鐵路四電房屋電氣火災(zāi)預(yù)警與抑制技術(shù)研究

摘要：針對(duì)鐵路變、配電所，信號(hào)、通信機(jī)械室，分區(qū)所以及中繼站等四電房屋電氣設(shè)施存在的火災(zāi)隱患進(jìn)行分析，結(jié)合四電房屋內(nèi)變配電柜、機(jī)柜以及蓄電池的特點(diǎn)，研究熱解粒子式電氣火災(zāi)探測(cè)器和全氟己酮降溫滅火裝置分別對(duì)于電氣火災(zāi)隱患探測(cè)預(yù)警和初期火災(zāi)抑制的作用，并提出針對(duì)性解決方案，為鐵路四電房屋電氣設(shè)備運(yùn)行以及行車安全提供更加有力的技術(shù)保障。關(guān)鍵詞：鐵路四電房屋；探測(cè)預(yù)警；火災(zāi)抑制；熱解粒子；全氟己酮鐵路四電房屋是保障列車安全穩(wěn)定運(yùn)行，為四電設(shè)備提供良好工作環(huán)境的重要場(chǎng)所。其涵蓋配電所、牽引變電所、信號(hào)樓、中繼站、基站、區(qū)間直方站、繼電器室、分區(qū)所、AT所等單體房屋，具有建筑面積小、數(shù)量多、布置分散等特點(diǎn)。其安全可靠性直接影響鐵路供電、配電、通信、信號(hào)等設(shè)備的使用，間接影響行車安全。近年來，隨著科技應(yīng)用的普及和管理水平的提高，相當(dāng)一部分四電房屋采用無人值守的運(yùn)行模式。為保障四電房屋的消防安全，常規(guī)做法是在中型及以上車站通信機(jī)房、信號(hào)機(jī)械室、10kV及以上變配電所的控制室等場(chǎng)所設(shè)置自動(dòng)報(bào)警和氣體滅火裝置，其他四電房屋僅配備應(yīng)急照明、滅火器等基本消防設(shè)施。由于大多數(shù)四電房屋沒有配置自動(dòng)消防設(shè)施，多采用無人值守的管理模式，因此其消防管理在技防、物防、人防等方面存在較大的安全隱患。鐵路四電房屋電氣火災(zāi)事件也時(shí)有發(fā)生，一方面造成了鐵路財(cái)產(chǎn)損失，另一方面嚴(yán)重危及鐵路運(yùn)輸秩序和行車安全，值得鐵路各級(jí)組織高度重視。1四電房屋電氣火災(zāi)隱患1.1

電氣火災(zāi)的影響2023年11月，應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布了2023年1至10月全國(guó)火災(zāi)形勢(shì)報(bào)告。報(bào)告顯示，電氣是火災(zāi)的首要原因，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共有21.7萬(wàn)起，造成418人死亡、590人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失26.3億元，分別占總數(shù)的29.1%、30.3%、28.6%和42.6%[1]。電氣火災(zāi)具有分布廣、分布隱秘、風(fēng)險(xiǎn)特征不明顯、受外界因素影響大等特點(diǎn)，對(duì)其認(rèn)識(shí)需要相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，因此較難管控，也極易發(fā)生。1.2

四電房屋電氣火災(zāi)產(chǎn)生的原因[2]1.2.1

設(shè)備機(jī)柜電氣絕緣性能劣化，導(dǎo)電體放電引起火災(zāi)設(shè)備和線纜使用時(shí)間過長(zhǎng)，絕緣層受到使用環(huán)境腐蝕后，絕緣性能就會(huì)嚴(yán)重降低。另外，電氣設(shè)備接頭、接口連接處接觸電阻過大、接觸不良、漏電、短路等也會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，使局部線纜的溫度升高，產(chǎn)生火花引發(fā)火災(zāi)。1.2.2

電氣設(shè)備過負(fù)荷運(yùn)行發(fā)熱，絕緣材料燒損引起火災(zāi)四電設(shè)備的機(jī)房面積較小，電氣設(shè)備較多，用電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電氣線路復(fù)雜，線路超負(fù)荷、短路、接地電阻過大等都會(huì)引起火災(zāi)。1.2.3

