铁路四电房屋电气火灾预警与抑制技术研究

摘要：针对铁路变、配电所，信号、通信机械室，分区所以及中继站等四电房屋电气设施存在的火灾隐患进行分析，结合四电房屋内变配电柜、机柜以及蓄电池的特点，研究热解粒子式电气火灾探测器和全氟己酮降温灭火装置分别对于电气火灾隐患探测预警和初期火灾抑制的作用，并提出针对性解决方案，为铁路四电房屋电气设备运行以及行车安全提供更加有力的技术保障。关键词：铁路四电房屋；探测预警；火灾抑制；热解粒子；全氟己酮铁路四电房屋是保障列车安全稳定运行，为四电设备提供良好工作环境的重要场所。其涵盖配电所、牵引变电所、信号楼、中继站、基站、区间直方站、继电器室、分区所、AT所等单体房屋，具有建筑面积小、数量多、布置分散等特点。其安全可靠性直接影响铁路供电、配电、通信、信号等设备的使用，间接影响行车安全。近年来，随着科技应用的普及和管理水平的提高，相当一部分四电房屋采用无人值守的运行模式。为保障四电房屋的消防安全，常规做法是在中型及以上车站通信机房、信号机械室、10kV及以上变配电所的控制室等场所设置自动报警和气体灭火装置，其他四电房屋仅配备应急照明、灭火器等基本消防设施。由于大多数四电房屋没有配置自动消防設施，多采用无人值守的管理模式，因此其消防管理在技防、物防、人防等方面存在较大的安全隐患。铁路四电房屋电气火灾事件也时有发生，一方面造成了铁路财产损失，另一方面严重危及铁路运输秩序和行车安全，值得铁路各级组织高度重视。1四电房屋电气火灾隐患1.1

电气火灾的影响2023年11月，应急管理部消防救援局发布了2023年1至10月全国火灾形势报告。报告显示，电气是火灾的首要原因，因电气引发的火灾共有21.7万起，造成418人死亡、590人受伤，直接财产损失26.3亿元，分别占总数的29.1%、30.3%、28.6%和42.6%[1]。电气火灾具有分布广、分布隐秘、风险特征不明显、受外界因素影响大等特点，对其认识需要相应的专业知识，因此较难管控，也极易发生。1.2

四电房屋电气火灾产生的原因[2]1.2.1

设备机柜电气绝缘性能劣化，导电体放电引起火灾设备和线缆使用时间过长，绝缘层受到使用环境腐蚀后，绝缘性能就会严重降低。另外，电气设备接头、接口连接处接触电阻过大、接触不良、漏电、短路等也会发生放电现象，使局部线缆的温度升高，产生火花引发火灾。1.2.2

电气设备过负荷运行发热，绝缘材料烧损引起火灾四电设备的机房面积较小，电气设备较多，用电持续时间长，电气线路复杂，线路超负荷、短路、接地电阻过大等都会引起火灾。1.2.3

电气设备被遮挡或被物品覆盖，温度升高引起火灾四电机房内由于设备长时间运行，电流通过线路产生的热量随电流增大呈几何倍数增大，一旦发热量过大导致线路或设备高温，如果冷却设备出现故障，发热源温度达到一定程度后，可能会引燃周围可燃物品引发火灾。1.2.4

四电设备遭受雷击或静电积聚引起火灾雷击时防雷器漏流造成防雷器发热，散热不畅过热起火就会引发火灾。通信或信号机房设备较多，有可能产生静电积聚，如果遇到火花，可能会引发火灾。1.2.5

通信、信号机房蓄电池连接松动、热失控、漏液引起火灾传统的铅酸电池由于能量密度比低，逐步被磷酸铁锂电池取代。近年来，磷酸铁锂电池火灾事故时有发生，磷酸铁锂电池电解液渗漏、SEI膜老化短路等问题都会引发机房火灾。1.2.6

