一種電纜橋架主動滅火裝置的研究與應用

廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局 劉寶吉 吳棉廷 羅其鋒 李新海

電纜在發(fā)電廠、變電站內的廣布性、電纜的易燃性、電纜著火的串延性、電纜著火后果的嚴重性使電纜的防火工作受到了電力部門、消防機構和科研機構的高度重視。線纜設備的專屬設備間電纜室可能存在的隱患有兩種：一是設備室封堵不良導致小動物啃嚙設備電纜導致設備誤動作，此種隱患可能導致設備誤動或拒動，但一般更換單條或為數(shù)不多的幾條電纜即可消除故障；二是設備電纜發(fā)生火災，此情況一旦發(fā)生將造成若未及時發(fā)現(xiàn)火情并及時處理，可能導致整個變電站設備癱瘓造成全站失壓，進而破壞整個片區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運行[1]。

考慮到電纜設備的宜彎折及單條電纜的耐碾壓、剖面占用空間小等特性，電纜室一般堆疊使用電纜橋架進行布置，各條電纜都通過在電纜橋架上的堆疊進行走線。電纜橋架可以看做為站內電纜相對集中的一個匯集點，具有縱橫交叉的多層結構，具有空間狹小且開放的特點。電線、電纜絕緣層的可燃性的橡膠、聚氯乙烯等高分子有機化合物在焚燒時所產(chǎn)生的熱量達19000～46000kJ/kg，而電線、電纜的銅芯熔點約在1038℃，鋁芯熔點在658℃，電線、電纜絕緣層的熔點卻遠低于這些數(shù)值，如聚氯乙烯塑料熔點僅為120℃。當群體成束電線、電纜事故發(fā)生熱點高溫可達800～1100℃[2]。

為更好的完成變電站設備的防火工作，本文設計了一種電纜橋架主動滅火罩，從阻燃、窒息、冷卻三個維度出發(fā)，設計一種集防火、阻火、滅火為一體的主動滅火罩，覆蓋在各層電纜橋架上，來實現(xiàn)火災發(fā)生時對電纜的隔離和滅火，降低對電纜的傷害，保護電纜橋架層，防止傷及其他層上的電纜，有效提高變電站電纜安全性，為電網(wǎng)的可靠運行保駕護航。

1 現(xiàn)狀分析

當電纜本體絕緣擊穿、接地系統(tǒng)故障或接地系統(tǒng)接線錯誤導致長時間過熱、設備長時間高強度運行狀況下容易產(chǎn)生高溫過熱、操作人員誤操作造成電纜、電纜短路，發(fā)生過負荷，加劇電線、電纜表層成倍發(fā)熱，當熱量超過設備燃點，將造成電纜起火，由于電纜橋架的“緊密”銜接，就相當于大量可燃物堆疊在一起，將造成恐怖的火災，發(fā)生電氣火災事故還會引起其它連鎖事故。塑料電線、電纜燃燒蔓延速度快，而且還產(chǎn)生大量的有毒有害氣體如氯化氫、一氧化碳等，使人處于窒息、中毒狀態(tài)，面臨死亡的危險。同時，在熄滅時鹵化物氣體經(jīng)燃燒反應會生成強烈的酸霧，對人、物、環(huán)境造成了“二次沾染”，使現(xiàn)代智能型高層電氣、電子設備受到強酸侵蝕，結果也相當重大。

目前對電纜橋架的火災防護措施主要有兩種：一是選用阻燃電纜，即在電纜的絕緣層和護套之間增加一層阻燃材料，以阻止或延緩火勢的蔓延；二是在電纜本體上噴涂防火涂料，在火災中阻止火苗對電纜的入侵。但是當前的電纜橋架的火災防護措施存在以下弊端。

電線電纜從絕緣層的油浸電纜紙、交聯(lián)聚乙烯、乙丙橡皮等材料到油麻、聚氯乙烯外護套材料等都是易燃性物質[3]，電纜絕緣層和護套間的阻燃材料主要靠材料本身的高燃點來阻燃，無自熄滅能力，電纜本體或附屬設施發(fā)生絕緣擊穿故障時產(chǎn)生的溫度高達上千度，據(jù)統(tǒng)計，若火災產(chǎn)生時若人員未立即發(fā)現(xiàn)并滅火，火災現(xiàn)場產(chǎn)生明火后溫度將長時間保持在800～1100℃，此時溫度已超出阻燃材料的燃點，阻燃材料會完全“失效”。

