电力设备火灾危险性分析与防控技术*

2022-10-17汪嘉俊倪顺江

中国安全生产科学技术 2022年9期

汪嘉俊，倪顺江

(1.清华大学工程物理系公共安全研究院，北京 100084;2.城市综合应急科学北京市重点实验室，北京 100084)

0 引言

电力是国家经济与社会运行的重要支撑，随着电力系统快速发展，人类生存和生活越来越离不开电力。电力系统中分布多种电力设施设备，因其运行和结构特性，易发生短路、故障等问题，从而导致火灾[1]，影响电力设备正常运行，同时还会造成生命和财产损失。

据中华人民共和国应急管理部公布的2020年1月至2020年10月全国火灾形势报告，电气火灾事故占火灾总数的50.4%[2]。近年来，我国实施部分法律法规及行业标准，以遏制电气火灾事故发生，同时对用电安全提出新的要求。电气火灾事故频发，各种突发事件对电力系统的威胁不断加剧，尤其地震、台风、雨雪冰冻、森林火灾等公共安全事件对电力设备安全的威胁需要引起足够重视。因此，对电网及电力设备进行火灾危险性分析以及对电力设备防火灭火相关技术进行研究十分必要。

本文对电力设备火灾相关风险分析进行总结与分析，包括电力设备火灾机理与特性的研究现状及其不足，总结电力设备火灾风险、火灾相关多灾种风险评估，介绍目前主流电力设备火灾监控及防火灭火技术，并对电力设备火灾风险评估及防控的未来发展进行展望。

1 电力设备火灾危险性分析

电力设备极易发生火灾，电力系统中电力设备种类较多，火灾机理与特征不尽相同，因此需要对不同设备火灾相关特性进行针对性研究。其中，电缆、变压器、开关柜和配电柜、蓄电池的火灾机理与特性研究较为典型。为了更好地掌握电力设备的火灾风险程度，采取针对性防火措施，对电力设备进行火灾风险评估十分必要。电力设备一般属于点位风险，尺度较小，所以将电力设备火灾风险作为建筑火灾风险评估、区域火灾风险评估等较大尺度火灾风险评估的一部分。

1.1 电力设备火灾机理与特性研究

针对电缆设备，部分学者对电缆燃烧特性进行研究,Magalie等[3]在小尺寸方面从电缆结构角度分析通讯电缆的燃烧特性。针对不同电缆材料，对使用聚氯乙烯保护套[4]、橡胶电缆等多种电缆[5]的电缆燃烧特性进行研究。针对电缆在不同空间内燃烧特性的研究包括封闭空间内间距、通风等因素对电缆火灾的影响研究[6]以及密闭通风、封闭以及开放空间电缆火灾的对比研究[7]。此外，特高压电缆是电缆火灾特性研究的重要部分，主要针对其在火灾条件下的电场相关特性进行研究，如Shao等[8]建立火灾条件下特高压输电线缆击穿概率的计算模型，发现特高压击穿概率随温度和烟气密度的变化呈“S”型增长。

有关变压器的火灾机理与特性研究主要针对变压器油的燃烧特性进行，如初始油温对可燃气体产生及燃烧中热释放速率的影响及变压器油的水平火蔓延特性等[9-10]。部分文献对变压器的火灾原因进行研究[11]，主要涉及可燃物种类和变压器工作环境，研究发现变压器火灾主要是由于机械、线路故障等导致变压器内部绝缘被击穿放电，内部变压器油被分解为CO等气体，并且温度升高，气体膨胀导致压强超过变压器承受能力，油箱产生爆炸或破裂，可燃的高温气体进入空气导致燃烧，并且持续点燃变压器油，导致耦合放大效应。

针对开关柜和配电柜设备的研究主要集中在其内部开关元件燃烧与升温特性[12-13]。配电柜与开关柜结构和工作环境大致相同，因此其火灾机理基本一致，火灾原因大致相同。目前，对于开关柜火灾原因的研究较多，且主要涉及特定的案例分析，对于开关柜和配电柜进行系统火灾分析的研究较少[14]。

随着新能源电力发展，新能源储电储能设备应用越来越广泛，如锂电池、氢燃料电池以及储能电站等。对新能源电力设备的火灾机理特性研究以锂电池为主，如储能电站火灾原因分析或电厂中锂电池储能系统火灾危险性及风险应对措施等[15-16]。由于锂电池燃烧会产生有毒物质，因此对锂电池燃烧产生的气体相关研究十分重要，如Zhang等[17]研究锂离子电池内部温度和电压以及热失控期间产生的气体，评估产生气体的毒性效应，认为在热失控过程中，电池内部温度明显高于表面温度，产生的主要有毒气体是CO和HF，气体含量随荷电状态的增加而增加。部分学者针对于蓄电池组火灾原因进行研究[18-19]。

