何勇军，易 欣，王伟峰，康付如，陈炜乐，胡 震
（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 711054；
2.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 711054；
3.四川警察学院 治安系，四川 泸州 646000）
“碳达峰”和“碳中和”的发展思路作为国家重大战略目标，利用大数据、物联网等技术建立煤矿智慧矿井势在必行[1-2]。然而随着当前经济的快速增长，煤矿机械化程度越来越高，对煤矿智能电气化程度的需求逐渐加大，煤矿井下发生外因火灾的数量也逐年增多，特别是井下变电站着火、配电点着火、电缆着火以及电气设备着火等电气火灾事故。煤矿井下环境复杂多变，用电设备种类杂、数量多且较为分散，电缆线路较长，因此电气火灾具有隐蔽性强、随机性高、燃烧速度快、扑救难度大以及损失程度大等特点[3]。一旦发生电气火灾，就会借助电缆、设备、风流、瓦斯及煤尘等引起连锁反应，造成电气设备损坏，烧毁生产设备、改变矿井通风状态、井下内部环境污染以及人身伤害等，不仅会影响井下的电气安全，也有可能引发二次燃烧爆炸灾害事故，影响整个矿井系统的安全。例如广西二塘煤矿死亡30 人的变电所火灾、湖南立胜煤矿“1.5”死亡34 人电缆火灾、吉林万宝煤矿“12.6”死亡34 人绞车房火灾等重特大电气火灾事故，给煤矿企业带来巨大经济损失并造成严重的社会影响。因此，智能监控和灭火技术对煤矿井下电气火灾防治具有重要的意义。为此，对煤矿井下电气火灾成因进行分析，总结当前电气火灾智能监控和灭火技术基础上，提出未来技术发展的研究导向和工作重心。
煤矿井下供电系统包括各类变电所、配电点以及各类阻燃电缆，其中变电所又包括中央、分区、采区以及移动防爆变电所等。对煤矿井下电气火灾事故原因分析发现，电气线路短路、过负荷、漏电以及接触不良等电气故障等是引发电气火灾的主要成因[4-5]。这些电气故障从输电线路的局部过热开始，产生高温或电火花，自身绝缘层被点燃的同时，引燃周围可燃、易燃物，从而引发火灾，加之煤矿井下环境复杂，遇到瓦斯或煤尘积聚，极易引发二次灾害事故。
首先，电路短路故障是导致电气火灾的最主要原因，输电线路或电气设备发生短路时，短路电流能够高达额定电流的几十倍，热量在短时间内快速积聚形成危险温度；
其中电弧性短路故障点产生了高压，但电流较小被难以察觉，故障电弧会累积能够产生近3 000 ℃的高温，熔化绝缘层并引燃周围可燃物。其次，煤矿井下线路负载极限设计较低，随意在线路中增加设备，超负荷运行；
线路的维护、保养、检修不到位，线路绝缘层老化严重等都是引起线路过负荷的具体原因。煤矿井下漏电现象的发生范围较广，且不易被发觉，也是引发井下电气火灾的重要原因之一，煤矿井下导线长时间带电运行、使用环境潮湿易腐蚀、绝缘层的机械损伤以及电气设备对地绝缘损坏等都会造成漏电电气故障。此外，煤矿井下电缆之间、电缆与电气设备之间接触不良、井下电气设备安装使用不当以及工作电火花都易引发电气火灾。
对于煤矿井下电气火灾智能监控技术，通常采用的是变电站电气监控系统，既能实现对井下变电站及用电设备的电气故障监测，又能发出报警信号。此外，为了满足未来智慧矿山建设的需要，电气火灾巡检机器人能够有效解决传统人工巡检的难题，应用于复杂、特殊的井下环境，能够对煤矿井下电气火灾智能检测和报警。除此之外，对于电气火灾监控系统和巡检机器人无法监测报警的特殊部位和场所，比如易发热的母线接头、小型配电柜等，可以采用特殊的点式传感器进行监测预警，采集分析温度、气体成分等特征信息。下面将重点介绍智能变电站电气监控系统和电气火灾智能巡检。
