WXRedian | CES电气 | 国网福建电力公司等单位张俊康、吴瀚彬等：开关柜灭火装置及其控制系统的设计

高压开关柜大量应用于变电站、电厂和配电站房，具有体积小、密封、承载负荷能力强、运行可靠等特点，是变、配电系统的10kV主力设备，其安全可靠性直接影响广大用户的正常用电。配电网线路重过载、雷击或发生短路等原因会导致电缆发热、老化、绝缘破损，容易造成易燃物燃烧，引发火灾。国网福建省电力有限公司泉州供电公司、长安大学的张俊康、吴瀚彬、王辉煌、许志坤、戴熠晨在2024年第7期《电气技术》上撰文结合开关柜结构特点，研究一种灭火装置及其控制系统来进行辅助灭火，以降低开关柜起火造成的损失。

现有开关柜灭火装置的结构较为简单，可靠性低。考虑空间布局、与带电设备安全距离等因素，开关柜灭火装置一般安装于电缆室底部或内侧面，启动方式大多采用感温或烟感触发方式，也有部分采用感温电缆方式，未能根据电力设备结构、材质特点、起火原因等实现全方位自动启动灭火，导致灭火不及时，极易扩大燃烧范围，致使设备严重损坏，甚至着火爆炸，造成较大经济损失。

近年来，多种灭火系统及其控制方式已得到广泛研究与应用，但变电站开关柜灭火系统仍未实现实际应用。目前，开关柜温升引发相关问题受到广泛关注。控制开关柜温升、实现开关柜的及时灭火，已经成为延长开关柜使用寿命、提高其安全性能的重要途径。

1 开关柜起火原因

当开关设备通以正常工作电流时，由于电阻损耗、涡流损耗和磁滞损耗等，电能转变为热能，可能会导致开关柜温升异常，甚至发生爆炸，危及人身安全并造成重大停电事故。开关柜的温升由其发热和散热情况综合决定，与流过载流体的电流密度、材料、机械结构、接触面状况等因素相关。开关柜起火原因主要包括设备自身缺陷、过载、短路、运行环境四方面。

材料、安装工艺不达标会导致电缆室内一次电缆、接地开关、避雷器等设备连接不牢固、螺栓松动、压到绝缘皮等问题，致使导体连接处电阻过大，在大负荷长期作用下，导体连接处产生大量热量，但电缆室为密闭空间，热量无法有效散发，热量积累产生高温，极易引燃开关柜内可燃物而造成火灾。

过载起火，因线路负荷过载，开关柜长期处于过载状态，电缆中超过额定载流量的大电流造成异常温升，从而引起配电线路发热、绝缘老化，最终引发火灾。

短路起火，因线路或设备故障、小动物、电缆绝缘层损坏或导体间安全距离不足造成短路，产生非常大的短路电流，致使电缆产生大量热量，并随之产生电弧，击穿绝缘皮引发柜内火灾。

环境因素，高压室内温度、湿度、粉尘等因素均会加速绝缘层老化，诱发局部放电，当这些影响因素累积到某个阈值时，即会击穿绝缘层，造成设备短路故障，引发火灾。

2 方案设计

开关柜灭火系统包含气溶胶灭火装置、就地控制、远控终端三大部分。采用分体组合安装的方式，气溶胶灭火装置安装于开关柜电缆室的后柜门板上；就地控制接入变电站消防控制柜，安装于变电站门卫处；远控终端并入变电站辅助综合监控系统，部署于运维主站，实现就地、远方集中监控和综合控制。

根据电力设备特点，采用气溶胶作为灭火介质，气溶胶在封闭开关柜中的灭火可靠性高、灭火效果好、受开关柜内设备阻碍的作用小，能够在短时间内快速散布于整个柜体，实现全淹没式灭火，而且在空间中的悬浮能力强，能够长时间持续灭火，并有效避免内部复燃。

2.1 气溶胶灭火装置

图1 气溶胶灭火装置示意图

温度探测器用于探测周围温度变化，将温度的变化转换为电信号。烟雾探测器内部采用离子式烟雾传感器，用于监测烟雾的浓度，在浓度达到一定值后输出电信号。火焰探测器利用光电效应，灵敏探测火焰中红外光辐射，用于检测周围火焰。

控制器用于气溶胶灭火装置的运行控制，可以接收传感器的实时监测信息及消防控制柜、远控终端下发的控制命令。当监测到的信息和命令满足动作条件后，输出触发指令，开启气溶胶罐阀口进行灭火。控制器还可将传感器的实时监测信息上送至消防控制柜及远控终端，便于运维人员及时发现柜内异常情况。

信号变送器安装于开关柜仪表室内，负责将控制器上送的信号转换成标准RS 485信号，多个开关柜的RS 485信号采用总线拓扑传输至就地控制柜与采集主机，经数据采集与转换后，由交换机通过以太网上送至远控终端。信号变送器还可将消防控制柜与远控终端下发的控制命令转换成控制器可接收的信息。

2.2 就地控制（消防控制柜）设计

就地控制接入变电站消防控制柜，安装于变电站门卫处，能够接收来自火焰探测系统的探测信号，并将信号传送到主控系统，也能接收来自主控系统的指令信号，并向灭火装置发送启停命令，便于门卫监测开关柜火情，实现就地报警及控制。在火灾发生后，若灭火装置没有自动触发，门卫可在消防控制柜手动启动灭火装置，避免造成更大的火灾事故。

