鐵路四電房屋電氣火災(zāi)預(yù)警與抑制技術(shù)研究

摘要：針對鐵路變、配電所，信號、通信機械室，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)隱患進行分析，結(jié)合四電房屋內(nèi)變配電柜、機柜以及蓄電池的特點，研究熱解粒子式電氣火災(zāi)探測器和全氟己酮降溫滅火裝置分別對于電氣火災(zāi)隱患探測預(yù)警和初期火災(zāi)抑制的作用，并提出針對性解決方案，為鐵路四電房屋電氣設(shè)備運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)定運行，為四電設(shè)備提供良好工作環(huán)境的重要場所。其涵蓋配電所、牽引變電所、信號樓、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。其安全可靠性直接影響鐵路供電、配電、通信、信號等設(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，相當一部分四電房屋采用無人值守的運行模式。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房、信號機械室、10kV及以上變配電所的控制室等場所設(shè)置自動報警和氣體滅火裝置，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)事件也時有發(fā)生，一方面造成了鐵路財產(chǎn)損失，另一方面嚴重危及鐵路運輸秩序和行車安全，值得鐵路各級組織高度重視。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月全國火災(zāi)形勢報告。報告顯示，電氣是火災(zāi)的首要原因，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共有21.7萬起，造成418人死亡、590人受傷，直接財產(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、風險特征不明顯、受外界因素影響大等特點，對其認識需要相應(yīng)的專業(yè)知識，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)備和線纜使用時間過長，絕緣層受到使用環(huán)境腐蝕后，絕緣性能就會嚴重降低。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)備過負荷運行發(fā)熱，絕緣材料燒損引起火災(zāi)四電設(shè)備的機房面積較小，電氣設(shè)備較多，用電持續(xù)時間長，電氣線路復(fù)雜，線路超負荷、短路、接地電阻過大等都會引起火災(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)四電機房內(nèi)由于設(shè)備長時間運行，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)熱源溫度達到一定程度后，可能會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)雷擊時防雷器漏流造成防雷器發(fā)熱，散熱不暢過熱起火就會引發(fā)火災(zāi)。通信或信號機房設(shè)備較多，有可能產(chǎn)生靜電積聚，如果遇到火花，可能會引發(fā)火災(zāi)。1.2.5

通信、信號機房蓄電池連接松動、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引發(fā)機房火災(zāi)。1.2.6

四電機房空調(diào)持續(xù)運行引起火災(zāi)通信、信號機房內(nèi)的設(shè)備主要是精密電子產(chǎn)品，對工作環(huán)境要求較高，需常年保持恒定的溫度和濕度，否則會影響機柜設(shè)備工作的穩(wěn)定性和壽命。機房內(nèi)空調(diào)長時間不間斷運行，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，個別房屋建造久遠，電氣設(shè)備設(shè)計標準不高，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，無法進行電氣設(shè)備的監(jiān)測預(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，會造成不可彌補的損失。一些規(guī)模較大的通信、信號機械室和變、配電控制室，往往裝有自動報警和七氟丙烷氣體滅火裝置，具備消防聯(lián)動報警和滅火功能。當感煙探測器檢測到設(shè)備房內(nèi)一定濃度的煙霧后會立即發(fā)出報警信號，氣體滅火控制盤確認報警信號后，啟動氣體滅火裝置實現(xiàn)全淹沒滅火。四電房屋起火點主要發(fā)生在配電柜和機柜內(nèi)，盡管設(shè)備房有一定的空間，但感煙探測器探測到煙霧濃度報警時，初始火災(zāi)已經(jīng)形成。且探測器檢測的是煙霧粒子，容易受灰塵干擾，積塵后靈敏度降低，容易產(chǎn)生誤報或漏報。因此，現(xiàn)有消防設(shè)施在電氣設(shè)備的火災(zāi)探測預(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)的主因為線纜或電器故障發(fā)熱，發(fā)熱會分解出煙粒子和氣體粒子。大量實驗表明，電氣絕緣材料隨著溫度的升高會釋放出熱解粒子[3]（見圖1）。在慢性燃燒過程中，溫度達到燃點之前，可燃物在高溫作用下會釋放出大量的熱解粒子，同時，隨著溫度升高可燃物開始碳化，然后達到燃點開始陰燃，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，這個過程最長可為數(shù)小時。因此，在燃燒初期，就可以通過采集配電柜或機柜內(nèi)工作環(huán)境中的熱解粒子濃度進行燃燒判斷，進行火災(zāi)預(yù)警，提前數(shù)小時消除火災(zāi)隱患。電器和線纜材料存在一個具有臨界特點的熱解溫度（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）占比會變多。根據(jù)Miler光學(xué)散射原理，普通的光電探測（感煙探測器）對較大直徑粒徑響應(yīng)好，但是對于極小直徑的熱解顆粒響應(yīng)會較差，所以需要超高靈敏度的光電探測，當探測到的極小直徑熱解粒子濃度達到報警閾值后實施報警。而能早期探測到熱解離子的熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測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)控探測器主要用于監(jiān)控被保護區(qū)域中的熱解粒子變化，當熱解粒子濃度達到設(shè)定的報警閾值后，探測器會將報警信息上傳電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的同時發(fā)出光警報信號。2.2.1

