全氟己酮在电力开关柜火灾的灭火试验研究

刘国强，李国春，赵志鹏，刘 苑，郝亚楠

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014；3.山东天康达安防科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着社会不断进步、经济快速发展，电力需求不断增长，开关柜的使用日益增加。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等［1］。连接上述装置有数量众多的接线端子，当出现接触电阻过大、短路、漏电、过载等故障时很容易引起局部温度急剧升高，引燃绝缘层及附近电缆产生火灾事故。预防开关柜电气火灾事故已成为当前亟须解决的一项重要课题［2-3］。

设计和搭建针对开关柜火灾的全氟己酮灭火系统真型试验平台，选择一款电力系统中典型尺寸的开关柜，内部安装断路器、电缆等燃烧物，通过高温热电偶、热辐射计、氧气检测仪和复合气体分析仪采集试验过程中的数据。通过进行真型灭火试验，验证新型灭火剂全氟己酮对开关柜火灾防控的适用性。

1 研究现状

开关柜常用的灭火方式有超细干粉、热气溶胶、七氟丙烷等。超细干粉和热气溶胶灭火后有残留，灭火后很难清理，设备基本报废［4］。七氟丙烷灭火剂由于灭火效率高，灭火后不留痕迹，而且不含导电介质，目前广泛应用于档案馆、数据中心、配电室等场所。但是七氟丙烷对大气破坏的永久性程度为42，其大气中存留寿命达31年，温室效应潜能值为3 350，这是该灭火剂的环保缺陷，不宜长期使用［5］。

全氟己酮作为一种新型高效洁净的气体灭火剂，具有灭火浓度低、灭火效率高、安全系数高、不导电、无残留等特点，适用于灭火后不能有二次污染的火灾场所，可应用于全淹没或局部淹没灭火系统［6］。全氟己酮灭火剂的灭火机理一是释放后迅速汽化吸收热量，通过降低火场温度进行灭火；二是迅速分解成氟化烷自由基，中断燃烧过程中化学反应链，使燃烧过程的联锁反应中断而灭火［7-8］。

国内学者对全氟己酮灭火剂有许多研究，陈涛等对全氟己酮灭火剂临界灭火浓度进行了测试研究，得出全氟己酮灭火剂对于乙醇燃料的临界灭火体积分数约为5.6%［9］。崔凤霞等研究了全氟己酮灭火剂高温热裂解性能，发现热裂解后的气体产物含量与热裂解温度、滞留时间相关；热裂解气体产物成分较多，其中有一氧化碳和剧毒气体全氟异丁烯［10］。张斌对全氟己酮与七氟丙烷的灭火性能进行了对比研究，在体积122 m3的实验室内进行了A 类木垛火、B 类正庚烷火和全淹没灭火试验，试验结果表明全氟己酮和七氟丙烷都能够在规定时间内熄灭火焰［5］。国内有个别公司进行了全氟己酮针对配电柜的灭火试验，但未见相关试验论文。

2 开关柜火灾特点分析

开关柜一般由低压室、手车室、母线室、电缆室等组成，内部设备主要有断路器、线缆、保护装置等，电气线路老化造成短路、使用负荷过载、连接处安装不牢固导致接触不良等容易引起电气火灾［11］。引起开关柜火灾的主要原因有：

1）电缆或电气设备发生短路时，电流突然增大，发热量极大，温度极高，并在短路的位置产生强烈的火花甚至放电电弧，不仅能引燃电缆绝缘层和设备外壳迅速燃烧，甚至能使电缆或设备中的金属熔化［12］。

2）雨季潮湿或者昼夜温差较大时，开关柜内部的金属导线或接线端子表面容易产生凝露［13］，造成电缆绝缘层、绝缘壳体或者相间隔板等复合材料绝缘电阻降低，引起拉弧放电造成相间短路或者接地短路事故。

3）当电缆内电流高过防护负载时，电缆长期在高温下运行，引起电缆过负荷。电缆的绝缘层长期过负荷运行会加速老化变质，电缆温度会升高。开关柜内部通风散热效果较差，热量积聚可引燃电缆的绝缘层。老化变质的电缆绝缘层可能会破损引起短路，所以电缆不能长期过载运行。

4）开关柜中的电缆或接头一般通过电流比较大，如果在接线端子等连接处安装不到位，接触不良会导致接触电阻过大［14］。这种连接处接触电阻和通过电流都比较大，可能产生较大热量，高温下会使连接端子变形甚至熔化，进而导致电缆的绝缘层或者工程塑料壳体发生燃烧引起火灾。

5）开关柜内部母线和接线端子等金属件的加工可能存在尖角、毛刺，导致电场分布不均匀，尖端发生电晕放电。如果局部电场强度达到临界场强时，附近的气体发生局部电离［15］，会使绝缘材料的绝缘性能降低甚至破坏，进而引起短路甚至火灾。

