基于七氟丙烷的变电站高压开关柜火灾预警及灭火的智能解决方案研究

赖家文　罗家万　吴国祥　赖俊驹　邓柏林

摘要：七氟丙烷无色无味、低毒、不导电，不会对设备造成损坏，能有效扑灭B、C类及电气设备火灾。现针对当前变电站高压开关柜的消防设计，提出一种开关柜火灾预警及灭火的智能解决方案，从系统总体设计、硬件设计、灭火系统布置等方面展开探讨，设计了基于七氟丙烷的管式灭火装置及开关柜火灾预警系统。该方案能实现开关柜消防关口前移，降低火灾造成的损失，为挖掘开关柜消防大数据价值提供途径和数据基础。

关键词：高压开关柜;火灾探测;七氟丙烷;灭火管

中图分类号：TM591    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）06-0024-03

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

0    引言

变电站高压开关柜着火原因主要为线路短路或接触不良、过负荷、开关故障造成线路高温燃烧，常伴有浓烟，将导致主绝缘降低，严重时整个电柜会燃弧爆炸并蔓延到其他电柜。近年来，针对高压开关柜消防策略的研究[1-3]普遍缺乏火灾发生过程监测和数据记录，没有挖掘开关柜火灾大数据价值的途径和数据基础。目前关于开关柜消防策略的研究[1，4-5]，主要是开关柜的几种常见消防设计对比，其中探火管灭火的认可度较高;另外，文献[3]提出的高压开关柜电缆仓监测消防系统取得了实际应用效果，文献[6]验证了基于深度学习算法用于开关柜状态诊断的可行性与工程应用价值。

针对高压开关柜消防设计存在的不足，本文提出了一种变电站高压开关柜火灾预警及灭火的智能解决方案，该方案能实现开关柜起火早期的烟雾探测、温度报警、形成火灾后的灭火、联动预警信息推送整个过程的控制，使消防关口前移，解决现有电柜内发生火灾后无法控制、蔓延到其他电柜的问题，提高电柜预防火灾的能力，把火灾控制在电柜内，减轻火灾造成的损害。

1    基于七氟丙烷的管式灭火装置及火灾探测装置的技术特点

（1）本文提出的管式灭火装置融合了物联网技术和探火管特有性能，是一種集探测和灭火功能于一体的装置。该装置可组合使用，亦可单独使用。压力开关监测实时压力，烟温探测器监测温度、烟雾;灭火装置单独使用时无须用电，安装轻便简单，无须定期保养。

（2）管式灭火装置可配置有线压力开关接入传统火灾自动报警控制器，也可配置无线压力传感器与数据采集终端连接，远程监控灭火装置压力的变化、发出灭火报警，通过远程监控平台及时通知到相关人员。

（3）灭火管形状可塑，通过把灭火管敷设进高压开关柜内部，呈U型或S型缠绕，并用金属C型卡固定，让灭火管可以充分探测感知电柜内各部位的温度变化，当温度达到预设的温度值时，灭火管会破裂一个小口形成喷头，管内灭火剂通过喷头全部释放，实施灭火。

（4）本文提出的火灾探测装置是通过无线智能感烟感温火灾探测器，对电柜内的火灾进行早期预警。探测器是独立式的，不需要安装报警主机，报警通过无线回传到服务器平台;探测器功率小，可使用电池供电，不需要敷设线路，所以具有安装维护方便、投资少的优点，也适合分散的配电柜安装使用。

2    变电站高压开关柜火灾预警及灭火的智能解决方案

本方案由基于七氟丙烷的管式灭火装置（简称“灭火管”）、无线传输装置和火灾探测装置（烟温探测器）以及警报器和联动控制模块组成一个完整的电柜火灾预警及灭火系统。

2.1    基于七氟丙烷的管式灭火装置设计

七氟丙烷灭火剂是一种无色无味、不导电的气体，扑救电路火灾时安全性高[7]，在一定压力下呈液态储存，灭火机理是冷却灭火、窒息灭火。该灭火剂为洁净药剂，释放后没有粒子或油状残余物，不会污染环境和被保护的精密设备，是良好的电气火灾灭火药剂。

灭火管是采用特制高分子材料制成软管，软管的动作温度（破裂）在110 ℃（±10%），工作环境温度为-20～70 ℃;软管两端由密封五金件和接头组成，两端接头可连接压力表、压力开关、警报器、无线传输装置等（图1）。管内充装液态灭火剂（七氟丙烷），可承受一定的压力。温度达到预定温度时，管内压力增大，在灭火剂饱和蒸汽压的共同作用下，管壁破裂一个释放口形成喷口，喷放管内存储的液态灭火药剂，对配置灭火管的空间实施灭火，同时把灭火管动作的报警信息数据上传至监控平台。