2.1 变电站电气监控系统
变电站作为煤矿井下配电侧和用电侧极为重要的枢纽，是整个煤矿配电系统的核心部位，也是保证井下可靠运行、实现智慧电网的根本。煤矿井下工况条件特殊，电压稳定性较差、电磁干扰强、电气线路长，发生电气火灾概率较大，对电气设备的安全运行要求高，这使得煤矿井下变电站电气监控区别于普通的监控系统，通过对电气设备的状态进行监测监控，有效预防煤矿井下电气火灾的发生。早期的井下变电站电气监控系统，主要是通过手持各类检测仪器对设备状态参数进行监测，再通过井下电话进行数据上报，这种人工方式费时费力，不仅影响检测人员人身安全，也不利于工作人员及时进行故障维护；
进入20 世纪欧美国家最早提出变电站自动化系统，后续国际电工委颁布了自动化变电站的通信网络和系统标准（IEC61850），自此各国对矿井电力监控系统的研究发展迅猛；
21 世纪初，微机、微电子、仪用变压器、智能合并单元等关键技术越发成熟，让煤矿井下变电站智能无人化监测逐渐变为现实，基本可以实现井下电气故障监测信息以工业以太网传输网络进行互联互通[6-8]。早期变电站电气监控系统构架图如图1。
图1 早期变电站电气监控系统构架图Fig.1 Framework diagram of early substation electrical monitoring system
2000 年大柳塔煤矿采用3 层网络技术、Control Logix 平台技术，依托矿井综合自动化系统，通过在井下变电站开关柜装配PM3000、FLEX 等智能元件实现变电所“三遥”功能，从而实现煤矿井下全国首例无人变电所[9]。2003 年兴隆庄煤矿井下变电所采用CAN 总线方式电气监控系统[10]；
2005 年钱家营矿较早引入KJ118 型矿用变电所远程监测监控系统，采用10 M/100kB 以太网为局域网进行监测数据传输[11]；
2006 年鲍店煤矿煤对矿井下采区变电所采用CAN 总线的电气监测监控系统，能够对采区变电所进行电气监控，现场信号遥测、远程监控遥信、开关断路器的遥控和遥调，有电气故障定位和报警功能，也基本实现了无人值守[12]。2009 年，阳煤三矿采用100 M 工业以太网变电所远程监控系统，有效保障了煤矿井下供电系统的安全稳定[13]。此外，还有大量的研究人员研发出基于ARM、PLC、RS485、CNN 总线和工业以太环网的井下变电所电气监控系统，提高了煤矿井下电气安全性、可靠性[14-17]。
近年来，随着计算机软硬件技术、网络宽带技术、视频信息处理技术以及智能化电子设备的快速发展，煤矿井下变电站电气监控系统越来越智能化、无人化，煤矿智能变电站应运而生，对智能变电站的电气监控系统的研究也在飞速进步。煤矿井下智能变电站电气监控系统网络构架如图2。
图2 煤矿井下智能变电站电气监控系统网络构架Fig.2 Network framework diagram of electrical monitoring system of underground intelligent substation in coal mine
聂立功等[18]以GIS 数据建模、多世界空间关联表达和面向对象GIS 系统等关键技术，研发出煤矿井下变电所智能电力监控系统，有效定位电气故障源；
林楠[19]搭建了基于PSC 技术的煤矿井下供电监控系统，具有对井下变电站的遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的“五遥”功能；