四电机房空调持续运行引起火灾通信、信号机房内的设备主要是精密电子产品，对工作环境要求较高，需常年保持恒定的温度和湿度，否则会影响机柜设备工作的稳定性和寿命。机房内空调长时间不间断运行，相应配电设施可靠性减弱，也容易引发火灾。1.3

四电房屋电气设备状况和现有消防设施的局限性1.3.1

铁路四电房屋设备目前状况站区和区间四电房屋数量大、分布广，个别房屋建造久远，电气设备设计标准不高，改造滞后。随着生产力结构布局调整，无人值守的四电房屋不断增加，这些房屋内电气设备的监管薄弱，不能第一时间发现、隔离，电气火灾隐忧不容忽视。1.3.2

铁路站区和区间四电房屋消防设施的局限性大多四电房屋内的消防设施只有应急照明和灭火器，无法进行电气设备的监测预警和初始火灾抑制，仅能依靠人工巡查的手段发现或处理设备火灾隐患，一旦发生火情，会造成不可弥补的损失。一些规模较大的通信、信号机械室和变、配电控制室，往往装有自动报警和七氟丙烷气体灭火装置，具备消防联动报警和灭火功能。当感烟探测器检测到设备房内一定浓度的烟雾后会立即发出报警信号，气体灭火控制盘确认报警信号后，启动气体灭火装置实现全淹没灭火。四电房屋起火点主要发生在配电柜和机柜内，尽管设备房有一定的空间，但感烟探测器探测到烟雾浓度报警时，初始火灾已经形成。且探测器检测的是烟雾粒子，容易受灰尘干扰，积尘后灵敏度降低，容易产生误报或漏报。因此，现有消防设施在电气设备的火灾探测预警和初始火灾抑制方面存在一定的局限性。2四电房屋电气设备火灾探测预警2.1

烟雾颗粒与热解粒子的特征区分研究表明，电气火灾的主因为线缆或电器故障发热，发热会分解出烟粒子和气体粒子。大量实验表明，电气绝缘材料随着温度的升高会释放出热解粒子[3]（见图1）。在慢性燃烧过程中，温度达到燃点之前，可燃物在高温作用下会释放出大量的热解粒子，同时，随着温度升高可燃物开始碳化，然后达到燃点开始阴燃，并伴随着烟雾颗粒的出现，常见的烟雾颗粒直径为400～1200nm。热解粒子通常是微小的带电微粒，其直径为1～10nm。从物质开始受热分解出热解粒子到物质发生阴燃产生烟雾颗粒，这个过程最长可为数小时。因此，在燃烧初期，就可以通过采集配电柜或机柜内工作环境中的热解粒子浓度进行燃烧判断，进行火灾预警，提前数小时消除火灾隐患。电器和线缆材料存在一个具有临界特点的热解温度（150～220℃），低于该温度，热解产生的烟气量极低，且分解出极小直径（1～10nm）热解粒子，超过临界温度后，烟气开始加剧析出，较大颗粒（400～1200nm）占比会变多。根据Miler光学散射原理，普通的光电探测（感烟探测器）对较大直径粒径响应好，但是对于极小直径的热解颗粒响应会较差，所以需要超高灵敏度的光电探测，当探测到的极小直径热解粒子浓度达到报警阈值后实施报警。而能早期探测到热解离子的热解粒子式电气火灾监控探测器可以真正做到极早期火灾预警，提高火灾预警能力，消除火灾隐患。2.2

热解粒子式电气火灾监控探测器的应用无论何种原因的电气火灾，早期都体现为物体发热并释放出粒子。而热解粒子式电气火灾监控探测器主要用于监控被保护区域中的热解粒子变化，当热解粒子浓度达到设定的报警阈值后，探测器会将报警信息上传电气火灾监控设备的同时发出光警报信号。2.2.1