实际应用需根据开关柜的容积大小计算出灭火管的长度L，即所需灭火剂的剂量，按下列公式计算：

L=K·V

式中：L为灭火管长度（m）;K为系数（直径为18 mm时系数为3.8，直径为28 mm时系数为1.4）;V为实际保护体积，由箱体体积减去元器件体积得到（m3）。

2.2    变电站高压开关柜火灾预警系统设计

高压开关柜火灾预警系统是融合物联网、大数据、无线传输网络、信息化应用等技术的消防监控管理系统，是基于消防远程监控系统的基础应用平台，能实现火灾自动报警、火灾状态实时监测、数据分析、消防远程监控、安全通道和疏散通道的视频远程监控、App实时动态监控等功能，具有较高的可扩展性，能全面提升消防安全管理水平和消防监督效能。

该系统采用层次化、模块化设计，由感知层、传输层、支撑层和应用层组成（图2）。通过压力传感器、火灾探测装置、联动模块等设备感知电柜内的烟雾、温度、灭火管状态，并利用无线（有线）网络把相关数据传输到监控平台，经过数据处理，监控平台再把相关信息发送给各层次管理部门和人员。

感知层，包括感烟探测器、感温探测器、数据接口、执行元件等。通过各类传感器可以采集各类消防设施运行状态信息等，也可以通过远程执行元件联动各类消防设施。

传输层是通过有线、无线传輸网络实现系统的数据传输功能，数据传输可以是双向的。

支撑层是在云服务器中布置的应用软件，负责实现对感知层设备上传的数据进行收集、处理、存储和分发等功能。

应用层，由监控平台、手机App组成，在支撑层分析处理得到相关数据后，通过监控平台、App推送信息或手机短信向各级管理部门和个人提供管理服务和应用服务，以及时发现和处理火灾。

3    变电站高压开关柜火灾预警及灭火系统的应用

高压开关柜火灾预警及灭火系统部署如图3所示。

考虑到安装维护的便捷性及灭火效果等因素，建议将灭火装置、火灾探测装置安装在开关柜电缆室柜门、仪表室柜顶、断路器室泄压通道顶盖上，以便准确探测电柜内火灾早期的烟雾，实现温度报警，其中安装在断路器室泄压通道顶盖上的灭火效果最佳[2]。无线传输装置安装在电柜外部，火灾早期温度不高，能保证在烧毁火灾探测装置前发出报警信息。灭火管以U型方式通过卡箍固定在电柜顶和两侧内壁上或以圆盘形式通过卡箍固定在电柜顶部，能对电柜内的火灾充分实施灭火措施。

当配电柜发生火灾时，火灾探测器首先探测到电柜内的烟雾，发出火灾烟雾报警信息。当电柜内的温度达到设定温度时，火灾探测器发出火灾温度报警信息。当电柜内火灾继续发展，电柜内灭火管表面温度达到110 ℃时，灭火管自动破裂，释放七氟丙烷灭火剂对配电柜内的早期火灾进行灭火。

另外，火灾探测装置能实时监测柜内温度等状态量和灭火管动作发出的报警信息，通过无线网络传输到服务器平台，平台应用层对数据进行处理、挖掘，将存在异常的情况通过App、短信、应用平台等推送给相关人员，同时也发送到各个监控平台。

4    结语

本文针对当前变电站高压开关柜的消防策略，从系统总体设计、硬件设计、灭火系统布置等方面展开探讨，提出了一种变电站高压开关柜火灾预警及灭火的智能解决方案，能实现单个高压开关柜火灾的快速灭火，前移消防关口，可把变电站内的高压开关柜火灾损失控制在有限范围内，预防电柜早期火灾的蔓延，大大降低火灾造成的损失，并为挖掘开关柜消防大数据价值提供途径和数据基础。本方案在箱式电气设备的消防方面具有广泛的应用前景。

[参考文献]

[1] 蒋从伟，曹飞，冯飞波，等.110 kV变电站消防策略研究[J].河北电力技术，2020，39（3）：26-28.

[2] 周立福，苏虹明，张果.高压开关柜自动灭火系统的研制[J].电工技术，2018（13）：61-63.

[3] 何玉磊，魏本成，韩丙光，等.高压开关柜在线监测消防系统研制[J].大众用电，2018，32（7）：34.

[4] 肖飞，林特君，张琨，等.核电厂火探灭火装置应用研究[J].电力安全技术，2021，23（5）：47-50.

[5] 卢艳林，付胜明，李辰.火探装置在发电厂电气设备中的应用[J].电力勘测设计，2019（1）：38-41.

[6] 张鑫，牟龙华，徐志宇.基于电力物联网的高压开关柜状态监测系统设计[J].实验室研究与探索，2021，40（6）：74-80.

[7] 陈震.新型气体灭火剂七氟丙烷的性能及其应用[J].化工设计通讯，2021，47（4）：35-36.

收稿日期：2021-12-08

作者简介：赖家文（1987—），男，广东清远人，工程师，主要从事电力系统设备运行分析工作。