基于RTU装置的变电所电缆沟二氧化碳灭火系统研究

摘要：随着自动化与智能化建设不断推进，变电所已基本实现了无人值守，但变电所电缆沟因为其隐蔽性和空间受限，人工巡检困难，始终处于监控盲区，特别是发生火灾后难以察觉和及时扑灭，给变电所运行带来了巨大的安全隐患。本文基于RTU（远程测控终端）设计了一种广泛适用于变电所封闭电缆沟的二氧化碳火灾监控灭火系统，能够实现阻止电缆沟起火的功能，从而确保电缆沟运行环境的安全。

关键词：RTU、二氧化碳、灭火

一、引言

电缆沟作为变电所设备和主控系统的重要连接结构，是变电所运行控制系统的动脉和中枢神经，其重要性毋庸置疑。电缆沟在日常运行过程中极易发生老鼠等小动物进入电缆沟后咬伤电缆或顺电缆沟进入高压室开关柜造成短路起火，或是设备短路造成电缆超负荷运行熔断发生火灾，特别是毗邻油气区的站所电缆沟内，可能会因为可燃气窜入沉积发生闪爆事故。

对于电缆沟的防火，目前大部分变电所均未对电缆沟采取监控措施，仍然采用人工人工巡检的方式，效率低、效果差，对个别重要部位的电缆沟采用的是沟内填砂的方式，这种方式虽然能够有效阻止火灾的发生和小动物的进入，但防潮能力差，特别是需要对电缆沟进行维修改造敷设新电缆时工作量和工作难度增大。即使是个别采用了防火包灭火的电缆沟，也存在灭火效果不突出，灭火后灭火剂污染电缆沟内环境、难以清理的问题。

基于以上分析，很有必要重新设计一种新型电缆沟防火系统来解决上述问题。

二、电缆沟防火系统思路及实现方式

通过有关资料可以了解到，理论上当空气中的二氧化碳浓度达到62%就可以阻止包括氢气、乙炔、汽油等常见易燃易爆气体和有机物。因此可以通过向电缆沟内注入高浓度二氧化碳气体，实现电缆沟内灭火。

对于二氧化碳的注入有两种方式，一种是发现燃烧之后再注入二氧化碳灭火，另一种是预先在电缆沟注入二氧化碳阻止电缆沟内燃烧的发生。这两种方式各有优缺点，适用于不同的环境，以下作以分析说明：

1、发现燃烧后注入二氧化碳的实现方式：

在电缆沟内均匀安装烟雾传感器和温度传感器，当相同位置的烟雾传感器和温度传感器同时超出上限报警时，判定为该位置起火，打开二氧化碳储罐电磁阀并向该位置注入二氧化碳，当二氧化碳浓度达到设计阻燃浓度时停止注入，达到灭火目的。之后工作人员使用风机对电缆沟进行强制排风，排除沟内烟雾和二氧化碳气体。

该方式的优点是可以防止二氧化碳腐蚀电缆沟结构，此外无需对现有电缆沟机构做大的改动即可实现功能。缺点是由于起火点判断的精确度与沟内传感器布置的密度成正比，需要精准判断起火点需要布置大量传感器，对传感器等设备后期维护带来不便，影响系统的稳定性，另外由于只有电缆沟内燃烧发展到一定程度后传感器才能报警，灭火系统响应相比火灾发生时间点存在一定程度的滞后。

2、提前注入二氧化碳气体的实现方式：

在电缆沟各部位安装二氧化碳传感器，并提前注入二氧化碳气体，当沟内二氧化碳气体浓度不足时，二氧化碳储罐电磁阀打开并向沟内补充二氧化碳气体，长期保持沟内二氧化碳浓度处于设计灭火浓度，阻止沟内燃烧的发生。检修时再人工使用风机对电缆沟二氧化碳进行强排。

该方式的优点在于电缆沟内无需布置大量传感器，沟内在高浓度二氧化碳气体环境下不会发生起火燃烧，完全不存在灭火系统滞后生效的问题。缺点在于二氧化碳对电缆沟结构存在腐蚀，其中包括二氧化碳与沟内水蒸气反应形成碳酸后腐蚀沟内钢制电缆支架和接地扁铁；同时对电缆沟混凝土造成碳化，在提高混凝土表面强度的同时破坏混凝土结构中钢筋表面具有防腐蚀效果的碱性钝化膜，从而腐蚀混凝土结构中的钢筋骨架（在电缆沟中主要体现为对电缆沟盖板内钢筋的腐蚀，电缆沟沟体一般是砖砌结构，不存在该问题）。要避免二氧化碳气体的腐蚀，需要对电缆沟进行改造，对整沟粉刷防腐涂料。