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的特點探測器采用了光學(xué)探測器技術(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級阻燃，外形尺寸φ105mm×H51mm，質(zhì)量140g左右。最大功耗≤5mA，最遠傳輸距離1500m（RVS2×1.0mm2）。探測器可直接使用DC24V電源，通過信號輸入模塊或中繼模塊接收探測器的報警信號，上傳到火災(zāi)報警控制器進行報警顯示，或者探測器報警后通過其自帶的火警觸點控制現(xiàn)場聲光警報器動作，作為獨立式探測器使用。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)場施工和后期維護帶來極大便利。探測器安裝在電器柜內(nèi)通過環(huán)境監(jiān)測的靈敏度自適應(yīng)算法，使報警閾值可以根據(jù)探測到的環(huán)境溫度進行調(diào)整，避免探測器由于受到灰塵的干擾而引起的誤報。熱解粒子濃度達到設(shè)定的報警閾值后，探測器會將報警信息上傳電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的同時發(fā)出光警報信號。2.2.2

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的適用范圍及安裝位置熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器適用于電氣設(shè)備的高低壓配電柜、輸電開關(guān)柜、UPS機柜、發(fā)電機柜、變頻控制柜、電源控制柜、通信機柜、信號機柜、蓄電池架柜等相對封閉需要探測早期火災(zāi)隱患的場所。探測器可以通過配件和螺釘固定安裝在高低壓配電柜和機柜電纜小室內(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房、信號機械室、10kV及以上變配電所的控制室等通常設(shè)置七氟丙烷自動滅火裝置，隧道四電設(shè)備洞室內(nèi)常用七氟丙烷或超細干粉自動滅火裝置。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所。但是七氟丙烷對大氣破壞的永久性程度為42，其大氣中存留壽命達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，我國在盧旺達簽署了《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，七氟丙烷無法長期使用。超細干粉滅火后有殘留，不僅很難清理，還可能對設(shè)備造成污染，且由于其粉狀藥劑噴射后會遮住滅火人員的視線，對現(xiàn)場人員的呼吸造成嚴重影響，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、環(huán)保潔凈、安全系數(shù)大（NOAEL＞10%）、不導(dǎo)電、無殘留等特點（見圖2），具有對電子精密設(shè)備無損傷等優(yōu)勢。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)的使用場景和方式結(jié)合目前國內(nèi)全氟己酮的使用情況和實驗分析，該系統(tǒng)適用于中小空間場所，尤其是局部空間[7]。對于鐵路四電設(shè)備房屋，尤其是無人值守設(shè)備房內(nèi)的高低壓配電柜、UPS設(shè)備機柜、電源控制柜、通信機柜、信號機柜、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小型和特定空間進行火災(zāi)防護的非儲壓式全氟己酮滅火裝置。非儲壓式滅火裝置可以快速便捷地安裝在配電柜或機柜內(nèi)，通過外置的感溫磁閥組件測量感知柜內(nèi)溫度，達到觸發(fā)條件后感溫磁閥動作，產(chǎn)生電信號，啟動裝置并噴放全氟己酮。整個裝置采用無源的方式，無需外接電源，對機柜內(nèi)原裝置無干擾，可保障原配電柜的正常運行。裝置動作、噴放后，機柜內(nèi)無污染物殘留，只需更換一個新滅火裝置即可，使用維護便捷。4結(jié)束語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柜等，通過在機柜內(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)控探測器，對電氣柜或機柜內(nèi)煙粒子和空氣粒子濃度進行日常探測，在電氣設(shè)施異常且形成火災(zāi)之前，粒