞，進(jìn)而引起短路甚至火災(zāi)。

3 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)

針對開關(guān)柜火災(zāi)的特點(diǎn)，為了驗(yàn)證全氟己酮滅火劑對開關(guān)柜火災(zāi)的滅火效果，制定試驗(yàn)方案，方案路線如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)路線圖

3.1 試驗(yàn)平臺搭建

試驗(yàn)平臺布局圖如圖2 所示［16］，具體搭建方案如下：

圖2 開關(guān)柜滅火試驗(yàn)布局

1）開關(guān)柜內(nèi)部可燃物主要是殼體工程塑料、交聯(lián)聚乙烯線纜等，在開關(guān)柜的下部安裝線槽和線纜，上面安裝一排斷路器、保護(hù)裝置等工程塑料殼體的設(shè)備。

2）全氟己酮高壓儲罐固定在開關(guān)柜側(cè)壁，噴頭安裝在開關(guān)柜中部。

3）熱輻射傳感器固定于開關(guān)柜頂部，傳感器接收面正對油盤和上方線纜，監(jiān)測熱輻射值。采用JTR09 熱輻射計，熱輻射范圍0～10 kW/m2，分辨率0.001 kW/m2，精度±4%，數(shù)據(jù)存儲間隔設(shè)定為2 s，存儲空間4 000組，數(shù)據(jù)可通過迷你USB 接口連接電腦導(dǎo)出。

4）設(shè)置三個測溫點(diǎn)，采用K 型鎧裝熱電偶。熱電偶1 位于線槽和線纜上方100 mm 處，用于測量火焰中心的溫度；熱電偶2 位于開關(guān)柜中部；熱電偶3位于開關(guān)柜上部，距離開關(guān)柜頂面200 mm。熱電偶通過耐高溫導(dǎo)線連接到智能溫度記錄儀，記錄儀可以同時采集4路溫度信號，數(shù)據(jù)存儲間隔設(shè)定為2 s，溫度數(shù)據(jù)可通過U盤導(dǎo)出到電腦。

5）復(fù)合氣體分析儀采樣管安裝于熱電偶3 附近。為防止高溫?fù)p壞采樣硅膠管，用一段長度1 m外徑8 mm的不銹鋼管插入開關(guān)柜，外部通過硅膠氣管連接復(fù)合氣體分析儀。采用PGD4-C-M4 復(fù)合式高精度氣體分析儀，可以檢測CO、SO2、O2、NO 等4種氣體，檢測原理為電化學(xué)，檢測方式為泵吸式，精度±2%，數(shù)據(jù)存儲間隔設(shè)定為2 s。CO 質(zhì)量濃度的量程是0～1 250 mg/m3，分辨率0.125 mg/m3；SO2質(zhì)量濃度的量程是0～200 mg/m3，分辨率0.1 mg/m3；O2的量程為0～30%的體積百分比，分辨率0.01%；NO質(zhì)量濃度的量程是0～500 mg/m3，分辨率0.1 mg/m3。

6）攝像頭固定于開關(guān)柜中部，鏡頭對準(zhǔn)油盤和上方線纜。為防止高溫?zé)龤z像頭和連接線，試驗(yàn)中燃燒時間設(shè)定為120 s。

7）油盤直徑300 mm，高度170 mm，置于開關(guān)柜下部，油盤上沿距離線纜200 mm。

3.2 全氟己酮用量計算

試驗(yàn)采用10 kV 高壓開關(guān)柜，寬度62 cm，深度82 cm，高度220 cm。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證全氟己酮滅火劑針對開關(guān)柜火災(zāi)的適用性，關(guān)鍵是計算滅火劑的用量。因?yàn)殛P(guān)于全氟己酮滅火系統(tǒng)設(shè)計施工的國家標(biāo)準(zhǔn)暫未出臺，參照山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB37/T 3642—2019《全氟己酮滅火系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗(yàn)收規(guī)范》6.4.1 來計算滅火劑使用量［17-18］。全氟己酮實(shí)際使用量：

式中：K為海拔高度修正系數(shù)，參考設(shè)計規(guī)范取K=1；C1為滅火濃度，全氟己酮的滅火濃度為4.0%～6.0%，C1取最高值6%；S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的比容，m3/kg；V為防護(hù)區(qū)的凈容積，m3。

試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境溫度T=20 ℃；

高壓儲罐內(nèi)滅火劑剩余量ΔW≈0.05 kg；

全氟己酮總充裝量W0=W+ΔW=0.99+0.05≈1.04（kg）。

選擇高壓儲罐規(guī)格為2 L，數(shù)量1 只，在20 ℃時增壓壓力為4.2 MPa。

3.3 試驗(yàn)步驟

1）油盤底部倒入適量的水，用量杯注入500 mL正庚烷，把油盤放入開關(guān)柜底部。

2）攝像機(jī)開始錄像。

3）溫度記錄儀、熱輻射計、氧氣檢測儀、復(fù)合氣體分析儀開始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4）啟動點(diǎn)火器點(diǎn)燃正庚烷，引燃線纜和斷路器等，先敞開柜門引燃30 s，然后關(guān)閉柜門繼續(xù)燃燒90 s，合計預(yù)燃120 s。

5）啟動全氟己酮滅火裝置噴射滅火劑。

6）滅火劑噴射結(jié)束后，通過開關(guān)柜內(nèi)部的攝像機(jī)觀察火焰是否熄滅。如果滅火劑噴射結(jié)束后60 s內(nèi)不能熄滅火焰，用備用滅火器手動滅火。

7）清理試驗(yàn)現(xiàn)場，記錄整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

滅火試驗(yàn)在山東某公司火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)過程如圖3—圖5所示。