電氣設(shè)備被遮擋或被物品覆蓋，溫度升高引起火災(zāi)四電機(jī)房?jī)?nèi)由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電流通過線路產(chǎn)生的熱量隨電流增大呈幾何倍數(shù)增大，一旦發(fā)熱量過大導(dǎo)致線路或設(shè)備高溫，如果冷卻設(shè)備出現(xiàn)故障，發(fā)熱源溫度達(dá)到一定程度后，可能會(huì)引燃周圍可燃物品引發(fā)火災(zāi)。1.2.4

四電設(shè)備遭受雷擊或靜電積聚引起火災(zāi)雷擊時(shí)防雷器漏流造成防雷器發(fā)熱，散熱不暢過熱起火就會(huì)引發(fā)火災(zāi)。通信或信號(hào)機(jī)房設(shè)備較多，有可能產(chǎn)生靜電積聚，如果遇到火花，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)。1.2.5

通信、信號(hào)機(jī)房蓄電池連接松動(dòng)、熱失控、漏液引起火災(zāi)傳統(tǒng)的鉛酸電池由于能量密度比低，逐步被磷酸鐵鋰電池取代。近年來，磷酸鐵鋰電池火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，磷酸鐵鋰電池電解液滲漏、SEI膜老化短路等問題都會(huì)引發(fā)機(jī)房火災(zāi)。1.2.6

四電機(jī)房空調(diào)持續(xù)運(yùn)行引起火災(zāi)通信、信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備主要是精密電子產(chǎn)品，對(duì)工作環(huán)境要求較高，需常年保持恒定的溫度和濕度，否則會(huì)影響機(jī)柜設(shè)備工作的穩(wěn)定性和壽命。機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行，相應(yīng)配電設(shè)施可靠性減弱，也容易引發(fā)火災(zāi)。1.3

四電房屋電氣設(shè)備狀況和現(xiàn)有消防設(shè)施的局限性1.3.1

鐵路四電房屋設(shè)備目前狀況站區(qū)和區(qū)間四電房屋數(shù)量大、分布廣，個(gè)別房屋建造久遠(yuǎn)，電氣設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，改造滯后。隨著生產(chǎn)力結(jié)構(gòu)布局調(diào)整，無人值守的四電房屋不斷增加，這些房屋內(nèi)電氣設(shè)備的監(jiān)管薄弱，不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、隔離，電氣火災(zāi)隱憂不容忽視。1.3.2

鐵路站區(qū)和區(qū)間四電房屋消防設(shè)施的局限性大多四電房屋內(nèi)的消防設(shè)施只有應(yīng)急照明和滅火器，無法進(jìn)行電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)預(yù)警和初始火災(zāi)抑制，僅能依靠人工巡查的手段發(fā)現(xiàn)或處理設(shè)備火災(zāi)隱患，一旦發(fā)生火情，會(huì)造成不可彌補(bǔ)的損失。一些規(guī)模較大的通信、信號(hào)機(jī)械室和變、配電控制室，往往裝有自動(dòng)報(bào)警和七氟丙烷氣體滅火裝置，具備消防聯(lián)動(dòng)報(bào)警和滅火功能。當(dāng)感煙探測(cè)器檢測(cè)到設(shè)備房?jī)?nèi)一定濃度的煙霧后會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，氣體滅火控制盤確認(rèn)報(bào)警信號(hào)后，啟動(dòng)氣體滅火裝置實(shí)現(xiàn)全淹沒滅火。四電房屋起火點(diǎn)主要發(fā)生在配電柜和機(jī)柜內(nèi)，盡管設(shè)備房有一定的空間，但感煙探測(cè)器探測(cè)到煙霧濃度報(bào)警時(shí)，初始火災(zāi)已經(jīng)形成。且探測(cè)器檢測(cè)的是煙霧粒子，容易受灰塵干擾，積塵后靈敏度降低，容易產(chǎn)生誤報(bào)或漏報(bào)。因此，現(xiàn)有消防設(shè)施在電氣設(shè)備的火災(zāi)探測(cè)預(yù)警和初始火災(zāi)抑制方面存在一定的局限性。2四電房屋電氣設(shè)備火災(zāi)探測(cè)預(yù)警2.1

