一种电缆桥架主动灭火装置的研究与应用

广东电网有限责任公司中山供电局 刘宝吉 吴棉廷 罗其锋 李新海

电缆在发电厂、变电站内的广布性、电缆的易燃性、电缆着火的串延性、电缆着火后果的严重性使电缆的防火工作受到了电力部门、消防机构和科研机构的高度重视。线缆设备的专属设备间电缆室可能存在的隐患有两种：一是设备室封堵不良导致小动物啃啮设备电缆导致设备误动作，此种隐患可能导致设备误动或拒动，但一般更换单条或为数不多的几条电缆即可消除故障；二是设备电缆发生火灾，此情况一旦发生将造成若未及时发现火情并及时处理，可能导致整个变电站设备瘫痪造成全站失压，进而破坏整个片区电网稳定运行[1]。

考虑到电缆设备的宜弯折及单条电缆的耐碾压、剖面占用空间小等特性，电缆室一般堆叠使用电缆桥架进行布置，各条电缆都通过在电缆桥架上的堆叠进行走线。电缆桥架可以看做为站内电缆相对集中的一个汇集点，具有纵横交叉的多层结构，具有空间狭小且开放的特点。电线、电缆绝缘层的可燃性的橡胶、聚氯乙烯等高分子有机化合物在焚烧时所产生的热量达19000～46000kJ/kg，而电线、电缆的铜芯熔点约在1038℃，铝芯熔点在658℃，电线、电缆绝缘层的熔点却远低于这些数值，如聚氯乙烯塑料熔点仅为120℃。当群体成束电线、电缆事故发生热点高温可达800～1100℃[2]。

为更好的完成变电站设备的防火工作，本文设计了一种电缆桥架主动灭火罩，从阻燃、窒息、冷却三个维度出发，设计一种集防火、阻火、灭火为一体的主动灭火罩，覆盖在各层电缆桥架上，来实现火灾发生时对电缆的隔离和灭火，降低对电缆的伤害，保护电缆桥架层，防止伤及其他层上的电缆，有效提高变电站电缆安全性，为电网的可靠运行保驾护航。

1 现状分析

当电缆本体绝缘击穿、接地系统故障或接地系统接线错误导致长时间过热、设备长时间高强度运行状况下容易产生高温过热、操作人员误操作造成电缆、电缆短路，发生过负荷，加剧电线、电缆表层成倍发热，当热量超过设备燃点，将造成电缆起火，由于电缆桥架的“紧密”衔接，就相当于大量可燃物堆叠在一起，将造成恐怖的火灾，发生电气火灾事故还会引起其它连锁事故。塑料电线、电缆燃烧蔓延速度快，而且还产生大量的有毒有害气体如氯化氢、一氧化碳等，使人处于窒息、中毒状态，面临死亡的危险。同时，在熄灭时卤化物气体经燃烧反应会生成强烈的酸雾，对人、物、环境造成了“二次沾染”，使现代智能型高层电气、电子设备受到强酸侵蚀，结果也相当重大。

目前对电缆桥架的火灾防护措施主要有两种：一是选用阻燃电缆，即在电缆的绝缘层和护套之间增加一层阻燃材料，以阻止或延缓火势的蔓延；二是在电缆本体上喷涂防火涂料，在火灾中阻止火苗对电缆的入侵。但是当前的电缆桥架的火灾防护措施存在以下弊端。

电线电缆从绝缘层的油浸电缆纸、交联聚乙烯、乙丙橡皮等材料到油麻、聚氯乙烯外护套材料等都是易燃性物质[3]，电缆绝缘层和护套间的阻燃材料主要靠材料本身的高燃点来阻燃，无自熄灭能力，电缆本体或附属设施发生绝缘击穿故障时产生的温度高达上千度，据统计，若火灾产生时若人员未立即发现并灭火，火灾现场产生明火后温度将长时间保持在800～1100℃，此时温度已超出阻燃材料的燃点，阻燃材料会完全“失效”。