3 开关柜灭火试验

针对开关柜火灾的特点，为了验证全氟己酮灭火剂对开关柜火灾的灭火效果，制定试验方案，方案路线如图1所示。

图1 开关柜灭火试验路线图

3.1 试验平台搭建

试验平台布局图如图2 所示［16］，具体搭建方案如下：

图2 开关柜灭火试验布局

1）开关柜内部可燃物主要是壳体工程塑料、交联聚乙烯线缆等，在开关柜的下部安装线槽和线缆，上面安装一排断路器、保护装置等工程塑料壳体的设备。

2）全氟己酮高压储罐固定在开关柜侧壁，喷头安装在开关柜中部。

3）热辐射传感器固定于开关柜顶部，传感器接收面正对油盘和上方线缆，监测热辐射值。采用JTR09 热辐射计，热辐射范围0～10 kW/m2，分辨率0.001 kW/m2，精度±4%，数据存储间隔设定为2 s，存储空间4 000组，数据可通过迷你USB 接口连接电脑导出。

4）设置三个测温点，采用K 型铠装热电偶。热电偶1 位于线槽和线缆上方100 mm 处，用于测量火焰中心的温度；热电偶2 位于开关柜中部；热电偶3位于开关柜上部，距离开关柜顶面200 mm。热电偶通过耐高温导线连接到智能温度记录仪，记录仪可以同时采集4路温度信号，数据存储间隔设定为2 s，温度数据可通过U盘导出到电脑。

5）复合气体分析仪采样管安装于热电偶3 附近。为防止高温损坏采样硅胶管，用一段长度1 m外径8 mm的不锈钢管插入开关柜，外部通过硅胶气管连接复合气体分析仪。采用PGD4-C-M4 复合式高精度气体分析仪，可以检测CO、SO2、O2、NO 等4种气体，检测原理为电化学，检测方式为泵吸式，精度±2%，数据存储间隔设定为2 s。CO 质量浓度的量程是0～1 250 mg/m3，分辨率0.125 mg/m3；SO2质量浓度的量程是0～200 mg/m3，分辨率0.1 mg/m3；O2的量程为0～30%的体积百分比，分辨率0.01%；NO质量浓度的量程是0～500 mg/m3，分辨率0.1 mg/m3。

6）摄像头固定于开关柜中部，镜头对准油盘和上方线缆。为防止高温烧毁摄像头和连接线，试验中燃烧时间设定为120 s。

7）油盘直径300 mm，高度170 mm，置于开关柜下部，油盘上沿距离线缆200 mm。

3.2 全氟己酮用量计算

试验采用10 kV 高压开关柜，宽度62 cm，深度82 cm，高度220 cm。试验目的是验证全氟己酮灭火剂针对开关柜火灾的适用性，关键是计算灭火剂的用量。因为关于全氟己酮灭火系统设计施工的国家标准暂未出台，参照山东省地方标准DB37/T 3642—2019《全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范》6.4.1 来计算灭火剂使用量［17-18］。全氟己酮实际使用量：

式中：K为海拔高度修正系数，参考设计规范取K=1；C1为灭火浓度，全氟己酮的灭火浓度为4.0%～6.0%，C1取最高值6%；S为灭火剂过热蒸汽在101 kPa大气压和防护区最低环境温度下的比容，m3/kg；V为防护区的净容积，m3。

试验当天环境温度T=20 ℃；

高压储罐内灭火剂剩余量ΔW≈0.05 kg；

全氟己酮总充装量W0=W+ΔW=0.99+0.05≈1.04（kg）。

选择高压储罐规格为2 L，数量1 只，在20 ℃时增压压力为4.2 MPa。

3.3 试验步骤

1）油盘底部倒入适量的水，用量杯注入500 mL正庚烷，把油盘放入开关柜底部。

2）摄像机开始录像。

3）温度记录仪、热辐射计、氧气检测仪、复合气体分析仪开始记录试验数据。

4）启动点火器点燃正庚烷，引燃线缆和断路器等，先敞开柜门引燃30 s，然后关闭柜门继续燃烧90 s，合计预燃120 s。

5）启动全氟己酮灭火装置喷射灭火剂。

6）灭火剂喷射结束后，通过开关柜内部的摄像机观察火焰是否熄灭。如果灭火剂喷射结束后60 s内不能熄灭火焰，用备用灭火器手动灭火。

7）清理试验现场，记录整理实验数据。

灭火试验在山东某公司火灾实验室进行，试验过程如图3—图5所示。

图3 试验场景布置

图4 试验开始

图5 灭火剂喷射前后火焰状态

4 试验结果分析

试验开始用点火器点燃油盘引燃线缆和断路器自由燃烧，首先敞开开关柜门预燃30 s，然后关闭柜门继续燃烧90 s。预燃时间总计120 s时启动全氟己酮灭火装置，灭火剂喷射5 s 后火焰熄灭。从灭火剂喷射前后的火焰状态可以看出，灭火剂刚开始喷射时火焰更猛烈；喷射2 s 时火焰最大，之后2 s 火焰脱离了可燃物在开关柜内部扩散；灭火剂喷射5 s 后火焰熄灭。

