1 引言

矿区供电系统是矿山安全生产的命脉，而高低压配电柜与变电室作为电能分配与控制的核心枢纽，其运行安全直接关系到整个矿区的生产秩序与人员安全。由于矿区环境特殊，电气设备长期面临高负荷、高湿度、高粉尘等多重挑战，火灾风险始终是矿区安全管理的重点与难点。近年来，随着矿山自动化、智能化建设的深入推进，对供电系统的可靠性与安全性提出了更高要求，传统人工灭火方式已难以适应现代矿区的安全需求。因此，设计与应用高效、可靠的自动灭火系统，实现火灾早期预警与快速扑救，成为矿区电气安全领域的重要研究课题。

本文旨在系统分析矿区高低压配电柜与变电室的火灾特性，全面探讨自动灭火系统的技术原理、设计要点与应用方案，并结合实际案例验证其有效性，以期为矿区供电系统的消防安全保障提供理论参考与实践指导。

2 矿区配电系统火灾特性与防控挑战

2.1 火灾风险特性分析

矿区供电系统中的高低压配电柜与变电室具有独特的火灾风险特性，主要表现在以下几个方面：

电气设备密集：高低压配电柜内部集中了断路器、隔离开关、互感器、保护装置等大量电气设备，连接点多、电流大，长期运行易因接触电阻增大导致局部过热，进而引发绝缘老化甚至短路火灾。特别是在峰值负荷期间，这种风险尤为突出。

环境条件恶劣：矿区环境中粉尘含量高、湿度大，且存在腐蚀性气体，这些因素会加速电气设备绝缘性能劣化，导致爬电距离缩短、绝缘强度降低，形成潜在的点火源。同时，有限空间内的通风散热不畅，进一步增加了火灾概率。

火灾蔓延迅速：配电柜与变电室内部含有大量电缆、绝缘材料等可燃物，一旦起火，火势会沿着电缆沟槽和线路管道快速蔓延，形成立体火灾，扑救难度极大。

二次危害严重：电气火灾不仅造成设备损坏和生产中断，还可能引发连锁反应，导致整个矿区供电系统瘫痪，造成巨大的经济损失和安全事故。

2.2 消防挑战与特殊要求

矿区配电系统自动灭火面临诸多特殊挑战，这些挑战决定了其消防设计不能简单套用常规方案：

空间结构复杂：配电设备排列紧密，柜体内部存在多个独立隔室，灭火剂难以全面覆盖所有危险区域，特别是在电缆夹层、母线通道等隐蔽空间，火焰探测与剂体穿透都面临技术难题。

电磁干扰严重：配电室内存在强电磁场，对火灾探测与控制系统的稳定运行造成干扰，要求消防设备必须具备良好的电磁兼容性（EMC），避免误动作或拒动作。

不间断运行要求：矿区供电系统需要24小时连续运行，火灾防控系统必须能够在不停电的情况下完成预警与灭火任务，且灭火过程不应导致二次停电事故。

防护等级要求高：矿区环境中的粉尘、潮湿因素，要求灭火系统组件必须达到相应的防护等级（如IP65），确保在恶劣条件下可靠工作。

面对这些挑战，矿区配电系统自动灭火需要采取"早期预警、快速响应、针对性扑救"的综合防控策略，以实现火灾风险的最小化。

3 自动灭火系统关键技术

3.1 温度传感与烟雾探测技术

火灾早期探测是自动灭火系统的关键环节，针对矿区配电系统的特点，主要采用以下探测技术：

分布式温度监测：通过在配电柜内关键部位布置数字温度传感器（如EW310型），实时监测母线连接点、断路器、电缆接头等易发热部位的温升情况。这类系统能够实现温度趋势分析，在温度异常升高但未达到燃点时即发出预警，变被动灭火为主动预防。

线型感温探测：在高压开关柜等电场强度高的区域，线型感温电缆可沿柜内布置，连续监测整个路径上的温度变化，特别适用于电缆夹层、母线槽等长距离区域。

烟雾探测预警：采用光电感烟探测器监测柜内燃烧产物，但对于粉尘较大的矿区环境，需选择具有防尘补偿功能的型号，避免因粉尘积累导致的误报警。

复合式探测技术：现代矿用配电柜越来越多采用温烟复合探测器，同时监测温度与烟雾两种参数，通过多参数融合算法提高火灾识别可靠性，大幅降低误报率。

3.2 气体灭火系统

气体灭火系统以其灭火高效、绝缘性好和不留残留等优点，成为矿区配电系统最为广泛应用的灭火方式之一：

七氟丙烷灭火系统：作为哈龙替代品的洁净气体灭火剂，七氟丙烷通过化学抑制作用中断燃烧链式反应，灭火浓度低，对设备安全。研究表明，优化七氟丙烷喷头结构可有效减少电场畸变，避免绝缘击穿风险。该系统适用于保护体积较大、隔间较多的变电场所，可采用有管网系统实现多区保护。