热解粒子式电气火灾监控探测器的特点探测器采用了光学探测器技术，使用寿命大于10年。工作环境温度为-10℃～+55℃，外壳材料为白色ABS+PCV0级阻燃，外形尺寸φ105mm×H51mm，质量140g左右。最大功耗≤5mA，最远传输距离1500m（RVS2×1.0mm2）。探测器可直接使用DC24V电源，通过信号输入模块或中继模块接收探测器的报警信号，上传到火灾报警控制器进行报警显示，或者探测器报警后通过其自带的火警触点控制现场声光警报器动作，作为独立式探测器使用。系统采用无极性二总线布置，节省施工和线缆成本，给现场施工和后期维护带来极大便利。探测器安装在电器柜内通过环境监测的灵敏度自适应算法，使报警阈值可以根据探测到的环境温度进行调整，避免探测器由于受到灰尘的干扰而引起的误报。热解粒子浓度达到设定的报警阈值后，探测器会将报警信息上传电气火灾监控设备的同时发出光警报信号。2.2.2

热解粒子式电气火灾监控探测器的适用范围及安装位置热解粒子式电气火灾监控探测器适用于电气设备的高低压配电柜、输电开关柜、UPS机柜、发电机柜、变频控制柜、电源控制柜、通信机柜、信号机柜、蓄电池架柜等相对封闭需要探测早期火灾隐患的场所。探测器可以通过配件和螺钉固定安装在高低压配电柜和机柜电缆小室内部的顶板或侧面位置。3四电房屋电气设备火灾初期抑制3.1

四电房屋常用灭火设施存在的问题目前铁路中型及以上车站通信机房、信号机械室、10kV及以上变配电所的控制室等通常设置七氟丙烷自动灭火装置，隧道四电设备洞室内常用七氟丙烷或超细干粉自动灭火装置。七氟丙烷灭火效率比较高，且不含导电介质，灭火后不留痕迹，目前广泛应用于铁路四电房屋等场所。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3350，这是该灭火剂的环保缺陷[4]。2016年，我国在卢旺达签署了《基加利协议》，承诺在2024年前冻结使用以七氟丙烷为代表的氢氟烃类（HFCs）灭火剂[5]，限于此，七氟丙烷无法长期使用。超细干粉灭火后有残留，不仅很难清理，还可能对设备造成污染，且由于其粉状药剂喷射后会遮住灭火人员的视线，对现场人员的呼吸造成严重影响，极不利于后续灭火处理工作。3.2

全氟己酮灭火剂的特点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（4%～6%）[6]、降温速度快、灭弧和绝缘性强、环保洁净、安全系数大（NOAEL＞10%）、不导电、无残留等特点（见图2），具有对电子精密设备无损伤等优势。常温常压下为透明、无色、无毒液体，释放后遇热（49℃）迅速氣化，吸热降温灭火，可扑灭A、B、C、E、F类火灾。全氟己酮在常温下为液体，特别适用于灭火后不能有二次污染及有人值守的火灾场所，可采用全淹没或局部淹没灭火系统。3.3

全氟己酮灭火系统的使用场景和方式结合目前国内全氟己酮的使用情况和实验分析，该系统适用于中小空间场所，尤其是局部空间[7]。对于铁路四电设备房屋，尤其是无人值守设备房内的高低压配电柜、UPS设备机柜、电源控制柜、通信机柜、信号机柜、蓄电池架柜等。可以采用设置在柜体外侧的探火管式全氟己酮灭火装置，也可以采用专门针对小型和特定空间进行火灾防护的非储压式全氟己酮灭火装置。非储压式灭火装置可以快速便捷地安装在配电柜或机柜内，通过外置的感温磁阀组件测量感知柜内温度，达到触发条件后感温磁阀动作，产生电信号，启动装置并喷放全氟己酮。整个装置采用无源的方式，无需外接电源，对机柜内原装置无干扰，可保障原配电柜的正常运行。装置动作、喷放后，机柜内无污染物残留，只需更换一个新灭火装置即可，使用维护便捷。4结束语铁路四电房屋电气火灾隐患主要来源于房屋内的高低压电器柜和机柜等，通过在机柜内的局部空间装设高灵敏度的热解粒子式电气火灾监控探测器，对电气柜或机柜内烟粒子和空气粒子浓度进行日常探测，在电气设施异常且形成火灾之前，粒