4.1 温度变化

因为采用的K 型铠装热电偶外径10 mm，热响应时间比较长。热电偶1 位于火焰的中心，所以温度最高。由图6 可以看出，预燃120 s 时，热电偶1 最高温度220 ℃，热电偶2最高温度125 ℃，热电偶3最高温度95 ℃。灭火剂喷射5s 后火焰熄灭，全氟己酮快速气化吸收热量，热电偶1 以0.35 ℃/s 的速度下降，热电偶2 以0.15 ℃/s 的速度缓慢下降，热电偶3以0.08 ℃/s的速度缓慢下降。

图6 热电偶温度变化

4.2 热辐射值变化

热辐射值变化如图7所示。由图7可以看出，预燃32 s时，热辐射值达到最大值118 W/m2，之后波动下降。预燃82 s时下降到43 W/m2，然后上升到71 W/m2，启动全氟己酮灭火装置时波动下降到45 W/m2。灭火剂喷射后热辐射值急剧下降到0，维持5 s后又在1 min内上升到最高88 W/m2，之后缓慢下降。

图7 热辐射值变化

热辐射计传感器安装在开关柜顶部，预燃前30 s 开关柜门是敞开状态，热辐射值急剧上升。关闭柜门之后热辐射值不稳定且波动下降，分析主要有以下3 个原因：一是燃烧产生的烟气较大，在传感器和火焰之间造成了遮挡；二是关闭柜门之后氧气浓度下降，燃烧不充分；三是传感器表面被烟气覆盖造成灵敏度降低。

全氟己酮灭火剂的灭火机理主要是释放后迅速汽化吸收热量，通过降低火场温度进行灭火。所以灭火剂喷射后，热辐射传感器也被灭火剂喷雾淹没而吸收热量，热辐射值在8 s 内急剧降到0。灭火剂雾化蒸发后，因为电气柜内部还有余热，所以热辐射值又上升到88 W/m2之后才缓慢下降。从热辐射值的上升程度可见，灭火剂喷射前热辐射值波动下降主要是由燃烧产生的烟气遮挡造成。因为灭火剂喷射后烟气温度降低沉降，遮挡减少，所以热辐射值上升到比灭火剂喷射之前还高的程度才缓慢下降。

4.3 气体浓度变化

燃烧试验开始后会引起多种气体浓度的变化。由图8 和图9 可以看出，前30 s 因为开关柜门是敞开状态，气体浓度基本没有变化。从关闭柜门开始，SO2、NO 和CO 的浓度都快速上升。SO2质量浓度最高升高到165 mg/m3，火焰熄灭后在60 s 内下降了75.7%，之后缓慢下降。NO 质量浓度最高升高到50.9 mg/m3，火焰熄灭后在44 s 内下降到0。CO 的质量浓度在试验进行到80 s 时达到气体分析仪的最大量程1 250 mg/m3，维持106 s后快速下降，40 s内下降了69%，之后缓慢下降。试验开始前氧气的体积百分比为20.69%，试验中关闭柜门后氧气浓度缓慢下降，体积百分比最低降到12.49%，火焰熄灭后缓慢回升到前值。

图8 复合气体浓度变化

图9 CO浓度变化

5 结论

利用电力开关柜的全氟己酮灭火试验，通过对试验结果和数据的分析，说明在尺寸0.62 m×0.82 m×2.2 m，体积1.12 m3的10 kV 开关柜内，选择2 L 高压储罐，灌装1 kg 全氟己酮，在20 ℃时N2增压至压力4.2 MPa，开启喷射可在5 s内熄灭开关柜内的电缆和工程塑料引起的电气火灾。

相对密闭空间内电气火灾燃烧会产生CO、SO2、NO 等有毒有害气体的浓度也较高，进入火场的消防救援人员要佩戴好防烟面罩，做好人身防护。

全氟己酮喷射气化后能够快速熄灭开关柜火焰，降低火场的温度和热辐射值，快速降低CO、SO2、NO等有毒有害气体浓度。

电气火灾产生的烟气浓度较大，热辐射计的探测值会受到影响而显著下降，红外热成像设备在这种情况下可能功能受限，需要进一步通过试验验证。