0 引言

随着我国经济的飞速发展, 居民用电、工业用电对电能质量及供电安全的要求越来越高, 但每年因变电站电缆过热、短路而引起的火灾事件常有发生, 造成了较大的经济损失^[1]。由于电缆多铺设于变电站的电缆沟、开关柜下部电缆竖井、电缆夹层等隐蔽且难以作业的位置, 同时又缺少相应的监控设备, 一旦遇到火灾等异常情况无法及时发现、灭火处理^[2]。因此, 本文针对电缆起火原因进行分析, 按照"实时预防, 快速隔离"的安全保障策略, 研制了1种新型外挂式管线防火装置, 在起火瞬间快速熄灭火源, 解决了人工处理不及时、处置时间长等问题。

1 电缆起火原因及危害

通过对变电站电缆线路起火原因的进行分析, 约25%的火灾事件是由电缆自身原因造成的, 线路负荷大、用电任务重, 造成过热、自燃; 电缆接头或终端接触不良, 易发生线路接地、短路等故障导致电缆接头击穿着火; 长期处于电缆沟中的电缆由于积水或杂物导致电缆绝缘皮破损, 造成短路甚至高压开关柜起火、爆炸等现象^[3]。目前, 预防及解决变电站的二次电缆防火通常采用柔性有机材料进行隔绝封堵, 但受柔性有机材料(防火泥)的使用性能及寿命限制, 长时间使用会出现裂缝、滑脱等现象, 且不能做到周期性巡检更换, 难以起到防火、防潮、防尘作用。电缆起火时产生大量有害气体、浓烟, 灭火困难、用时长, 严重影响供电可靠性^[4]。

2 管线防火装置设计

为在火灾异常情况发生时快速阻断火源, 隔离邻近电缆沟内无故障的电缆及易燃设备, 防止事故扩大造成二次起火, 缩短抢修时间及恢复送电时间^[5], 研制了管线防火装置。

2.1 管线防火装置设计

根据DL/T 5707-2014《电力工程电缆防火封堵施工工艺导则》、DBJ 50-164-2013《民用建筑电线电缆防火设计规范》及DLGJ 154-2000《电缆防火措施设计和施工验收标准》等相关标准、规范要求设计管线防火装置, 该装置主要由3部分组成:

(1)  封口固定器, 用于固定封堵设备两端防止材料泄漏;

(2)  高分子弹性材料(固定封堵后不影响管壁和电缆护套层), 具有优异的阻燃、耐火、隔热性能, 在较高温度下会膨胀、凝固, 隔绝防火系统内外部之间的氧气交换, 抑制火势蔓延;

(3)  电力电缆保护管, 采用改性聚丙烯材料, 具有绝缘、抗高温、耐腐蚀的性能, 保障内部材料不受外界污染侵蚀, 延长系统的使用寿命。

管线防火装置设计图及实物如图 1所示, 在电力电缆保护管中加入高分子弹性材料, 端面采用封口固定器封堵, 安装在电缆外部, 安装简单、无需日常维护。

管线防火装置中的膨胀型防火高分子弹性材料, 在受火、受热时体积增加数倍, 但膨胀倍率及膨胀层结构必须进行适当控制, 否则松散的膨胀结构容易崩坏解体, 无法在电缆套管内壁表面形成连续性致密结构, 保障防火装置的稳定性。通过大量重复性试验及参数优化, 得到最佳成分比, 保证膨胀后的致密碳层能够隔绝氧气且恰好填满套管内部, 有效阻止火焰燃烧。封口固定器及电力电缆保护管用于封闭开口阻挡烟、气的传播, 降低非爆火面的温度, 实现最佳封堵防火效果。根据GB 23864- 2009《防火封堵材料》的检测认定, 符合FV0级耐火时间的要求, 管线防火装置能在电缆地沟等条件恶劣的情况下保持有效使用寿命15 a, 在安装过程中不会产生大量的安装垃圾且不会对周围的环境产生破坏, 具有环保、安全、施工便捷、使用寿命长等特点。

2.2 重复性试验分析

委托国家建筑材料工业建筑围护材料及管道产品质量监督检验测试中心进行管线防火装置试验测试, 经过外观检查、密封试验、温度循环试验、储藏试验、低频振动试验、氧指数试验、轴向拉力试验、抗化学物质试验、重复性试验, 结果均满足生产现场实际工况要求, 检验结果如表 1所示。

3 现场试验 3.1 试验条件

将管线防火装置在内蒙古锡林郭勒电业局变电管理二处所辖的220 kV某变电站进行现场测试, 其外观结构为圆柱体, 比电缆直径稍大, 在电力电缆保护管中填充膨胀型防火填充材料, 由不锈钢扎带外围包裹, 安装于高压开关柜底部。变电站一次电缆、二次电缆现场安装图如图 2所示。

3.2 试验结果

经过半年的试验测试, 以1号高压室发生电缆击穿事故为例, 使用新型防火装置后, 停电线路从之前的7条减少至1条, 处理故障耗时从之前的36 min缩短至5 min。在故障处置过程中无需停电, 可实现自动灭火, 利用系统密封性能隔绝电缆与外界氧气, 通过内部阻火材质快速灭火, 大大缩短停电时间, 提高供电可靠性。在事故发生时不会对邻近电缆及设备造成伤害, 避免火势扩大蔓延, 不会产生有害气体、浓烟, 保护环境。

3.3 经济性分析

使用管线防火装置之后, 以常规220 kV变电站35 kV出线8回上网电价0.46元/kWh计算, 减少火灾造成事故电量损失1145.51万kWh, 减少电量经济损失67.5万元; 减少电缆燃烧损坏经济损失63万元; 累计节约经济损失共计130.5万元, 使用管线防火装置前后经济对比数据如表 2所示。

4 结语

本文针对变电站电缆在开关柜、电缆沟及电缆管道中防火、防腐蚀等问题, 研制了管线防火装置, 从根本上解决了电缆防火、灭火等问题, 减少了设备停电时间, 保证用户用电可靠性。同时有利于改善电缆及电力设备的运行环境, 降低电缆及电力设备检修维护成本, 延长电缆及电力设备寿命, 对电网的稳定、绿色节能发展起到了重要的作用。