张红涛[20]以Petri 网技术为基础，开发了一种煤矿采区变电所供电系统故障诊断技术，能够对井下电气故障区域和元件精确定位判断；
李亚东[21]通过机器视觉技术识别煤矿变电所的运行状态，设计出煤矿变电所电气监测软件系统，可对变电所运行状态进行监控并自动报警；
骆建营等[22]研发了煤矿井下中央变电所分布式电气监控系统，具有智能化电气设备电气状态监测和故障预警功能，能够对下行设备遥感控制、上行数据融合转发，保证系统的应用时效性和数据安全性；
何伟等[23]基于Lab-VIEW 技术，设计出以光纤通信CAN 转485模块传输的煤矿井下电力监控系统，实时全天候在线监测监控井下变电所、配电点各开关的故障状态并自主报警；
倪少军等[24]采用电力监控环网和CAN 总线环网的2 级环网设计，提出针对井下变电所的智能分布式防越级保护系统；
方崇全[25]开发出了监控分站冗余的井下供电电气监控系统，能提高井下变电站监控系统的可靠性；
2019 年5 月，赛蒙特尔煤矿成功完成KJ90X 电气安全监控系统的升级验收[26]，提升了煤矿井下变电站安全预测预警能力。
对于煤矿井下智能变电站电气监控系统的研发与应用较为广泛和丰富，系统通常是采用工业以太环网进行总线传输，但仍存在数据传输效率低、信息孤立、可维修性不强、无法统一接入、可靠性不稳、通信时效性差等问题，对智能变电站需求的自动化、无人化、智能化还有差距。
2.2 电气智能火灾巡检
煤矿井下用电环境较差，高湿度、高温度、复杂气体环境等严重威胁着电气设备的可靠运行；
此外，井下变电所等场景属于典型串联特征，单一故障点将会影响整个系统的运行，对煤矿生产产生重大影响。然而当前对绝大多数煤矿井下变电所、配电点以及电缆进行巡检仍然采用的是人工方式，人工巡检工作时效性差、安全隐患高，且不能对数据进行智能分析。煤矿井下机器人，作为未来建设智慧矿山的重要支撑保障设备，对煤矿的安全生产、日常检修以及应急救援发挥着重要的作用[27]。煤矿井下电气火灾巡检机器人，属于安控类机器人，能有效解决传统人工定时巡检的难题，应用于复杂、恶劣的工作环境。这类巡检机器人通常具有自主行走、导航定位、人机交互、图像识别以及火灾报警等功能。
美国TCR 公司在1989 年较早的研发出了一款应用于高压输电线路的巡检机器人，能够按照设计的线路对设备进行巡检[28]；
日本本田公司基于视觉识别设计出一款变电站电气火灾巡检机器人，通过3D 视觉识别地图影像对机器人导航定位[29-30]；
A Birk等[31]设计出搭载红外摄像头的固定轨道巡检机器人，并在变电站现场得到成功测试；
2001 年，山东电力设计院设计研发了我国第1 台应用到变电站的巡检机器人，集合了多传感器、定位导航等技术，并装载红外热成像探头，对变电所用电设备进行全天候巡检[32]；
在2010 年，重庆电力设计院成功研制出了第二代变电站巡检机器人，其巡检功能有了较大的提升[33-34]；
之后，我国的科技公司针对巡检机器人展开了大量的研究，如中科院沈阳自动化研究所以及浙江国自机器人技术有限公司等[35]。
对于煤矿井下工作面电气火灾的巡检，我国已经有一些煤矿使用了巡检机器人。黄陵一号煤矿的综采工作面采用集红外热像仪和高清摄像仪的巡检机器人；
神南柠条塔煤矿在工作面的带式输送机沿线设置有巡检机器人，能够采集现场的温度、声音、图像等，并分析上传数据[36]；
大柳塔煤矿从2005 年开始，已经在井下变电所成功使用机器人实现智能无人巡检，使用的巡检机器人种类较多，有矿用轨道巡检机器人、矿用轮式巡检机器人和钢丝牵引绳牵引轨道式巡检机器人[37]；
