基于七氟丙烷的變電站高壓開關柜火災預警及滅火的智能解決方案研究

賴家文　羅家萬　吳國祥　賴俊駒　鄧柏林

摘要：七氟丙烷無色無味、低毒、不導電，不會對設備造成損壞，能有效撲滅B、C類及電氣設備火災。現針對當前變電站高壓開關柜的消防設計，提出一種開關柜火災預警及滅火的智能解決方案，從系統總體設計、硬件設計、滅火系統布置等方面展開探討，設計了基于七氟丙烷的管式滅火裝置及開關柜火災預警系統。該方案能實現開關柜消防關口前移，降低火災造成的損失，為挖掘開關柜消防大數據價值提供途徑和數據基礎。

關鍵詞：高壓開關柜;火災探測;七氟丙烷;滅火管

中圖分類號：TM591? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0024-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.007

0? ? 引言

變電站高壓開關柜著火原因主要為線路短路或接觸不良、過負荷、開關故障造成線路高溫燃燒，常伴有濃煙，將導致主絕緣降低，嚴重時整個電柜會燃弧爆炸并蔓延到其他電柜。近年來，針對高壓開關柜消防策略的研究[1-3]普遍缺乏火災發生過程監測和數據記錄，沒有挖掘開關柜火災大數據價值的途徑和數據基礎。目前關于開關柜消防策略的研究[1，4-5]，主要是開關柜的幾種常見消防設計對比，其中探火管滅火的認可度較高;另外，文獻[3]提出的高壓開關柜電纜倉監測消防系統取得了實際應用效果，文獻[6]驗證了基于深度學習算法用于開關柜狀態診斷的可行性與工程應用價值。

針對高壓開關柜消防設計存在的不足，本文提出了一種變電站高壓開關柜火災預警及滅火的智能解決方案，該方案能實現開關柜起火早期的煙霧探測、溫度報警、形成火災后的滅火、聯動預警信息推送整個過程的控制，使消防關口前移，解決現有電柜內發生火災后無法控制、蔓延到其他電柜的問題，提高電柜預防火災的能力，把火災控制在電柜內，減輕火災造成的損害。

1? ? 基于七氟丙烷的管式滅火裝置及火災探測裝置的技術特點

（1）本文提出的管式滅火裝置融合了物聯網技術和探火管特有性能，是一種集探測和滅火功能于一體的裝置。該裝置可組合使用，亦可單獨使用。壓力開關監測實時壓力，煙溫探測器監測溫度、煙霧;滅火裝置單獨使用時無須用電，安裝輕便簡單，無須定期保養。

（2）管式滅火裝置可配置有線壓力開關接入傳統火災自動報警控制器，也可配置無線壓力傳感器與數據采集終端連接，遠程監控滅火裝置壓力的變化、發出滅火報警，通過遠程監控平臺及時通知到相關人員。

（3）滅火管形狀可塑，通過把滅火管敷設進高壓開關柜內部，呈U型或S型纏繞，并用金屬C型卡固定，讓滅火管可以充分探測感知電柜內各部位的溫度變化，當溫度達到預設的溫度值時，滅火管會破裂一個小口形成噴頭，管內滅火劑通過噴頭全部釋放，實施滅火。

（4）本文提出的火災探測裝置是通過無線智能感煙感溫火災探測器，對電柜內的火災進行早期預警。探測器是獨立式的，不需要安裝報警主機，報警通過無線回傳到服務器平臺;探測器功率小，可使用電池供電，不需要敷設線路，所以具有安裝維護方便、投資少的優點，也適合分散的配電柜安裝使用。

2? ? 變電站高壓開關柜火災預警及滅火的智能解決方案

本方案由基于七氟丙烷的管式滅火裝置（簡稱“滅火管”）、無線傳輸裝置和火災探測裝置（煙溫探測器）以及警報器和聯動控制模塊組成一個完整的電柜火災預警及滅火系統。

2.1? ? 基于七氟丙烷的管式滅火裝置設計

七氟丙烷滅火劑是一種無色無味、不導電的氣體，撲救電路火災時安全性高[7]，在一定壓力下呈液態儲存，滅火機理是冷卻滅火、窒息滅火。該滅火劑為潔凈藥劑，釋放后沒有粒子或油狀殘余物，不會污染環境和被保護的精密設備，是良好的電氣火災滅火藥劑。

滅火管是采用特制高分子材料制成軟管，軟管的動作溫度（破裂）在110 ℃（±10%），工作環境溫度為-20～70 ℃;軟管兩端由密封五金件和接頭組成，兩端接頭可連接壓力表、壓力開關、警報器、無線傳輸裝置等（圖1）。管內充裝液態滅火劑（七氟丙烷），可承受一定的壓力。溫度達到預定溫度時，管內壓力增大，在滅火劑飽和蒸汽壓的共同作用下，管壁破裂一個釋放口形成噴口，噴放管內存儲的液態滅火藥劑，對配置滅火管的空間實施滅火，同時把滅火管動作的報警信息數據上傳至監控平臺。