从上述分析中可以看出来，两种方法适用于不同的环境。方式一适合沟内环境较差，如长期处于潮湿状态、沟内电缆布置较多难以进行防腐处理的电缆沟；方式二适合新建电缆沟和干燥易于粉刷防腐涂料的电缆沟。

三、系统结构及布置

在室外室内电缆沟中均匀布置烟雾传感器和温度传感器，当相同位置的烟雾传感器和温度传感器同时达到设定的上限值时，打开与其对应的电磁阀注入二氧化碳气体。在电缆沟内设置风机和排风口，当灭火结束后人工启动风机将二氧化碳气体和烟雾抽排出电缆沟。此外，为了保证人员安全，在高压室、主控室等室内空间安装二氧化碳报警器，防止室内二氧化碳浓度过高引起人员缺氧窒息。

此外在室内与室外电缆沟之间增加了隔板，主要是因为防止室外电缆沟因下雨进水倒灌进室电缆沟，室内电缆沟设计时沟口所处的水平面比室外电缆沟沟口水平面高，因此需要设置隔板防止室内电缆沟内二氧化碳气体从室外电缆沟中溢出，造成室内电缆沟始终需要补充二氧化碳气体的问题。

需要额外说明的是对于发现火灾后注入二氧化碳气体灭火的方式，在封闭较严的电缆沟环境下必须每隔一段设置一个释压口，防止二氧化碳气体大量涌入时沟内压力过高掀起盖板；对于预先注入二氧化碳气体阻燃的方式，在二氧化碳储罐出气端安装减压阀后无需再电缆沟再额外设置释压阀。

四、系统各部件及结构说明

二氧化碳储气罐的主要作用是储存压缩二氧化碳气体，在二氧化碳进气管电磁阀打开的情况下通过罐体内气体压力向电缆沟内填充高浓度二氧化碳气体，使沟内环境达到阻燃状态。储气罐的储气量应按照电缆沟容积进行计算，当储气罐内的气体无法在72小时内进行补充时，储气罐的储气量应至少是保护空间容积的两倍。以本文中某35kV变电所室外电缆沟为例，该变电所电缆沟主沟深1m、宽1m、长42.2m，辅沟深1m、宽0.8m、长128.7m，因此电缆沟总容积为：1×1×104.2+1×0.8×128.7=207.16 m3，因此储罐的理论储气量至少应为414.32m3。为了减少储罐占地面积，需要使用专用的压力容器储存液态二氧化碳，按照液态二氧化碳气化体积膨胀比约为1：500计算，储罐的容积约为1m3。

在发生燃烧之后注入二氧化碳气体的方式下，电缆沟进气口应布置在电缆沟的最上端，确保快速扑灭火灾；在预先填充二氧化碳气体的方式下，进气口布置在电缆沟下方，让二氧化碳气体利用自重将上方空气挤出电缆沟。

五、系统通讯控制模型

从前面系统的工作原理可出，无论是哪种灭火方式，均须将传感器获取到的数据作为是否启动二氧化碳管道电磁阀的依据。因此需要一个装置实时分析传感器的数据，并根据数据是否超出设定阈值，发出指令接通/断开控制电磁阀的继电器，从而实现监测、控制的功能。

以上功能可以通过单片机、PLC（现场可编程控制器）或是RTU（远程测控终端）装置来实现。在这三种方法中单片机成本最低、并且完全可以根据现场需求来灵活diy实现功能，难点在于对于设计者或是团队专业知识水平要求较高，需要有数字电路设计、硬件编程、软件编程的知识；PLC和RTU都可以实现本文中电缆沟灭火系统的功能，但RTU相比于PLC，具有更优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，并提供了更多的计算功能和更强的网络功能，在当前SCADA系统（数据采集与监视控制系统）中被广泛应用，因此本文中选用RTU作为系统通讯与控制的核心部件。

六、结论

基于RTU的电缆沟二氧化碳灭火系统具有较传统灭火方式自动化、智能化程度更高，以及更清洁环保的优势。该系统能够有效解决电缆沟火灾难以及时发现和扑灭的问题，保障电缆沟的安全运行。