李新等[38]基于虚幻引擎UE4 研发出煤矿井下变电所巡检机器人的孪生系统，其能够实现定时、定点巡检以及故障报警等功能；
裴文良等[39]研制了一款集数据采集、视频监控和故障报警功能的矿用巡检机器人，能够实现对井下变电站、水泵房等设备的智能巡检，高效代替了传统人工巡检；
毛浩等[40]设计了一款具备智能巡检煤矿井下变电所的机器人，能够采集变电所工作状态信息以及电气火灾预警，当巡检机器人收到异常信号时，进行多传感器信息融合，并发出警报火灾预警，并根据二维码视觉定位导航，自主到达故障点采集故障信息，拍摄现场照片，数据上传实现人机交互，该巡检机器人经过在张家峁煤矿现场应用示范，发现巡检效率和电气故障准确报警率都提高50%以上。
目前，对于煤矿井下电气智能火灾巡检，通常都是采用轮式、履带式以及轨道式巡检机器人，基本能够适应井下复杂工作环境。虽然巡检机器人已经进行了大量研发与小规模应用，但从整体来看，大部分研究应用仍处在起步探索阶段，巡检机器人行业标准和软硬件的开发未同步进行，距离全矿井电气故障智能无人巡检还有不小差距。
煤矿井下的变电所及各配电点的电气设备较多，电缆线路较长，为保证煤矿各类系统正常运行，用电设备长时间全天候不停运转，容易因为设备故障原因引起接触电阻过大和短路过热引发火灾。对于井下电气火灾灭火技术的选择，原则是不能对用电设备及线路造成二次损伤，重点关注灭火场景、灭火效果及系统安全性等几个方面。当前对于井下电气火灾灭火技术有气体灭火系统和细水雾灭火系统，除此之外，对于煤矿井下封闭空间、受限空间以及电气设备内部等地方，可以采用微胶囊灭火技术。
3.1 气体灭火系统
对于复杂的煤矿井下环境和电气火灾特点，气体灭火系统是扑灭电气火灾的首选。该系统是采用高效洁净的气体灭火剂进行灭火，灭火剂常以液相、气相或者气液共存相态的形式储存在压力容器中，根据灭火剂的不同，能够应用到煤矿井下电气火灾的气体灭火系统有：七氟丙烷灭火系统、IG-541 灭火系统、二氧化碳灭火系统、气溶胶灭火系统等，通过对4 种灭火剂性能分析发现，每种气体灭火系统都有各自的优缺点，应用条件和范围也不仅相同。4种气体灭火剂性能对比见表1。
表1 4 种气体灭火剂性能对比Table 1 Performance comparison of four gas fire extinguishing agents
七氟丙烷灭火系统采用的是七氟丙烷灭火剂，属于含碳、氟和氢的化合物，具有低毒、不导电、热稳定等特点；
系统利用灭火热分解产生的氟自由基切断燃烧链式反应，并伴随着物理灭火作用，电气火灾灭火设计浓度低、灭火效率高，灭火过程不会对电气设备造成损伤。张晋等[41]通过全尺寸封闭空间电气火灾模拟实验，对常温、低温状态下的七氟丙烷灭火系统进行灭火效能测试，发现七氟丙烷灭火系统能够对电气火灾进行全淹没灭火，灭火效果显著；
倪震楚[42]通过对外储压七氟丙烷灭火系统的系统选型、参数设计及灭火实验，成功将该系统应用到数据机房中；
Yong-Taek H[43]将七氟丙烷灭火系统应用到封闭空间电气火灾，发现系统的窒息、降温效果较为理想，且灭火残留物不会对电气设备本身造成二次伤害。
IG-541 气体灭火系统采用的是52%N2、40%Ar、8%CO2构成的混合灭火剂，无腐蚀性、释放无残留、电绝缘性好，大气存留时间段；
IG-541 气体灭火系统主要是利用物理灭火作用，通过将防护区内的氧浓度降低到15%以下中断燃烧或缓慢熄灭；
因此，对于煤矿井下不需要人员值守的用电场所或用电设备内容设备可以采用IG-541 气体灭火系统。刘松涛等[44]通过对某改造机房电气火灾FDS 数值模拟，分析火灾热释放速率、温度、气体浓度等参数，表明IG-541 气体灭火系统对通信数据机房的灭火性能较好；