六氟丙烷灭火系统：在柴里煤矿6kV变电所应用中，六氟丙烷自动灭火器与温度超温报警装置联动，实现了"预防与控制一体连锁"，大大提升了变电所电气设备的可靠性与安全性。六氟丙烷在常温常压下为液态，便于储存和运输，喷射后汽化迅速，能快速淹没整个防护区。

二氧化碳灭火系统：通过窒息作用扑灭火灾，二氧化碳具有良好的电绝缘性，灭火后不留残留，不会损坏电气设备。如在某矿用配电柜设计中，采用高压二氧化碳灭火剂，通过管道输送至柜内各个保护区，并在释放的同时启动封闭组件阻断空气进入，实现高效灭火。

全氟己酮灭火系统：作为一种新型环保灭火剂，全氟己酮的全球变暖潜能值(GWP)远低于传统氟代烃，且毒性低，适用于有人场所。其灭火机理兼具吸热冷却和化学抑制双重作用，在较低浓度下即能有效扑灭电气火灾。

3.3 干粉灭火系统

干粉灭火系统在矿区配电消防中也占有重要地位，尤其适用于初期火灾和局部应用保护：

超细干粉灭火技术：通过化学抑制和窒息双重机制灭火，干粉灭火剂可有效扑灭带电设备火灾。现代超细干粉具有粒径小、流动性好、灭火效率高等特点，能快速弥漫至整个空间并形成均匀的灭火浓度。

自动触发装置：如某低压配电柜自动灭火装置采用电磁阀控制的干粉储罐，当控制器接收到火灾信号后，立即打开电磁阀，干粉通过管道输送至喷洒装置，直接喷向火源。这种系统响应迅速，从探测到灭火剂释放通常在10秒内完成。

模块化设计：新型干粉灭火装置采用预制模块，将灭火剂储存容器、释放装置和控制系统集成在一个箱体内，结构紧凑，安装便捷，特别适用于现有配电柜的消防改造。

3.4 智能控制与预警系统

现代自动灭火系统已从单纯的灭火功能向智能预警、联动控制的综合消防方向演进：

多传感器信息融合：先进的消防控制系统通过融合温度、烟雾、火焰甚至气体浓度等多种传感器信息，运用智能算法准确判断火情，避免单一传感器误报导致的系统误动作。

分级预警机制：系统设置多级报警阈值，如温升预警、报警确认和灭火启动，实现分阶段响应，既保证了早期干预的机会，又避免了不必要的灭火剂释放。

远程监控与控制：基于工业物联网的自动灭火系统可将火灾报警信息、设备状态数据实时上传至地面监控中心，实现远程监测与控制，大大提升了系统管理效率。

自诊断与冗余设计：高端灭火控制系统具备自诊断功能，能定期检测传感器、线路和控制单元的工作状态，发现问题及时报警。关键部件采用冗余设计，确保在任何情况下系统都能可靠动作。

4 系统设计与实现方案

4.1 灭火剂选型与优化设计

灭火剂选型是自动灭火系统设计的核心环节，需综合考虑灭火效率、设备安全、环境适应性和经济性等多方面因素：

电气设备兼容性：选择灭火剂时，必须评估其对电气设备的兼容性影响。气体灭火剂如七氟丙烷、六氟丙烷等不会造成设备短路，且具有良好的绝缘性能，是保护精密电气设备的理想选择。而干粉灭火剂虽然灭火效率高，但可能对精密电器接点造成污染，需谨慎使用。

灭火剂用量计算：根据防护区容积、灭火剂设计浓度和环境条件，精确计算灭火剂需求量。以七氟丙烷为例，其设计浓度一般取7%-9%，需保证足够的浸渍时间，防止复燃。对于体积较小的独立隔间，可考虑使用无管网灭火装置；而对于保护体积较大或隔间较多的场所，则应设置独立钢瓶间的有管网系统。

释放方式优化：灭火剂的释放方式直接影响灭火效果。针对配电柜内部结构复杂的特点，可采用多点释放和梯度增压技术，确保灭火剂在柜内均匀分布，快速达到灭火浓度。例如，通过优化喷头结构，降低最大场强，可有效避免绝缘击穿风险。

环保与安全平衡：在满足灭火要求的前提下，优先选择ODP（臭氧消耗潜能）为零、GWP（全球变暖潜能）较低的灭火剂，如全氟己酮等新型环保产品。同时，考虑灭火剂在高温下可能产生的分解产物及其毒性，确保人员安全。

4.2 分区防护与联动控制设计

科学的分区防护与联动控制是确保自动灭火系统有效运行的关键：

分级防护策略：根据矿区配电系统不同区域的火灾风险等级，采取分级防护策略。对于高压开关柜、变压器等高危区域，采用全淹没式灭火系统；对于低压配电柜、控制室等区域，可采用局部应用系统；对于电缆隧道、夹层等特殊区域，则考虑安装自动喷雾系统。

