开关柜中热气溶胶灭火剂用量的合理设计

2019-11-27邓海峰

通信电源技术 2019年11期

邓海峰，杨楠

（1.国网宜昌供电公司，湖北宜昌 443000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443000）

0 引言

高压开关柜是变电站的重要开关设备，其火灾事故带来的负面影响不言而喻。开关柜内部电气设备复杂、电接触点多、设备的安全距离不足等，为开关柜带电起火埋下了隐患，且变电站中各开关柜紧密相连，“火烧连营”的事故也时有发生。

S型热气溶胶降尘率低、沉降物绝缘性好，是一种适用于高压开关柜的优质灭火材料。当前，热气溶胶已经在部分领域得到重用，国内外研究人员也对其在应用上的相关技术环节进行了研究。文献[1]将热气溶胶灭火材料配合冷却剂应用于汽车引擎，在保证灭火能力的同时，有效降低了灭火装置喷口的温度。文献[2]对比热气溶胶灭火装置在通风和非通风条件下对风电机组的灭火能力，发现热气溶胶在密闭空间中的灭火浓度更高，灭火效果更好。文献[3]将热气溶胶灭火材料应用于公交车发动机舱，并通过实验验证了其有效性。然而，目前的研究还无法对开关柜的防护提供实质性帮助，特别是涉及到开关柜中热气溶胶的具体用量等关键指标。

针对以上问题，本文在KYN28A-12型开关柜的各室中采用不同剂量的S型热气溶胶模拟灭火实验，得到各室中热气溶胶的灭火效率与其浓度的变化规律，并提出一些热气溶胶在开关柜中应用建议，特别是用量设计。

1 热气溶胶材料简介

1.1 热气溶胶分类及相关性质

热气溶胶是一种混合物。由于它的化学成分不同，通常将热气溶胶分为S型气溶胶和K型气溶胶[4-5]。K型气溶胶主要成分为钾盐，包括K2CO3、KHCO3以及K2O等。这3种物质极易吸湿，易溶于水，所以其沉降物与空气中的水分子结合后会影响仪器的绝缘强度。在微型电路板和一些精密的仪器中，应避免使用K型气溶胶。S型气溶胶的主要成分为锶盐，降尘率低、绝缘性好，不会对电气设备带来隐患[6-9]。相较于K型气溶胶，S型气溶胶更适合在带电场景使用。

1.2 热气溶胶灭火机理

热气溶胶灭火剂以气溶胶发生剂的形式保存在灭火装置的化学反应室中，通过引发器给予其引发燃烧所需的最低能量，发生化学反应后产生气溶胶。反应产生的惰性气体会稀释火灾区域的氧浓度。金属氧化物比表面积大，覆盖在燃烧物表面，消耗燃烧链式反应的自由基，切断燃烧反应链。另外，水蒸气也起到一定的冷却降温作用。

2 模拟灭火实验

2.1 实验过程

2.1.1 实验一

如图1所示，在电缆室中进行灭火实验。将S型热气溶胶灭火装置安装于电缆室顶部的中心位置，待电缆室底部对角上的油盘预燃30 s后关闭柜门，采用手动按钮的方式启动灭火装置，观察灭火过程并做好相关记录。改变S型热气溶胶质量，重复实验。

图1 电缆室灭火实验

由于手车室与仪表室之间的隔板有相对较多的连通间隙，可容热气溶胶灭火气体顺利穿过，快速地散布至另一个空间。仪表室内大多为二次保护设备，设备的电压等级低，温度相对较低，不易引起火灾。所以，用热气溶胶对开关柜进行防护设计时，可将手车室与仪表室看作为一个整体的防护空间，共用同一套灭火装置即可。

2.1.2 实验二

如图2所示，在手车室与仪表室中进行灭火实验。将S型热气溶胶灭火装置安装于手车室顶部的中心位置，油盘分别置于手车室底部中央和仪表室底部中央，预燃30 s后手动启动灭火装置，观察灭火过程并做好相关记录。改变S型热气溶胶质量，重复实验。

2.2 实验数据及分析

电缆室灭火实验数据如表1所示。采用的S型气溶胶理论上灭火性能为80 g/m3，通过测算电缆室的尺寸为0.7 m3，气溶胶能够有效防护的临界质量为56 g，每次实验逐步增加10%的气溶胶。可以发现，气溶胶质量越接近空间内有效防护临界值，灭火用时越长，因为气溶胶喷射后需要经过一定时间散布到空间中的各个角落，而气溶胶用量越多，空间内灭火剂浓度越大，散布也越快，灭火用时会大大减少。当灭火剂质量超过有效防护临界值的30%～50%时，灭火用时减幅不大，反而会因此浪费气溶胶，降低经济性。

图2 手车室与仪表室灭火实验

表2是手车室与仪表室灭火实验的相关数据。手车室与仪表室总体积为0.75 m3，经过测算，理论上有效防护的气溶胶最小质量可设置为60 g。但是，由于手车室与仪表室之间的连通间隙面积有限，会阻挡气溶胶从手车室进入仪表室，导致仪表室中的灭火浓度不足，灭火失败。多次试验后发现，当气溶胶质量超过理论最小值的40%后，仪表室中的火源才可被扑灭，并且随后气溶胶用量的增加对仪表室的灭火效率无显著提高。