李晶晶[45]结合工程实际分析大型数据中心的消防系统设计，通过对输送距离、系统计算、灭火效果、环境影响以及泄压阀安装等几个因素对比，IG-541 系统的适应性、安全性和可靠性均优于其他气体灭火系统；
周黎[46]综合分析对比七氟丙烷灭火系统、IG-541 灭火系统以及新型高压细水雾灭火系统在安全性、环保性、可维保性等方面，确定IG-541灭火系统最适合地下空间的电气火灾防治，并给出管网的系统设计方案。
二氧化碳作为一种常用的气体灭火剂，常温常压下为气态，在煤矿井下容器中的二氧化碳是以气液两种相态共存；
二氧化碳灭火系统进行灭火时，由于压力的急剧降低，二氧化碳吸热热量迅速气化转为气相快速分散，降低火场温度并降低氧气体积分数；
当煤矿井下变电所的油浸变压器发生故障时，会发生电弧闪络，易点燃变压器油发生火灾，采用二氧化碳灭火系统能有效扑灭火灾。张晋等[47]通过火灾相似模拟实验研究二氧化碳灭火系统对电气火灾的灭火能力，发现二氧化碳灭火系统能够对较小受限空间内进行全淹没灭火，灭火效能较好；
黄文强等[48]对110 kV 主变压器室进行二氧化碳灭火系统设计，表明二氧化碳灭火系统稳定性高、维修方便且灭火效能好，能够适用于变压器电气火灾。
气溶胶灭火系统采用新型气溶胶灭火剂，分为K 型和S 型，能够在高温条件下发生分解反应产生分散性溶胶，依靠化学抑制和冷却降温作用，覆盖物体表面隔绝氧气高效灭[49]；
这种超细粉体灭火系统广泛应用于地下综合管廊、电池舱、发动机舱等火灾场景[50-52]。田珍等[53]在变电站电缆夹层的电气火灾防治中采用气溶胶灭火系统，并通过工程实例提出了系统的设计方法，表明气溶胶灭火系统造价低、灭火性能高又环保，在智能变电站电缆夹层火灾扑救中有明显的优势。然而，GB 50370—2005 气体灭火系统设计规范中，专门强调K 型灭火剂自身存在腐蚀性，明确了K 型灭火剂的使用条件，只能用于电缆隧道（夹层、井）及自备发电机房的电气火灾；
对于S型灭火剂，其灭火装置的规模不得超过10 kg，因而气溶胶灭火系统的使用只能是较小空间。
总体来看，煤矿井下电气火灾气体灭火系统中，IG-541 和二氧化碳灭火系统的灭火效能总体较好，但存在窒息性，对人身安全构成威胁；
低毒性的温室气体七氟丙烷灭火剂也将在2024 年开始限制使用；
气溶胶灭火系统灭火时会减小保护空间能见度，减低人员逃生速度，适用范围较小。因此需要根据煤矿井下实际工矿环境，结合各系统优缺点，科学合理选择气体灭火系统。
3.2 细水雾灭火系统
“细水雾”是相对于“水喷雾”而言，雾滴直径小于300 μm 的小水滴。细水雾灭火系统通过汽化吸热降温、稀释氧化剂、阻隔热辐射等作用进行灭火，具有灭火高效性、环保性及低成本的特点，同时直径小、不连续的细水雾具有良好的电绝缘性和滞空性，对煤矿井下的电气火灾效果较好[54]。邓东等[55]研发了一种固定式高压单相流细水雾灭火系统，通过相似模拟实验表明该系统电绝缘性高、滞空性好，对电气火灾能够进行全淹没灭火，火灾复燃性较小；
陈强等[56]以一典型户内110 kV 变电站为研究对象，详细介绍了细水雾灭火系统的设计方法及相关原则，并将系统与其他监测预警设备进行联合设计，有效提升了变电站的防火能力；
高晓华等[57]对某220 kV 全地下变电站主变压器及电抗器的本体和散热器均采用水喷雾灭火系统测试，发现该系统比水喷雾系统在各方面都存在优越性，能够解决煤矿井下水源不足、消防水泵高冲击力和井下变电站消防排水等问题；
