開關柜中熱氣溶膠滅火劑用量的合理設計

鄧海峰，楊 楠

（1.國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

高壓開關柜是變電站的重要開關設備，其火災事故帶來的負面影響不言而喻。開關柜內部電氣設備復雜、電接觸點多、設備的安全距離不足等，為開關柜帶電起火埋下了隱患，且變電站中各開關柜緊密相連，“火燒連營”的事故也時有發生。

S型熱氣溶膠降塵率低、沉降物絕緣性好，是一種適用于高壓開關柜的優質滅火材料。當前，熱氣溶膠已經在部分領域得到重用，國內外研究人員也對其在應用上的相關技術環節進行了研究。文獻[1]將熱氣溶膠滅火材料配合冷卻劑應用于汽車引擎，在保證滅火能力的同時，有效降低了滅火裝置噴口的溫度。文獻[2]對比熱氣溶膠滅火裝置在通風和非通風條件下對風電機組的滅火能力，發現熱氣溶膠在密閉空間中的滅火濃度更高，滅火效果更好。文獻[3]將熱氣溶膠滅火材料應用于公交車發動機艙，并通過實驗驗證了其有效性。然而，目前的研究還無法對開關柜的防護提供實質性幫助，特別是涉及到開關柜中熱氣溶膠的具體用量等關鍵指標。

針對以上問題，本文在KYN28A-12型開關柜的各室中采用不同劑量的S型熱氣溶膠模擬滅火實驗，得到各室中熱氣溶膠的滅火效率與其濃度的變化規律，并提出一些熱氣溶膠在開關柜中應用建議，特別是用量設計。

1 熱氣溶膠材料簡介

1.1 熱氣溶膠分類及相關性質

熱氣溶膠是一種混合物。由于它的化學成分不同，通常將熱氣溶膠分為S型氣溶膠和K型氣溶膠[4-5]。K型氣溶膠主要成分為鉀鹽，包括K2CO3、KHCO3以及K2O等。這3種物質極易吸濕，易溶于水，所以其沉降物與空氣中的水分子結合后會影響儀器的絕緣強度。在微型電路板和一些精密的儀器中，應避免使用K型氣溶膠。S型氣溶膠的主要成分為鍶鹽，降塵率低、絕緣性好，不會對電氣設備帶來隱患[6-9]。相較于K型氣溶膠，S型氣溶膠更適合在帶電場景使用。

1.2 熱氣溶膠滅火機理

熱氣溶膠滅火劑以氣溶膠發生劑的形式保存在滅火裝置的化學反應室中，通過引發器給予其引發燃燒所需的最低能量，發生化學反應后產生氣溶膠。反應產生的惰性氣體會稀釋火災區域的氧濃度。金屬氧化物比表面積大，覆蓋在燃燒物表面，消耗燃燒鏈式反應的自由基，切斷燃燒反應鏈。另外，水蒸氣也起到一定的冷卻降溫作用。

2 模擬滅火實驗

2.1 實驗過程

2.1.1 實驗一

如圖1所示，在電纜室中進行滅火實驗。將S型熱氣溶膠滅火裝置安裝于電纜室頂部的中心位置，待電纜室底部對角上的油盤預燃30 s后關閉柜門，采用手動按鈕的方式啟動滅火裝置，觀察滅火過程并做好相關記錄。改變S型熱氣溶膠質量，重復實驗。

圖1 電纜室滅火實驗

由于手車室與儀表室之間的隔板有相對較多的連通間隙，可容熱氣溶膠滅火氣體順利穿過，快速地散布至另一個空間。儀表室內大多為二次保護設備，設備的電壓等級低，溫度相對較低，不易引起火災。所以，用熱氣溶膠對開關柜進行防護設計時，可將手車室與儀表室看作為一個整體的防護空間，共用同一套滅火裝置即可。

2.1.2 實驗二

如圖2所示，在手車室與儀表室中進行滅火實驗。將S型熱氣溶膠滅火裝置安裝于手車室頂部的中心位置，油盤分別置于手車室底部中央和儀表室底部中央，預燃30 s后手動啟動滅火裝置，觀察滅火過程并做好相關記錄。改變S型熱氣溶膠質量，重復實驗。

2.2 實驗數據及分析

電纜室滅火實驗數據如表1所示。采用的S型氣溶膠理論上滅火性能為80 g/m3，通過測算電纜室的尺寸為0.7 m3，氣溶膠能夠有效防護的臨界質量為56 g，每次實驗逐步增加10%的氣溶膠。可以發現，氣溶膠質量越接近空間內有效防護臨界值，滅火用時越長，因為氣溶膠噴射后需要經過一定時間散布到空間中的各個角落，而氣溶膠用量越多，空間內滅火劑濃度越大，散布也越快，滅火用時會大大減少。當滅火劑質量超過有效防護臨界值的30%～50%時，滅火用時減幅不大，反而會因此浪費氣溶膠，降低經濟性。

圖2 手車室與儀表室滅火實驗

表2是手車室與儀表室滅火實驗的相關數據。手車室與儀表室總體積為0.75 m3，經過測算，理論上有效防護的氣溶膠最小質量可設置為60 g。但是，由于手車室與儀表室之間的連通間隙面積有限，會阻擋氣溶膠從手車室進入儀表室，導致儀表室中的滅火濃度不足，滅火失敗。多次試驗后發現，當氣溶膠質量超過理論最小值的40%后，儀表室中的火源才可被撲滅，并且隨后氣溶膠用量的增加對儀表室的滅火效率無顯著提高。

表1 電纜室滅火實驗數據

表2 手車室與儀表室滅火實驗數據

3 結 論

本文通過對熱氣溶膠滅火材料的介紹和KYN28A-12型開關柜模擬滅火實驗的分析得到以下結論：

（1）在密閉條件下，采用熱氣溶膠作為電纜室和母排室的滅火材料時，氣溶膠的質量應超過理論防護范圍對應質量的30%～50%，若其裕度低于30%會明顯降低滅火效率，超過50%會降低經濟性和安全性；

（2）在密閉條件下，采用熱氣溶膠作為手車室和儀表室的滅火材料時，可共用同一套熱氣溶膠滅火裝置，裝置應安裝于手車室中。氣溶膠質量應超過理論防護范圍對應質量的50%，若其裕度低于50%，儀表室的火災將無法撲滅。