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低压配电柜电气火灾监控新技术研究

发布时间:2015-9-30 10:00:47  作者:力安科技

  低压配电柜电气火灾监控新技术研究

  摘要:低压配电柜是电气火灾的高发部位,而对配电柜的电气火灾监控目前的电气火灾监控设备都有其弊端;介绍一种新型的探测热解气体粒子式电气火灾监控设备,并通过试验分析其探测性能特点,可广泛应用于低压配电柜内电气火灾的监控,并可防止配电柜内灰尘、电磁干扰等。

  关键词:低压配电柜;电气火灾监控;

  近年来我国电气火灾持续多发,有关资料显示,2012年全国发生的电气火灾占到火灾事故总数的41%,2013年全国发生的电气火灾占火灾总数的32.2%,电气故障引发的火灾在城市火灾事故中已列到火灾成因的首位。根据对配电线路故障引发电气火灾原因的分析和统计,配电线路故障引发的火灾主要集中在短路、过负荷、接触电阻过大、漏电等几个方面。短路、元器件或线缆过负荷这些起火原因会反映为导体发热,使周围物质达到着火点后起火。这类由发热导致的电气火灾占到全部电气火灾的66%左右。

  低压配电柜在低压供电系统中负责电能的控制、保护、测量、转化和分配。我国电能的80%左右都是  通过低压成套设备供出,可以说凡是使用电气设备的地方都需要配备。由于低压配电柜内部元器件及接头相对较多,内部发生短路、过负荷、接触电阻过大、漏电等电气故障的几率较大,因此,低压配电柜是低压配电系统中需重点保护的部位,对配电柜内部进行电气火灾防控,可明显减少电气火灾事故的发生。

  1 目前低压配电柜使用的电气火灾监控技术的局限性

  目前用于低压配电柜电气火灾监控的有测温式电气火灾监控探测器、剩余电流式电气火灾监控探测器和感烟火灾探测器。其中测温式电气火灾监控探测器是通过接触式热传导器件监控配电柜内接头处的温度变化,当接头过多时,测温式电气火灾监控探测器因设置复杂而不适用;剩余电流式电气火灾监控探测器只能检测剩余电流;感烟探测器包括离子感烟火灾探测器、光电感烟火灾探测器、红外光束火灾探测器以及高灵敏度的吸气式火灾探测器,这些感烟探测器探测的均是烟雾粒子,容易受到灰尘的干扰,而配电柜恰是一个容易堆积灰尘的场所,利用这些感烟探测器进行配电柜电气火灾监控时最大的问题是易引起误报。

  2 探测配电柜热解气体粒子式电气火灾监控技术

  热解粒子,顾名思义就是物质受热时分解出的粒子,此种粒子是能够以自由状态存在的最小物质组分。无论何种原因引起的电气火灾,都体现为导体发热,低压配电柜内发生的电气故障主要的发热体是电线与保护电器,因此,在低压配电柜内发热分解出的粒子主要是烟粒子及气体粒子。为了给热解粒子电气火灾监控技术的工程应用提供技术支持,公安部消防局成立课题组,利用粒径分析仪器进行相关试验,发现试验材料(电线与保护电器)存在一个具有临界特点的热解温度,低于该温度,热解产生的烟气量极低,无法进行可靠探测,当受热温度高于该临界温度后,烟气开始加剧析出。电线及保护电器材料的临界温度一般都在150~220℃区间,通过光学烟密度计测量此区间的烟粒子浓度的响应范围为0.02%obs/m~0.52%obs/m,而目前可对此范围烟粒子浓度进行早期探测的主要是吸气式探测器及激光探测器。但此两种设备的探测原理均是由激光或LED作为光源,探测器直接根据散射的状况作为火灾判定的依据,没有办法避免灰尘、水汽等原因引起的误报,即使加装过滤器效果也不大。

  试验同时发现,当试验材料受热到150℃开始,就会发出一种烧胶皮、烧塑料的难闻气味,主要是电线因过热烧焦绝缘外皮所散发的气体。此种气味的出现甚至早于烟粒子的析出。低压配电柜内发生电气故障时主要的发热体是电线与保护电器,发出那种难闻气味的也主要是电线的聚氯乙烯(PVC)绝缘外皮及保护电器的绝缘护套(ABS材料)。在此基础上课题组研制开发了探测热解气体粒子式的电气火灾监控技术,此种技术不但可以进行配电柜内电气火灾的早期探测,还能很好地解决配电柜内灰尘的干扰。

  经试验两种材料的热解临界温度在150~220℃(加热盘温度)区间。我们选取6种不

  同厂家电线的PVC绝缘外皮和2种不同厂家保护电器的绝缘护套(ABS材料),利用热裂解器将8种样品分别在150℃裂解,将其析出气体送入气相色谱-质谱联用仪进行气体成分分析,6种PVC绝缘外皮的谱图如图1所示。

01.jpg

  经与标准谱图对比分析,主要的气体为邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(是一种常用的塑化剂),其次还有少量的邻苯二甲酸单(2-乙基己基)酯、反式角鲨烯、二十一烷。

  2种ABS材料的谱图如图2所示。经分析,其主要成分为C12H22N2O2及少量塑化剂。

02.jpg

  从试验分析结果得出,塑化剂是配电柜内导体发热产生的主要气体成分。经调研,目前并没有专门探测塑化剂的传感器,因塑化剂属于酯类,因此我们选取了现有的几家包含酯类探测的广谱传感器进行试验。

  试验在固定式低压配电柜内进行,模拟低压配电柜内导线的PVC材料或保护电器的ABS材料由于电气故障发热的情况,试验装置如图3所示,试验材料分别选取:①PVC绝缘层:BV2.5mm2,35cm,剪碎成3cm长小段,取3段。②ABS绝缘:50mm×40mm×1mm,密度约1.05g/cm3。加热盘温升速率为10℃/min。

  由于传感器本身反应的灵敏度问题及生成气体的扩散问题,探测热解气体粒子的电气火灾监控设备需要一定的反应时间,经试验需要在250℃左右报警,我们将监控设备内加入小型吸气泵,可加速报警(220℃左右)。

  3热解气体粒子式电气火灾监控与其他探测方式的对比

  由于剩余电流式和测温式在低压配电柜内探测的局限性,故仅对气体及烟雾式的几种探测器进行对比,即吸气式火灾探测器、点型激光火灾探测器、探测热解气体粒子式火灾探测器3种低压配电柜电气火灾监控设备,如图4所示。吸气式火灾探测器、点型激光式火灾探测器均可在200℃前报警,而探测热解气体粒子式火灾探测器需要在220℃左右报警。虽然在报警时间上,探测热解气体粒子式电气火灾监控设备并未体现出优势,但在灰尘干扰试验中吸气式、点型激光探测器均发生误报现象,而探测热解气体粒子式电气火灾监控设备由于其探测的机理不同,未发生误报现象。

电气火灾监控探测器响应时??4.jpg

  4展望

  低压配电柜作为配电系统中电气火灾频发的部位,由于低压配电柜故障几率、电气部件、内部空间、电磁环境、燃烧产物、保护级别等极具特殊性,目前的监控技术应用于配电柜火灾防控有很大局限性。探测热解气体粒子式电气火灾监控设备受我国目前传感器技术水平的限制,在报警时间上未体现出强烈的优势,但其抗灰尘干扰的能力,更适用于配电柜内早期故障的发现,可广泛应用于各种类型的低压配电柜电气火灾监控设备。

  作者信息:李宁宁,女,公安部沈阳消防研究所,工程师。


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