伍思繁等[58]利用FDS 仿真软件研究细水雾对封闭空间变电站内柴油池火、喷雾火及两者的组合火灾的灭火过程，发现对于封闭环境下使用粒径为200 μm 及以下的细水雾，能快速灭火、防止火灾蔓延。可以发现，虽然细水雾存在电绝缘性，可以扑灭电气火灾，但细水雾灭火系统自身管网压力需求较高，系统设计较为复杂，在煤矿井下现场应用中应用较少，因此对细水雾灭火系统用于煤矿井下电气火灾防治的可行性、系统设计及灭火效能等方面还需要展开大量的研究。
3.3 新型微胶囊灭火技术
微胶囊技术开始于20 世纪中期，并随着高分子聚合技术问世得到了迅速发展和应用[59]。微胶囊是通过一定的物理或化学方法用高分子材料将敏感或易挥发的小液滴、固体小颗粒包覆形成的微小囊状物，包覆在胶囊内部的固体或液体物质称作芯材或核层，由高分子材料形成的包覆膜称作壁材（或膜、壳、囊壁、包膜等）[60-61]。目前，微胶囊灭火技术已在消防领域得到较为广泛的应用，主要是对利用微胶囊技术对灭火剂进行改性。微胶囊的主要功能有改变芯材的物理性质、提高芯材的稳定性、控制芯材的释放、隔离组分、隔绝气味以及降低芯材的毒副作用等，具备高效率、精准定向、智能调控等优异的控释特点[62]。Lee 等[63]通过对配电间及电气柜等小空间电气火灾进行研究，发现采用微胶囊灭火剂能够在4.48 s 的时间扑灭电气火灾，微胶囊灭火剂在电气火灾中的适应性较强，灭火效率高；
Zhang W 等[64]以三聚氰胺-脲醛树脂为壳材，全氟（2-甲基-3-戊酮）和七氟环戊二烯为芯材，制备了一种新型核壳结构的微胶囊灭火剂；
Yim T 等[65]制备出含有灭火剂的温度响应微胶囊；
Vilesov A D 等[66]通过添加蒙脱土的纳米颗粒，制备出含Novec-1230 的微胶囊，进行电气火灾灭火测试，证明该微胶囊对电气火灾的高效灭火效果; Lee 等[67]研发出一种含Novec-1230 灭火剂的微胶囊，并制成灭火贴，并应用到狭小封闭空间，能够有效抑制火灾的蔓延。微胶囊灭火技术作为一种新型火灾防治手段，在防治煤自燃方面已经有了较为广泛的应用，对应用到煤矿井下电气火灾研究还处在起步阶段，需要对微胶囊的制备工艺和系统灭火效能展开大量研究，并建立统一的国际及行业标准，为煤矿井下电气设备内部、封闭空间、受限空间等进行有针对性防灭火提供新的思路。
长期以来，国内外研究学者就煤矿井下电气火灾智能监控与灭火技术进行了大量的研究和探索，取得了丰硕的研究成果，但仍需要进一步发展完善，未来可以从以下3 个方向进行探索。
1）井下变电站智能监控巡检体系。依托智慧矿井建设背景，以人工智能、大数据、物联网、5G 等技术为创新驱动，结合煤矿井下点与面的电气火灾检测报警系统，加大无线智能巡检机器人研发，扩展巡检机器人多样化功能，实现与生产系统共融，达到智能监控巡检的导航简易化、数据多维化、监测多样化和操作自动无人化目标。
2）多系统融合的电气火灾灭火技术。由于电气火灾隐蔽性强、随机性大，在研究井下微胶囊灭火技术的基础上，需要结合传统灭火技术各自的特点，开发多系统融合的电气火灾灭火技术，对井下变电站、配电点、用电设备及电缆等电气火灾进行多维度、全方位控制。
3）综合智能监控与自动灭火系统。煤矿井下环境复杂，电气火灾易引发二次事故，传统技术难以实现智能监控和自动灭火，需根据煤矿电气火灾特点，研发实时综合智能火灾监控与自动灭火系统，将井下实时数据上传至地面，在地面可以实时稳定监控和下达控制指令，提升煤矿井下电气系统的安全性。
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