电缆本体上的防火涂料需逐条刷涂才能充分发挥其防火功能，同时阻燃材料的刷涂仅在电缆进出口3m，上至电缆桥架的中间电缆是不刷图防火涂料的，若中间电缆起火，防火涂料仅能保证不外延至进出口，将火情控制在固定空间内，无法起到灭火或保护空间内电缆的作用。同时阻燃效果受涂抹工艺影响较大，一旦材料涂抹不均匀其效果大打折扣。现阶段由于社会发展速度增快，站内设备扩容或新建设变电站的任务时间紧、任务重，现场设备施工质量难以把控，极易产生防火涂料涂刷不到位的情况。同时，防火涂料受环境影响也较大，受潮或施工过程受到剐蹭容易脱落，使得电缆失去涂料保护，需要现场运维人员定期检查更换，维护成本高[4-5]。

电缆桥架往往深而狭长且多层分布，如图1所示，发生火灾时，电缆绝缘层达到燃点，堆叠的电缆可视为堆叠的可燃物，此时火焰极易蔓延至上下各层，扩大火灾范围，现有的电缆桥架的结构导致会增加灭火难度。电缆夹层纵向空间相对较大且开放，一般气体灭火系统不能有限灭火，水雾喷淋系统灭火，会给带电线缆带来新的风险[6]。

图1 电缆桥架

2 一种电缆桥架主动灭火装置结构与功能设计

2.1 装置结构设计

本装置具有三层防护结构：灭火层快速冷却灭火，阻火层隔绝外来火源对点燃电缆风险的发生，防火层快速散热加速抑制火情。既保障了电缆桥架内部火源的扩散，又防止了外部火源对电缆桥架的侵蚀，同时也给电缆火灾后的修复工作带来了极大的便利，装置结构设计如图2所示。

图2 电缆桥架主动灭火装置结构

其中阻燃防火层采用的是石墨高分子纳米材料，灭火层的厚度为2mm，材料可以耐受1000℃的高温0.5小时以上；阻火粘合层是无纺布基材双面胶，能有效将灭火层和防火层进行粘结；全氟己酮灭火层厚度为2mm，内含包裹了全氟己酮灭火药剂的微胶囊颗粒，灭火层受热后微胶囊颗粒内的灭火药剂会释放到被保护的物体表面，形成隔氧层。

2.2 功能设计

电缆桥架主动灭火罩由石墨防火层、阻火粘合层、全氟己酮灭火层等结构组成，以实现多维度灭火。该装置主要技术原理、功能如下。

石墨防火层含有石墨聚合物，是一种良好的导热材料，具有很高的导热性能，可将点热源转换为面热源的快速热传导，加速抑制火情；氟己酮防火层含有全氟己酮微胶囊，遇火爆裂释放全氟己酮气体，该化学反应过程需大量吸热，从而达到灭火的效果；阻火粘合层采用高性能阻燃材料，利用其高燃点阻隔火势击穿。同时，其粘连特性也可将防火层和灭火层合二为一，实现外层防火、内层灭火的双重防护功能；主动灭火罩激活温度为200±10℃，可在火苗散发的前期快速激活，在火势扩散前抑制。保存温度为-40～85℃（激活温度由微胶囊决定），适用于大部分的电缆桥架环境。寿命为10年，使用周期长。

2.3 电缆桥架主动灭火装置关键技术

电缆桥架主动灭火罩具有三层防护结构：灭火层、阻火层和防火层。通过这三层防护结构的协同作用，电缆桥架主动灭火罩能够在火灾发生时快速隔离和灭火，降低对电缆的伤害，并且防止火势蔓延，有效保护设备和人员的安全。每一层的关键技术如下：

灭火层：采用高效的灭火剂，为包含全氟己酮灭火药剂的微胶囊颗粒，具有快速冷却和灭火的能力。关键技术包括灭火剂的选择和喷洒系统的设计。全氟己酮灭火药剂的微胶囊颗粒能迅速释放灭火剂，达到快速灭火的效果。喷洒系统需要精确控制喷洒的位置、喷射角度和喷射速度，以确保灭火剂覆盖整个火灾区域，并迅速灭火。