消防控制柜示意图如图2所示，消防控制柜上布置有多个监控窗，与高压室内的开关柜一一对应，同时预留有备用监测窗待新开关柜送电后启用。在监控窗上，有2个指示灯和1个触发控制按钮，分别展示每个开关柜内的火灾和灭火装置运行情况。当开关柜电缆室内的烟雾、火焰、温度传感器发信时，指示灯亮红灯，并有警铃响，提醒门卫注意异常情况；当灭火装置未自动触发时，门卫可按下启动按钮进行手动触发，实现柜内气溶胶喷射灭火。

图2 消防控制柜示意图

2.3 远控终端设计

远控终端示意图如图3所示。远控终端以功能模块形式接入变电站辅助综合监控系统，部署于运维主站，界面上展示辖区内多个变电站的开关柜运行情况，通过标签页可切换至所要查看的变电站页面。

图3展示了变电站1的开关柜运行情况，界面上有多个监测窗，与变电站1内高压室的开关柜一一对应，在监测窗上，有3个指示灯，分别展示每个开关柜内的烟雾、火焰、温度信息。当开关柜电缆室内的烟雾、火焰、温度传感器发信时，指示灯亮红灯，并有警铃响及告警弹窗，提醒运维人员注意异常情况。此时，运维人员可通过视频监控辅助判断，按下启动按钮，进行柜内气溶胶喷射灭火。

图3 远控终端示意图

2.4 控制逻辑设计

控制逻辑如图4所示，包括以下4条。

图4 控制逻辑

逻辑1：开关柜电缆室内为受限空间内电缆燃烧过程，根据相关研究报告，当受限距离大于120mm时，电缆燃烧和无墙体限制工况下的电缆燃烧曲线几乎一致，电缆火焰稳定燃烧温度约为500℃，考虑灭火装置的温度探测器与电缆之间的距离，以及电缆前期隐燃过程，将温度探测器动作阈值设置为200℃，烟雾探测器和火焰探测器满足国标要求，为定性判断。

为防止单个传感器误动造成灭火装置误启动，逻辑1采用三个探测器串联检测，当温度探测器（温度大于200℃）、火焰探测器（定性）、烟雾探测器（定性）仅有一个探测器发信，或者有一个常开开关未动作时，无法触发灭火装置。只有在三个探测器同时发信的情况下才能输出触发信号，气溶胶灭火装置收到触发信号后进行灭火，逻辑1的典型工作曲线如图5所示。

图5 逻辑1典型工作曲线

式（1）-（2）

逻辑2：在短路事故发生后，电缆中产生非常大的短路电流，开关柜的保护装置根据短路故障的种类和大小启动相应保护，跳开开关柜手车开关，对短路电流进行切除，因此当控制器接收到保护装置动作信号后，在保护动作未复归之前，若在信号窗口中检测到火焰探测器或烟雾探测器的动作信号，说明电缆室有大短路电流造成的起火现象，故启动灭火装置进行灭火，逻辑2典型工作曲线如图6所示。

图6 逻辑2典型工作曲线

式（3）-（4）

逻辑3：消防控制柜部署于变电站门卫室，当某个开关柜电缆室内的烟雾、火焰、温度传感器发信时，控制柜上对应监测窗的火灾指示灯亮红灯，并有警铃响，提醒门卫注意异常情况。此时，门卫可通过高压室内的多个高清摄像头观察开关柜情况，若发现火情，可按下对应监测窗上的启动按钮进行紧急人工启动灭火。

为防止误按启动按钮导致灭火装置误启动，影响开关柜正常运行，在就地控制柜启动按钮后串接手车开关的常闭辅助触点，仅当手车开关处于分闸位置时，常闭辅助触点闭合，就地控制柜启动灭火装置逻辑成立，实施灭火。

逻辑4：远控终端部署于运维主站，界面上展示辖区内多个变电站的开关柜运行情况，通过标签页可切换至所要查看的变电站页面。当辖区内某变电站开关柜电缆室的烟雾、火焰、温度探测器动作时，远控终端对应监测窗上的指示灯亮红灯，并有警铃响及告警弹窗，提醒运维人员注意异常情况。此时，运维人员可通过高压室内的多个高清摄像头远程观察开关柜情况，若发现火情，可按下对应监测窗上的启动按钮进行紧急人工启动灭火。

为防止误按启动按钮导致灭火装置误启动，影响开关柜正常运行，在远控终端启动按钮后串接手车开关的常闭辅助触点，仅当手车开关处于分闸位置时，常闭辅助触点闭合，远控终端启动灭火装置逻辑成立，实施灭火。

3 气溶胶灭火实验

为模拟气溶胶对电气箱体设备的灭火效果，现场将小型箱体内部点火起燃，然后利用气溶胶自动喷射装置对其进行灭火。当装置检测到触发条件满足后，快速喷射气溶胶进行灭火。对箱体而言，内部氧气直接被消耗，箱内充满气溶胶，火势立刻得到控制。实验结果表明，气溶胶对相对密闭的开关柜具有良好的灭火作用。气溶胶对箱体灭火如图7所示。

图7 气溶胶对箱体灭火

4 结论

变电站开关柜火灾会造成设备严重损坏，直接影响供电可靠性，目前尚无有效的监控和灭火措施。本文方案实现了就地及远方集中控制和综合控制，能及时发现并处理开关柜火灾事故，减少经济损失，同时可避免人员进入火灾现场，降低人身安全风险。

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“开关柜灭火装置及其控制系统的设计”，作者为张俊康、吴瀚彬、王辉煌、许志坤、戴熠晨。

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国网福建电力公司等单位张俊康、吴瀚彬 等：开关柜灭火装置及其控制系统的设计

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“开关柜灭火装置及其控制系统的设计”，作者为张俊康、吴瀚彬、王辉煌、许志坤、戴熠晨。

国网福建电力公司等单位张俊康、吴瀚彬等：开关柜灭火装置及其控制系统的设计