電纜本體上的防火涂料需逐條刷涂才能充分發(fā)揮其防火功能，同時阻燃材料的刷涂僅在電纜進出口3m，上至電纜橋架的中間電纜是不刷圖防火涂料的，若中間電纜起火，防火涂料僅能保證不外延至進出口，將火情控制在固定空間內，無法起到滅火或保護空間內電纜的作用。同時阻燃效果受涂抹工藝影響較大，一旦材料涂抹不均勻其效果大打折扣?，F(xiàn)階段由于社會發(fā)展速度增快，站內設備擴容或新建設變電站的任務時間緊、任務重，現(xiàn)場設備施工質量難以把控，極易產(chǎn)生防火涂料涂刷不到位的情況。同時，防火涂料受環(huán)境影響也較大，受潮或施工過程受到剮蹭容易脫落，使得電纜失去涂料保護，需要現(xiàn)場運維人員定期檢查更換，維護成本高[4-5]。

電纜橋架往往深而狹長且多層分布，如圖1所示，發(fā)生火災時，電纜絕緣層達到燃點，堆疊的電纜可視為堆疊的可燃物，此時火焰極易蔓延至上下各層，擴大火災范圍，現(xiàn)有的電纜橋架的結構導致會增加滅火難度。電纜夾層縱向空間相對較大且開放，一般氣體滅火系統(tǒng)不能有限滅火，水霧噴淋系統(tǒng)滅火，會給帶電線纜帶來新的風險[6]。

圖1 電纜橋架

2 一種電纜橋架主動滅火裝置結構與功能設計

2.1 裝置結構設計

本裝置具有三層防護結構：滅火層快速冷卻滅火，阻火層隔絕外來火源對點燃電纜風險的發(fā)生，防火層快速散熱加速抑制火情。既保障了電纜橋架內部火源的擴散，又防止了外部火源對電纜橋架的侵蝕，同時也給電纜火災后的修復工作帶來了極大的便利，裝置結構設計如圖2所示。

圖2 電纜橋架主動滅火裝置結構

其中阻燃防火層采用的是石墨高分子納米材料，滅火層的厚度為2mm，材料可以耐受1000℃的高溫0.5小時以上；阻火粘合層是無紡布基材雙面膠，能有效將滅火層和防火層進行粘結；全氟己酮滅火層厚度為2mm，內含包裹了全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒，滅火層受熱后微膠囊顆粒內的滅火藥劑會釋放到被保護的物體表面，形成隔氧層。

2.2 功能設計

電纜橋架主動滅火罩由石墨防火層、阻火粘合層、全氟己酮滅火層等結構組成，以實現(xiàn)多維度滅火。該裝置主要技術原理、功能如下。

石墨防火層含有石墨聚合物，是一種良好的導熱材料，具有很高的導熱性能，可將點熱源轉換為面熱源的快速熱傳導，加速抑制火情；氟己酮防火層含有全氟己酮微膠囊，遇火爆裂釋放全氟己酮氣體，該化學反應過程需大量吸熱，從而達到滅火的效果；阻火粘合層采用高性能阻燃材料，利用其高燃點阻隔火勢擊穿。同時，其粘連特性也可將防火層和滅火層合二為一，實現(xiàn)外層防火、內層滅火的雙重防護功能；主動滅火罩激活溫度為200±10℃，可在火苗散發(fā)的前期快速激活，在火勢擴散前抑制。保存溫度為-40～85℃（激活溫度由微膠囊決定），適用于大部分的電纜橋架環(huán)境。壽命為10年，使用周期長。

2.3 電纜橋架主動滅火裝置關鍵技術

電纜橋架主動滅火罩具有三層防護結構：滅火層、阻火層和防火層。通過這三層防護結構的協(xié)同作用，電纜橋架主動滅火罩能夠在火災發(fā)生時快速隔離和滅火，降低對電纜的傷害，并且防止火勢蔓延，有效保護設備和人員的安全。每一層的關鍵技術如下：

滅火層：采用高效的滅火劑，為包含全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒，具有快速冷卻和滅火的能力。關鍵技術包括滅火劑的選擇和噴灑系統(tǒng)的設計。全氟己酮滅火藥劑的微膠囊顆粒能迅速釋放滅火劑，達到快速滅火的效果。噴灑系統(tǒng)需要精確控制噴灑的位置、噴射角度和噴射速度，以確保滅火劑覆蓋整個火災區(qū)域，并迅速滅火。