實際應用需根據開關柜的容積大小計算出滅火管的長度L，即所需滅火劑的劑量，按下列公式計算：

L=K·V

式中：L為滅火管長度（m）;K為系數（直徑為18 mm時系數為3.8，直徑為28 mm時系數為1.4）;V為實際保護體積，由箱體體積減去元器件體積得到（m3）。

2.2? ? 變電站高壓開關柜火災預警系統設計

高壓開關柜火災預警系統是融合物聯網、大數據、無線傳輸網絡、信息化應用等技術的消防監控管理系統，是基于消防遠程監控系統的基礎應用平臺，能實現火災自動報警、火災狀態實時監測、數據分析、消防遠程監控、安全通道和疏散通道的視頻遠程監控、App實時動態監控等功能，具有較高的可擴展性，能全面提升消防安全管理水平和消防監督效能。

該系統采用層次化、模塊化設計，由感知層、傳輸層、支撐層和應用層組成（圖2）。通過壓力傳感器、火災探測裝置、聯動模塊等設備感知電柜內的煙霧、溫度、滅火管狀態，并利用無線（有線）網絡把相關數據傳輸到監控平臺，經過數據處理，監控平臺再把相關信息發送給各層次管理部門和人員。

感知層，包括感煙探測器、感溫探測器、數據接口、執行元件等。通過各類傳感器可以采集各類消防設施運行狀態信息等，也可以通過遠程執行元件聯動各類消防設施。

傳輸層是通過有線、無線傳輸網絡實現系統的數據傳輸功能，數據傳輸可以是雙向的。

支撐層是在云服務器中布置的應用軟件，負責實現對感知層設備上傳的數據進行收集、處理、存儲和分發等功能。

應用層，由監控平臺、手機App組成，在支撐層分析處理得到相關數據后，通過監控平臺、App推送信息或手機短信向各級管理部門和個人提供管理服務和應用服務，以及時發現和處理火災。

3? ? 變電站高壓開關柜火災預警及滅火系統的應用

高壓開關柜火災預警及滅火系統部署如圖3所示。

考慮到安裝維護的便捷性及滅火效果等因素，建議將滅火裝置、火災探測裝置安裝在開關柜電纜室柜門、儀表室柜頂、斷路器室泄壓通道頂蓋上，以便準確探測電柜內火災早期的煙霧，實現溫度報警，其中安裝在斷路器室泄壓通道頂蓋上的滅火效果最佳[2]。無線傳輸裝置安裝在電柜外部，火災早期溫度不高，能保證在燒毀火災探測裝置前發出報警信息。滅火管以U型方式通過卡箍固定在電柜頂和兩側內壁上或以圓盤形式通過卡箍固定在電柜頂部，能對電柜內的火災充分實施滅火措施。

當配電柜發生火災時，火災探測器首先探測到電柜內的煙霧，發出火災煙霧報警信息。當電柜內的溫度達到設定溫度時，火災探測器發出火災溫度報警信息。當電柜內火災繼續發展，電柜內滅火管表面溫度達到110 ℃時，滅火管自動破裂，釋放七氟丙烷滅火劑對配電柜內的早期火災進行滅火。

另外，火災探測裝置能實時監測柜內溫度等狀態量和滅火管動作發出的報警信息，通過無線網絡傳輸到服務器平臺，平臺應用層對數據進行處理、挖掘，將存在異常的情況通過App、短信、應用平臺等推送給相關人員，同時也發送到各個監控平臺。

4? ? 結語

本文針對當前變電站高壓開關柜的消防策略，從系統總體設計、硬件設計、滅火系統布置等方面展開探討，提出了一種變電站高壓開關柜火災預警及滅火的智能解決方案，能實現單個高壓開關柜火災的快速滅火，前移消防關口，可把變電站內的高壓開關柜火災損失控制在有限范圍內，預防電柜早期火災的蔓延，大大降低火災造成的損失，并為挖掘開關柜消防大數據價值提供途徑和數據基礎。本方案在箱式電氣設備的消防方面具有廣泛的應用前景。

[參考文獻]

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[7] 陳震.新型氣體滅火劑七氟丙烷的性能及其應用[J].化工設計通訊，2021，47（4）：35-36.

收稿日期：2021-12-08

作者簡介：賴家文（1987—），男，廣東清遠人，工程師，主要從事電力系統設備運行分析工作。