圖3 試驗(yàn)場景布置

圖4 試驗(yàn)開始

圖5 滅火劑噴射前后火焰狀態(tài)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)開始用點(diǎn)火器點(diǎn)燃油盤引燃線纜和斷路器自由燃燒，首先敞開開關(guān)柜門預(yù)燃30 s，然后關(guān)閉柜門繼續(xù)燃燒90 s。預(yù)燃時間總計120 s時啟動全氟己酮滅火裝置，滅火劑噴射5 s 后火焰熄滅。從滅火劑噴射前后的火焰狀態(tài)可以看出，滅火劑剛開始噴射時火焰更猛烈；噴射2 s 時火焰最大，之后2 s 火焰脫離了可燃物在開關(guān)柜內(nèi)部擴(kuò)散；滅火劑噴射5 s 后火焰熄滅。

4.1 溫度變化

因?yàn)椴捎玫腒 型鎧裝熱電偶外徑10 mm，熱響應(yīng)時間比較長。熱電偶1 位于火焰的中心，所以溫度最高。由圖6 可以看出，預(yù)燃120 s 時，熱電偶1 最高溫度220 ℃，熱電偶2最高溫度125 ℃，熱電偶3最高溫度95 ℃。滅火劑噴射5s 后火焰熄滅，全氟己酮快速氣化吸收熱量，熱電偶1 以0.35 ℃/s 的速度下降，熱電偶2 以0.15 ℃/s 的速度緩慢下降，熱電偶3以0.08 ℃/s的速度緩慢下降。

圖6 熱電偶溫度變化

4.2 熱輻射值變化

熱輻射值變化如圖7所示。由圖7可以看出，預(yù)燃32 s時，熱輻射值達(dá)到最大值118 W/m2，之后波動下降。預(yù)燃82 s時下降到43 W/m2，然后上升到71 W/m2，啟動全氟己酮滅火裝置時波動下降到45 W/m2。滅火劑噴射后熱輻射值急劇下降到0，維持5 s后又在1 min內(nèi)上升到最高88 W/m2，之后緩慢下降。

圖7 熱輻射值變化

熱輻射計傳感器安裝在開關(guān)柜頂部，預(yù)燃前30 s 開關(guān)柜門是敞開狀態(tài)，熱輻射值急劇上升。關(guān)閉柜門之后熱輻射值不穩(wěn)定且波動下降，分析主要有以下3 個原因：一是燃燒產(chǎn)生的煙氣較大，在傳感器和火焰之間造成了遮擋；二是關(guān)閉柜門之后氧氣濃度下降，燃燒不充分；三是傳感器表面被煙氣覆蓋造成靈敏度降低。

全氟己酮滅火劑的滅火機(jī)理主要是釋放后迅速汽化吸收熱量，通過降低火場溫度進(jìn)行滅火。所以滅火劑噴射后，熱輻射傳感器也被滅火劑噴霧淹沒而吸收熱量，熱輻射值在8 s 內(nèi)急劇降到0。滅火劑霧化蒸發(fā)后，因?yàn)殡姎夤駜?nèi)部還有余熱，所以熱輻射值又上升到88 W/m2之后才緩慢下降。從熱輻射值的上升程度可見，滅火劑噴射前熱輻射值波動下降主要是由燃燒產(chǎn)生的煙氣遮擋造成。因?yàn)闇缁饎﹪娚浜鬅煔鉁囟冉档统两担趽鯗p少，所以熱輻射值上升到比滅火劑噴射之前還高的程度才緩慢下降。

4.3 氣體濃度變化

燃燒試驗(yàn)開始后會引起多種氣體濃度的變化。由圖8 和圖9 可以看出，前30 s 因?yàn)殚_關(guān)柜門是敞開狀態(tài)，氣體濃度基本沒有變化。從關(guān)閉柜門開始，SO2、NO 和CO 的濃度都快速上升。SO2質(zhì)量濃度最高升高到165 mg/m3，火焰熄滅后在60 s 內(nèi)下降了75.7%，之后緩慢下降。NO 質(zhì)量濃度最高升高到50.9 mg/m3，火焰熄滅后在44 s 內(nèi)下降到0。CO 的質(zhì)量濃度在試驗(yàn)進(jìn)行到80 s 時達(dá)到氣體分析儀的最大量程1 250 mg/m3，維持106 s后快速下降，40 s內(nèi)下降了69%，之后緩慢下降。試驗(yàn)開始前氧氣的體積百分比為20.69%，試驗(yàn)中關(guān)閉柜門后氧氣濃度緩慢下降，體積百分比最低降到12.49%，火焰熄滅后緩慢回升到前值。

圖8 復(fù)合氣體濃度變化

圖9 CO濃度變化

5 結(jié)論

利用電力開關(guān)柜的全氟己酮滅火試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析，說明在尺寸0.62 m×0.82 m×2.2 m，體積1.12 m3的10 kV 開關(guān)柜內(nèi)，選擇2 L 高壓儲罐，灌裝1 kg 全氟己酮，在20 ℃時N2增壓至壓力4.2 MPa，開啟噴射可在5 s內(nèi)熄滅開關(guān)柜內(nèi)的電纜和工程塑料引起的電氣火災(zāi)。

相對密閉空間內(nèi)電氣火災(zāi)燃燒會產(chǎn)生CO、SO2、NO 等有毒有害氣體的濃度也較高，進(jìn)入火場的消防救援人員要佩戴好防煙面罩，做好人身防護(hù)。

全氟己酮噴射氣化后能夠快速熄滅開關(guān)柜火焰，降低火場的溫度和熱輻射值，快速降低CO、SO2、NO等有毒有害氣體濃度。

電氣火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣濃度較大，熱輻射計的探測值會受到影響而顯著下降，紅外熱成像設(shè)備在這種情況下可能功能受限，需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)驗(yàn)證。