综上，现有研究大部分基于事故原因调查分析，有关设备发生火灾原因、机理与特性分析以总结性描述为主，从系统角度出发，利用定量方法研究电力设备的火灾危险性较少。电力设备火灾机理与特性分析可从可能性分析和后果分析2个部分进行。可能性分析基于火灾三角形理论，全面分析电力设备工作时存在的可燃物性质和电力设备自身、工作环境和外部环境中存在的潜在着火源以及助燃物分析；后果分析可着重分析可燃物的燃烧性能、电力设备功能特性及其在整体电力系统中的影响。

1.2 电力设备火灾风险评估

在火灾风险评估中，电力设备视为空间/区域火灾风险的部分风险因素。火灾风险评估方法主要包括定性方法、半定量方法和定量方法，其中定性方法的主观误差较大。上述方法均需考虑火灾发生的概率和火灾可能引起的后果。由于不同场景的火灾模式存在差异，需要结合具体场景将电力设备火灾风险纳入综合火灾风险考虑范围。

半定量方法一般通过构建指标体系[20]，由专家打分或根据经验分析得出火灾风险等级，常用方法包括德尔菲法或者层次分析法。近年来，模糊数学的应用[21]使得半定量方法中权重判定更加科学合理，能够将评价从定性评价转变为定量指标，直观地表达火灾风险。但主观因素对风险评估影响较大，一般用于快速判断火灾风险的相对大小。定量方法是基于概率论与数学统计方法，以历史数据等客观数据为基础，量化火灾频率和后果。常用的方法有事件树、贝叶斯网络、动态贝叶斯网络、蒙特卡罗模拟等，但方法需要大量火灾统计数据[22]。随数据统计分析技术快速发展，火灾相关的定量风险评估更加方便精确。

火灾风险评估是世界各国关注的重点，如美国道化学公司提出的 “火灾、爆炸危险指数评价法”等。此外，火灾相关算法和软件也在持续发展，如英国开发的火灾风险评估辅助工具Dwelling Risk Assessment Toolkit、High Occupancy Building Risk Assessment Toolkit 等。灵活快捷的火灾风险评估以及统一的评估规范，是火灾风险评估研究的国际化趋势。

近年来，Natech事件(自然灾害引发的事故灾难)[23]逐渐引起人们重视。自然灾害同样对电力设备安全存在较大威胁。Natech事件风险评估主要基于自然灾害和目标设备的特征确定以及自然灾害对目标设备的损害模型[24]。模糊评价法和层次分析法广泛应用于Natech风险评估中，如Cruz等[25]开发的Natech风险指数，包含火灾风险或火灾相关危险设备及其生产过程的危害程度。因此，电力设备同样被纳入Natech风险后果评估中。

2 电力设备火灾监控及防火灭火技术

电力设备火灾频发，危险性大，对电力设备火灾进行防控相关技术，也是电力设备火灾研究重点。电力设备火灾防控首先要做好对电力设备的状态监控，并在出现火灾风险时及时报警；同时，需要采取措施防止电力设备火灾发生，加强本质安全。在火灾发生之后要及时采取有效措施进行灭火，研究重点是变压器、电线电缆以及锂电池等新能源设备的防火灭火。除科学研究成果之外，相关企业也研制出较多电力设备火灾监控及防火灭火相关产品。

2.1 电力设备火灾监控

自动报警系统是实现火灾监控的关键技术之一，主要包括2个部分，一是对火灾的物理特性进行探测，二是处理分析探测到的物理量后报警。传统火灾探测器按敏感元件类型不同，主要针对火灾时产生烟雾、环境温度、光强变化以及可燃气体浓度等进行探测。当探测到相关物理量出现异常，会通过自动报警装置报警。

1)多源数据智能探测与报警

火灾发生特征可由多个物理量共同描述，但传统火灾探测器往往针对某单一物理参数进行探测，导致探测结果易受周边环境因素影响，使系统对探测结果的判断出现偏差，出现误报或漏报。近年来，随数据整合和数据分析技术发展，多源数据、多特征火灾智能报警系统逐步发展，如汪书苹等[26]设计的吸气式复合探测器，可以模仿人对火灾的判断，实施多元同步探测，综合分析多种火灾特征参数，并应用智能算法进行融合，以进行智能化报警；Gao等[1]从新一代信息技术和算法驱动出发，研发出针对多种参数的监测设备，并制定相应预警方法和判断规则，解决了“看不见摸不着”的电火灾问题。

2)新信息技术

新信息技术发展与进步使得数据传输更加高效便捷，火灾监控数据传输也有新的发展。大数据、云平台是新信息技术的典型代表，在电力火灾监控预警中起到重要作用。如基于物联网和云平台技术的电气火灾监测系统，通过对电力设备火灾中的关键参数进行数据统计和跟踪[27]或对城市电网用电规律及安全系数等相关数据进行全面多维度处理分析，可及时判断电气火灾风险，动态监测各种消防设施的有效性，实现动态实时监测和预防控制[28]。