阻火層：采用石墨聚合物材料，具有良好的隔熱和隔煙性能，能夠隔離外來火源，防止火勢蔓延。關鍵技術包括阻火材料的選擇和阻火層的結構設計。石墨聚合物材料具有高溫穩(wěn)定性和耐火性，能有效隔離火源，并防止火勢蔓延到其他區(qū)域。阻火層的結構設計需要考慮密封性和耐火性，確保阻火效果和耐久性。

防火層：采用無紡布基材雙面膠作為阻火粘合層，主要用于快速散熱和抑制火情。關鍵技術包括防火材料的選擇和防火層的散熱設計。無紡布基材雙面膠具有良好的散熱性能，能夠快速將熱量傳導和散發(fā)到外部環(huán)境，避免火災蔓延和設備過熱。防火層的散熱設計需要考慮材料的導熱性和散熱結構的設計，以提高散熱效率和保證防火層的穩(wěn)定性。

2.4 應用實例

500kV 文山變電站是南方電網(wǎng)首座500kV 戶內GIS 變電站，同時也是南方電網(wǎng)智能技術應用的示范點。本文研發(fā)的電纜橋架主動滅火罩已成功安裝并應用于500kV 文山變電站的電纜室。安裝后主動滅火罩在現(xiàn)場施工中實現(xiàn)了預期效果，具體的表現(xiàn)如下。

安裝便捷：只需簡單地將主動滅火罩覆蓋在各層電纜橋架上并固定，即可完成安裝，無需額外的輔助工具；雙重防護功能：外層（防火層）可有效防御外來火災的侵襲，內層（滅火層）可迅速抑制電纜自發(fā)火災的發(fā)展；散熱功能：主動滅火罩表面設有散熱孔，確保電纜的穩(wěn)定運行。在電纜發(fā)生火災的過程中，石墨聚合物通過快速熱傳導散熱，加速抑制火情的發(fā)展；免維護、無誤報、無故障：主動滅火罩的材料壽命長，直接覆蓋在電纜橋架上即可。一旦發(fā)生火災，主動滅火罩將自動激活，無需人工干預；環(huán)保，無污染：主動滅火罩采用新型環(huán)保材料，其滅火和阻燃過程中不會產(chǎn)生有毒有害氣體，也不會對電纜橋架及電纜造成額外損傷。

綜上所述，本文設計了一種電纜橋架主動滅火裝置，旨在提高變電站設備的防火能力，保護電纜橋架及其中的電纜安全。當前的火災防護措施存在一些弊端，如阻燃材料的失效、防火涂料的不均勻施工和易脫落等問題。因此，本文提出的主動滅火罩通過三層防護結構，即滅火層、阻火層和防火層，實現(xiàn)了多維度的滅火功能。阻火層采用石墨高分子納米材料，能夠快速冷卻和抑制火情；滅火層含有全氟己酮微膠囊，在火災中迅速釋放滅火劑，形成隔氧層；而防火層則具有導熱性能，可以將點熱源轉換為面熱源，進一步控制火勢的蔓延。

此外，裝置的激活溫度適用于大多數(shù)電纜橋架環(huán)境，具有長壽命和穩(wěn)定的性能。通過使用這種主動滅火罩，可以有效地隔離和滅火電纜橋架內的火災，提高變電站電纜的安全性，為電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行提供保障。未來的研究可以進一步優(yōu)化設計，提高裝置的實用性和適用性，并探索其他創(chuàng)新的火災防護技術，以進一步提升電纜橋架的安全性和可靠性。

然而需要指出的是，本文所提出的電纜橋架主動滅火裝置還需要進一步的試驗和測試來驗證其性能和可行性，同時還需要考慮裝置的成本、可維護性以及適用性等方面的因素。未來的研究可以進一步探索改進裝置結構、優(yōu)化防火材料的選擇和開發(fā)更高效的滅火機制等方面。通過持續(xù)的努力和創(chuàng)新，可以不斷提升變電站電纜設備的防火能力，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定供電提供可靠的保障。

總之，本文的研究為變電站電纜設備的防火工作提供了一種創(chuàng)新的解決方案，通過引入電纜橋架主動滅火裝置，可以有效降低火災風險，保護電纜設備的安全運行，這對于保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠供電和穩(wěn)定運行具有重要意義。希望這項研究能夠為相關領域的專家和從業(yè)人員提供有價值的參考，進一步推動電纜設備防火技術的發(fā)展和應用。