煙霧顆粒與熱解粒子的特征區(qū)分研究表明，電氣火災(zāi)的主因?yàn)榫€纜或電器故障發(fā)熱，發(fā)熱會(huì)分解出煙粒子和氣體粒子。大量實(shí)驗(yàn)表明，電氣絕緣材料隨著溫度的升高會(huì)釋放出熱解粒子[3]（見圖1）。在慢性燃燒過程中，溫度達(dá)到燃點(diǎn)之前，可燃物在高溫作用下會(huì)釋放出大量的熱解粒子，同時(shí)，隨著溫度升高可燃物開始碳化，然后達(dá)到燃點(diǎn)開始陰燃，并伴隨著煙霧顆粒的出現(xiàn)，常見的煙霧顆粒直徑為400～1200nm。熱解粒子通常是微小的帶電微粒，其直徑為1～10nm。從物質(zhì)開始受熱分解出熱解粒子到物質(zhì)發(fā)生陰燃產(chǎn)生煙霧顆粒，這個(gè)過程最長(zhǎng)可為數(shù)小時(shí)。因此，在燃燒初期，就可以通過采集配電柜或機(jī)柜內(nèi)工作環(huán)境中的熱解粒子濃度進(jìn)行燃燒判斷，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，提前數(shù)小時(shí)消除火災(zāi)隱患。電器和線纜材料存在一個(gè)具有臨界特點(diǎn)的熱解溫度（150～220℃），低于該溫度，熱解產(chǎn)生的煙氣量極低，且分解出極小直徑（1～10nm）熱解粒子，超過臨界溫度后，煙氣開始加劇析出，較大顆粒（400～1200nm）占比會(huì)變多。根據(jù)Miler光學(xué)散射原理，普通的光電探測(cè)（感煙探測(cè)器）對(duì)較大直徑粒徑響應(yīng)好，但是對(duì)于極小直徑的熱解顆粒響應(yīng)會(huì)較差，所以需要超高靈敏度的光電探測(cè)，當(dāng)探測(cè)到的極小直徑熱解粒子濃度達(dá)到報(bào)警閾值后實(shí)施報(bào)警。而能早期探測(cè)到熱解離子的熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器可以真正做到極早期火災(zāi)預(yù)警，提高火災(zāi)預(yù)警能力，消除火災(zāi)隱患。2.2

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的應(yīng)用無論何種原因的電氣火災(zāi)，早期都體現(xiàn)為物體發(fā)熱并釋放出粒子。而熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器主要用于監(jiān)控被保護(hù)區(qū)域中的熱解粒子變化，當(dāng)熱解粒子濃度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警閾值后，探測(cè)器會(huì)將報(bào)警信息上傳電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的同時(shí)發(fā)出光警報(bào)信號(hào)。2.2.1

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的特點(diǎn)探測(cè)器采用了光學(xué)探測(cè)器技術(shù)，使用壽命大于10年。工作環(huán)境溫度為-10℃～+55℃，外殼材料為白色ABS+PCV0級(jí)阻燃，外形尺寸φ105mm×H51mm，質(zhì)量140g左右。最大功耗≤5mA，最遠(yuǎn)傳輸距離1500m（RVS2×1.0mm2）。探測(cè)器可直接使用DC24V電源，通過信號(hào)輸入模塊或中繼模塊接收探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)，上傳到火災(zāi)報(bào)警控制器進(jìn)行報(bào)警顯示，或者探測(cè)器報(bào)警后通過其自帶的火警觸點(diǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)聲光警報(bào)器動(dòng)作，作為獨(dú)立式探測(cè)器使用。系統(tǒng)采用無極性二總線布置，節(jié)省施工和線纜成本，給現(xiàn)場(chǎng)施工和后期維護(hù)帶來極大便利。探測(cè)器安裝在電器柜內(nèi)通過環(huán)境監(jiān)測(cè)的靈敏度自適應(yīng)算法，使報(bào)警閾值可以根據(jù)探測(cè)到的環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)整，避免探測(cè)器由于受到灰塵的干擾而引起的誤報(bào)。熱解粒子濃度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警閾值后，探測(cè)器會(huì)將報(bào)警信息上傳電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的同時(shí)發(fā)出光警報(bào)信號(hào)。2.2.2

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的適用范圍及安裝位置熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器適用于電氣設(shè)備的高低壓配電柜、輸電開關(guān)柜、UPS機(jī)柜、發(fā)電機(jī)柜、變頻控制柜、電源控制柜、通信機(jī)柜、信號(hào)機(jī)柜、蓄電池架柜等相對(duì)封閉需要探測(cè)早期火災(zāi)隱患的場(chǎng)所。探測(cè)器可以通過配件和螺釘固定安裝在高低壓配電柜和機(jī)柜電纜小室內(nèi)部的頂板或側(cè)面位置。3四電房屋電氣設(shè)備火災(zāi)初期抑制3.1