阻火层：采用石墨聚合物材料，具有良好的隔热和隔烟性能，能够隔离外来火源，防止火势蔓延。关键技术包括阻火材料的选择和阻火层的结构设计。石墨聚合物材料具有高温稳定性和耐火性，能有效隔离火源，并防止火势蔓延到其他区域。阻火层的结构设计需要考虑密封性和耐火性，确保阻火效果和耐久性。

防火层：采用无纺布基材双面胶作为阻火粘合层，主要用于快速散热和抑制火情。关键技术包括防火材料的选择和防火层的散热设计。无纺布基材双面胶具有良好的散热性能，能够快速将热量传导和散发到外部环境，避免火灾蔓延和设备过热。防火层的散热设计需要考虑材料的导热性和散热结构的设计，以提高散热效率和保证防火层的稳定性。

2.4 应用实例

500kV 文山变电站是南方电网首座500kV 户内GIS 变电站，同时也是南方电网智能技术应用的示范点。本文研发的电缆桥架主动灭火罩已成功安装并应用于500kV 文山变电站的电缆室。安装后主动灭火罩在现场施工中实现了预期效果，具体的表现如下。

安装便捷：只需简单地将主动灭火罩覆盖在各层电缆桥架上并固定，即可完成安装，无需额外的辅助工具；双重防护功能：外层（防火层）可有效防御外来火灾的侵袭，内层（灭火层）可迅速抑制电缆自发火灾的发展；散热功能：主动灭火罩表面设有散热孔，确保电缆的稳定运行。在电缆发生火灾的过程中，石墨聚合物通过快速热传导散热，加速抑制火情的发展；免维护、无误报、无故障：主动灭火罩的材料寿命长，直接覆盖在电缆桥架上即可。一旦发生火灾，主动灭火罩将自动激活，无需人工干预；环保，无污染：主动灭火罩采用新型环保材料，其灭火和阻燃过程中不会产生有毒有害气体，也不会对电缆桥架及电缆造成额外损伤。

综上所述，本文设计了一种电缆桥架主动灭火装置，旨在提高变电站设备的防火能力，保护电缆桥架及其中的电缆安全。当前的火灾防护措施存在一些弊端，如阻燃材料的失效、防火涂料的不均匀施工和易脱落等问题。因此，本文提出的主动灭火罩通过三层防护结构，即灭火层、阻火层和防火层，实现了多维度的灭火功能。阻火层采用石墨高分子纳米材料，能够快速冷却和抑制火情；灭火层含有全氟己酮微胶囊，在火灾中迅速释放灭火剂，形成隔氧层；而防火层则具有导热性能，可以将点热源转换为面热源，进一步控制火势的蔓延。

此外，装置的激活温度适用于大多数电缆桥架环境，具有长寿命和稳定的性能。通过使用这种主动灭火罩，可以有效地隔离和灭火电缆桥架内的火灾，提高变电站电缆的安全性，为电网系统的可靠运行提供保障。未来的研究可以进一步优化设计，提高装置的实用性和适用性，并探索其他创新的火灾防护技术，以进一步提升电缆桥架的安全性和可靠性。

然而需要指出的是，本文所提出的电缆桥架主动灭火装置还需要进一步的试验和测试来验证其性能和可行性，同时还需要考虑装置的成本、可维护性以及适用性等方面的因素。未来的研究可以进一步探索改进装置结构、优化防火材料的选择和开发更高效的灭火机制等方面。通过持续的努力和创新，可以不断提升变电站电缆设备的防火能力，为电网的安全稳定供电提供可靠的保障。

总之，本文的研究为变电站电缆设备的防火工作提供了一种创新的解决方案，通过引入电缆桥架主动灭火装置，可以有效降低火灾风险，保护电缆设备的安全运行，这对于保障电网系统的可靠供电和稳定运行具有重要意义。希望这项研究能够为相关领域的专家和从业人员提供有价值的参考，进一步推动电缆设备防火技术的发展和应用。