防火分隔设计：在配电柜内部设置防火隔板，将不同电压等级的电缆、电器元件隔离开来，以阻止火势蔓延。同时，配电柜的进线口、出线口等应使用防火材料进行封堵，形成完整的防火分隔。

联动控制逻辑：设计合理的联动控制逻辑，当某一防火分区发出火警信号时，系统自动启动相应防护区的灭火装置，同时联动关闭通风系统、切断非消防电源等，形成全方位的防火保护。例如，柴里煤矿变电所的超温预警与自动灭火系统就实现了"监测-报警-灭火"一体化联动。

手动/自动转换：系统应设置手动/自动转换功能，在正常情况下处于自动状态，在设备检修或维护时可切换至手动状态，避免误动作造成损失和生产中断。

4.3 结构设计与安装要点

自动灭火系统的结构设计与安装质量直接关系到系统的可靠性与有效性：

喷头布置优化：根据配电柜内部结构特点，合理布置灭火剂喷头，确保喷放覆盖无死角。例如，可在柜体顶部、中部和底部设置多组喷头，形成立体灭火网络。对于有多个隔室的配电柜，每个隔室都应设置独立的喷头。

管道设计与安装：灭火系统管道应遵循最短路径原则，减少弯头和接头，降低压力损失。管道材质应满足强度要求和环境耐受力，安装时需采取可靠的固定措施，防止机械振动导致接头松动或管道破裂。

探测器的定位与安装：火灾探测器的安装位置应避开强电磁干扰源和通风口，确保能够及时、准确地探测到火情。感温探测器应安装在易过热部位附近，感烟探测器则应布置在烟雾可能经过的路径上。

系统接地与屏蔽：在强电磁场环境中，灭火系统的控制线路和信号线路必须采取良好的屏蔽措施和接地设计，防止电磁干扰引起系统误动作或损坏。

5 应用案例与效果分析

5.1 典型应用场景分析

不同矿区配电环境的自动灭火系统应用呈现出各自的特色与创新：

高压开关柜灭火系统优化：针对传统高压开关柜灭火存在的问题，某研究团队通过优化灭火剂喷头结构，有效降低了最大场强，避免了绝缘击穿风险。通过真型开关柜火灾模拟试验，基于温度场分布确定了灭火装置的最佳启动阈值，并探索了灭火剂类型与用量的优化配置，建立了完整的高压开关柜自动灭火系统。试验结果表明，该系统灭火快速有效，大幅提升了开关柜的消防安全水平。

煤矿井下变电所自动防灭火系统：霍州煤电庞庞塔煤矿井下变电所实施的自动防灭火系统，实现了地面远程监测监控，推动了防灭火工作与煤矿智能化建设同步发展。该系统不仅提升了煤矿井下变电所的安全运行水平，还保障了矿井正常安全生产，对于智慧矿山建设具有积极的实践意义和推广价值。

矿用配电柜自动感应灭火装置：一种新型矿用配电柜自动感应灭火装置采用二氧化碳灭火器和封闭组件协同工作的设计。当电器设备起火时，烟雾传感器检测到烟雾信号，启动泵体将二氧化碳灭火器内的灭火剂导入防护区；同时，封闭组件将侧壁面室进行封闭，阻断空气进入，通过两方面协同作用提高灭火效率。

6kV变电所超温预警与自动灭火系统：柴里煤矿创新设计的温度超温报警装置和六氟丙烷自动灭火器，不仅对要害地点实施自动灭火，同时变被动为主动，动态实时显示各要害地点的温度，超限时自动报警。此系统实现了变电所火灾的预防与控制一体连锁，大大增加了变电所电气设备的可靠性与安全性，减少了变电所火灾隐患。

6 结语

矿区高低压配电柜与变电室自动灭火系统的设计与应用研究，是保障矿山供电安全乃至整个生产系统可靠运行的重要课题。本文系统分析了矿区配电系统的火灾特性与防控挑战，全面探讨了自动灭火系统的关键技术、设计要点和应用方案，并通过实际案例验证了其有效性。

研究表明，针对矿区特殊环境设计的自动灭火系统，融合先进的火灾探测技术、适宜的灭火剂选择、科学的系统设计和智能的控制策略，能够有效解决传统消防方式的不足，实现矿区电气火灾的早期预警和快速扑救，为矿山安全生产提供有力保障。

随着技术的不断进步，矿区配电系统自动灭火将朝着更加智能化、精准化和人性化的方向发展，为矿山安全生产构筑更加坚实可靠的防火墙。未来研究应重点关注多技术融合、环保灭火剂开发和系统集成优化等方向，不断提升自动灭火系统的综合性能，以适应矿山现代化发展的安全需求。