四電房屋常用滅火設(shè)施存在的問題目前鐵路中型及以上車站通信機(jī)房、信號(hào)機(jī)械室、10kV及以上變配電所的控制室等通常設(shè)置七氟丙烷自動(dòng)滅火裝置，隧道四電設(shè)備洞室內(nèi)常用七氟丙烷或超細(xì)干粉自動(dòng)滅火裝置。七氟丙烷滅火效率比較高，且不含導(dǎo)電介質(zhì)，滅火后不留痕跡，目前廣泛應(yīng)用于鐵路四電房屋等場(chǎng)所。但是七氟丙烷對(duì)大氣破壞的永久性程度為42，其大氣中存留壽命達(dá)31年，溫室效應(yīng)潛能值為3350，這是該滅火劑的環(huán)保缺陷[4]。2016年，我國(guó)在盧旺達(dá)簽署了《基加利協(xié)議》，承諾在2024年前凍結(jié)使用以七氟丙烷為代表的氫氟烴類（HFCs）滅火劑[5]，限于此，七氟丙烷無法長(zhǎng)期使用。超細(xì)干粉滅火后有殘留，不僅很難清理，還可能對(duì)設(shè)備造成污染，且由于其粉狀藥劑噴射后會(huì)遮住滅火人員的視線，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的呼吸造成嚴(yán)重影響，極不利于后續(xù)滅火處理工作。3.2

全氟己酮滅火劑的特點(diǎn)全氟己酮作為一種新型高效潔凈的氣體滅火劑，具有滅火濃度低（4%～6%）[6]、降溫速度快、滅弧和絕緣性強(qiáng)、環(huán)保潔凈、安全系數(shù)大（NOAEL＞10%）、不導(dǎo)電、無殘留等特點(diǎn)（見圖2），具有對(duì)電子精密設(shè)備無損傷等優(yōu)勢(shì)。常溫常壓下為透明、無色、無毒液體，釋放后遇熱（49℃）迅速氣化，吸熱降溫滅火，可撲滅A、B、C、E、F類火災(zāi)。全氟己酮在常溫下為液體，特別適用于滅火后不能有二次污染及有人值守的火災(zāi)場(chǎng)所，可采用全淹沒或局部淹沒滅火系統(tǒng)。3.3

全氟己酮滅火系統(tǒng)的使用場(chǎng)景和方式結(jié)合目前國(guó)內(nèi)全氟己酮的使用情況和實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)適用于中小空間場(chǎng)所，尤其是局部空間[7]。對(duì)于鐵路四電設(shè)備房屋，尤其是無人值守設(shè)備房?jī)?nèi)的高低壓配電柜、UPS設(shè)備機(jī)柜、電源控制柜、通信機(jī)柜、信號(hào)機(jī)柜、蓄電池架柜等?？梢圆捎迷O(shè)置在柜體外側(cè)的探火管式全氟己酮滅火裝置，也可以采用專門針對(duì)小型和特定空間進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)的非儲(chǔ)壓式全氟己酮滅火裝置。非儲(chǔ)壓式滅火裝置可以快速便捷地安裝在配電柜或機(jī)柜內(nèi)，通過外置的感溫磁閥組件測(cè)量感知柜內(nèi)溫度，達(dá)到觸發(fā)條件后感溫磁閥動(dòng)作，產(chǎn)生電信號(hào)，啟動(dòng)裝置并噴放全氟己酮。整個(gè)裝置采用無源的方式，無需外接電源，對(duì)機(jī)柜內(nèi)原裝置無干擾，可保障原配電柜的正常運(yùn)行。裝置動(dòng)作、噴放后，機(jī)柜內(nèi)無污染物殘留，只需更換一個(gè)新滅火裝置即可，使用維護(hù)便捷。4結(jié)束語(yǔ)鐵路四電房屋電氣火災(zāi)隱患主要來源于房屋內(nèi)的高低壓電器柜和機(jī)柜等，通過在機(jī)柜內(nèi)的局部空間裝設(shè)高靈敏度的熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，對(duì)電氣柜或機(jī)柜內(nèi)煙粒子和空氣粒子濃度進(jìn)行日常探測(cè)，在電氣設(shè)施異常且形成火災(zāi)之前，粒