此外，信息传输技术如无线传输电力火灾监控，在保持建筑物原有结构条件下，监控电力线路的电流等参数预防火灾风险，或通过CAN总线对火灾监测节点获得的参数进行连接[29-30],实现系统之间的资源和服务共享。

3)火灾图像跟踪探测技术

对于火灾监控最直观的方法即通过图像视频进行跟踪观察。传统方法一般对火焰图像进行信息分析，如米锐[31]通过火焰形态和火焰颜色特征对火焰图像进行处理，但因火灾情况一般较为复杂，该分析方法受限较大。随机器学习、神经网络等概念提出，火灾图像跟踪识别技术得到新的提升[32-33]，该方法主要根据火灾静态和动态特征，结合火焰多个参数和火焰形状等对火灾进行识别，然后通过神经网络对提取的特征进行检测。

综上，传统火灾探测与报警模式功能较单一，监测面较窄，已无法满足现代化的火灾监控需求。更加智能的探测与报警技术、图像跟踪识别技术等，能够确保火灾监控报警及时准确，云平台、云计算、物联网、无线传输技术等使火灾监控报警更加全面快捷。

2.2 电力设备防火灭火技术

为防止电力设备火灾或在火灾之后能够及时采取有效措施，是保护电力设备安全的重要部分，主要包括变压器防火灭火、电线电缆防火灭火以及新能源电力设备防火灭火3个部分。

1)变压器防火灭火

电力变压器是电站和变电站中最重要的设备之一。室外大型变压器的防火灭火最常用的方法是水喷雾灭火，除此之外还有合成泡沫喷雾、排油注氮灭火等；室内变压器的防火灭火方法主要有惰性气体、CO2气体灭火装置和热气溶胶等灭火技术。现有研究主要针对已有方法进行改进，如合成泡沫灭火剂的评价与筛选[34]、改造排油注氮消防系统[35]等。

2)电线电缆防火灭火

在电网中，电线电缆短路、漏电、过热等经常引发火灾。对电缆的防火灭火研究主要集中在电线电缆材料选择，从一般阻燃线缆、无卤线缆等继续发展低烟无卤阻燃的综合新技术电缆，是未来研究重点[36]。

3)新能源电力设备防火灭火

随新能源技术发展，锂电池和氢能电力设备成为电力系统的重要组成部分，新能源汽车是目前各国用以解决能量短缺以及环境污染问题的主要手段之一。对锂电池的灭火研究主要在于灭火介质选择以及细水雾、七氟丙烷等灭火剂的开发等方面[37-38]。对氢能储能电力设备的防火灭火研究主要在于储氢瓶复合材料的选择与设置以及氢能电力设备灭火剂的选择与研究[39-40]。此外，对于锂电和氢能新能源汽车的防火灭火也是研究的重点[41]。

目前，针对重点电力设备的灭火研究，主要在于灭火介质的选择、防火材料以及消防装置研发，以灭火效果为主，忽略灭火后对电力设备的保护。

3 问题与研究展望

电力设备火灾危险性分析与防控技术研究尚有不足，具体体现在：电力火灾机理与特性研究以定性总结为主，缺乏系统性研究；电力火灾风险评估以单一对象和定性为主，缺乏更加定量化的分析；电力设备防火灭火传统方法还存在功能单一等问题，新的技术和方法尚未兴起。因此，未来关于电力设备火灾危险性分析与防控技术的研究可从以下4个方面入手：

1)应系统利用定性和定量结合的方法，研究电力设备火灾的机理与特性。如通过可能性和后果分析，研究电力设备工作时存在的可燃物性质、潜在着火源和助燃物以及电力设备的功能特性和在整体电力系统中的影响等。

2)利用火灾统计数据积累，发展更精细的电力设备风险评估方法，准确量化火灾频率和后果。重点需要考虑电力设备火灾风险中可能存在的多灾种耦合效应，包括自然灾害导致事故灾难的Natech事件中，电力设备火灾作为次生衍生事件的风险以及电力设备火灾引发的其他生命线基础设施事故风险。通过建立电力设备火灾中的多灾种耦合关联成灾模型，解决耦合风险的非线性加和及量化问题。

3)在信息技术和智能电网发展基础上，开发更加可视化、数字化、智能化的电力火灾监控预警和应急管理系统，包含多源数据、火灾多特征分析、利用机器学习和神经网络进行火灾图像分析处理以及多要素联合的风险时空分布可视化技术等。

4)由于新能源电力设备快速发展，锂电池、氢能电力设备等出现温度高、爆炸、中毒等问题，电力设备防火灭火研究需要进一步考虑人员安全防护，如中和毒性、控制温度、爆炸防护等，同时，需要针对新能源电力设备特性，改进消防人员的防护服等防护设备。