基于华塘变主变消防系统改造而设计的新型“泡沫排油”灭火系统

基于华塘变主变消防系统改造而设计的新型“泡沫排油”灭火系统

杨元威 1 谢澄 2 蔡杰 3 牟广江 4 赵浩然 5

1.2国网福建省电力有限公司福州供电公司 福建省福州市 350009；3.国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 湖北省武汉市 430011；4.保定博为世能电气有限公司 河北省保定市 071051；5.河北农业大学 河北省保定市 071000

摘要: 目前，变电站主变储存变压器油量大，一般采用水喷雾（细水雾、泡沫喷淋、水和泡沫混合）灭火系统、排油注氮灭火系统、气体灭火系统等固定灭火系统。从实际灭火效果来看，这些固定灭火系统在控火、灭火等方面各有优缺点，但是很难起到真正消灭火源的作用。本文结合220kV华塘变2号主变固定灭火系统改造工程，提出了一种新型的“泡沫排油”灭火系统设计方案，提高了大油量主变运行的消防安全性能。
关键词：主变；灭火系统；排油注氮；泡沫喷淋；消防安全

A new type of "foam oil discharge" fire extinguishing system is designed based on the modification of fire fighting system of Huatang substation

ABSTRACT: At present, substation main substation storage transformer oil is large, generally use water spray (water mist, foam spray, water and foam mixture) fire extinguishing system, oil discharge nitrogen fire extinguishing system, gas fire extinguishing system and other fixed fire extinguishing system. From the actual fire extinguishing effect, these fixed fire extinguishing systems have their own advantages and disadvantages in fire control, fire extinguishing, etc., but it is difficult to really eliminate the fire source. Based on the renovation of the fixed fire extinguishing system of 220kV Huatang substation No. 2 main transformer, a new type of "foam oil discharge" fire extinguishing system is designed to improve the fire safety performance of the main transformer with large oil capacity.
KEY WORDS: main transformer; fire extinguishing system; oil discharge and nitrogen injection; foam spray; fire safety

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0　引言

油浸电力变压器异常运行时，铁芯可能产生持续的高温，当内部发生短路时可能产生过电压等，进一步引起内部电弧，从而释放出突发性短时高热能。当主变的内部油温大于300℃-400℃，变压器油就可能分解出甲烷、氢气等可燃气体，同时使变压器内部压力增大并在薄弱部位形成缺口，使油气混合物从缺口中喷出，喷出的油气混合物与空气或者变压器外壳摩擦后放电或者接触外部带电导体后着火，造成重大火灾事故。为避免出现火灾事故，变电站一般采用水喷雾（细水雾、泡沫喷淋、水和泡沫混合）灭火系统、排油注氮灭火系统、气体灭火系统等固定灭火系统。从实际灭火效果来看，这些固定灭火系统在控火、灭火等方面各有优缺点，但是很难起到真正消灭火源的作用。为进一步提高变电站的消防安全水平，本文提出一种新型“泡沫排油”灭火系统，其使用的泡沫灭火剂，通过水雾和泡沫的冷却、窒息、乳化、隔离等综合作用，特别适用于扑救流淌火灾，采用气体储压式瓶组作为动力源时，可以不需要消防水池和给水设备。

1　新型“泡沫排油”灭火系统改造需求分析

1.1　220kV华塘变2号主变简介

福州福清220千伏华塘变1号主变型号SSZ10-180000/220，于2011年10月由江苏华鹏变压器有限公司生产，其中变压器油重48.8吨，由于受到水源等条件的限制，现场配置了一套泡沫喷淋灭火系统。2号主变型号SSZ-240000/220，于2018年4月由保定天威保变电气股份有限公司生产，其中变压器油重73.1吨。由于之前已经设置的泡沫喷淋灭火系统泡沫液储罐容量不足，无法满足2号主变大油量的灭火要求，现场专门配置了一套排油注氮灭火系统，如图1所示。新接入的3号主变型号SSZ10-180000/220，于2019年8月由广州西门子变压器有限公司生产，其中变压器油重54.0吨，器身未预留排油注氮接口。

图1　华塘变2号主变排油注氮灭火系统示意图

1.2　新型“泡沫排油”灭火系统的必要性

变压器是变电站内最重要的设备，水喷雾灭火系统的变压器灭火试验和应用实践证明是有效的，根据相关规范也推荐使用水喷雾灭火系统或其他固定灭火系统（启动方式可靠的排油注氮灭火装置）。同时，华塘变2号主变油量大，约为1号主变油重的1.5倍，可燃物含量高，火灾危险性大，对周边建（构）筑物消防性能要求高。但是华塘变附近缺水、风大，灭火系统运行条件不良，所以在一期工程中选择了泡沫喷雾灭火系统。

图2　华塘变2号主变与建筑之间距离

当采用泡沫喷雾系统保护油浸电力变压器时，保护面积要按变压器油箱本体水平投影且四周外延1m来计算确定，同时泡沫混合液或泡沫预混液供给强度不应小于8L/（min·m²），供给时间不应小于15min。可见大油量变压器体积较大，所需要配备灭火剂量大，且15分钟后的后续消防力量未形成灭火战斗力，那么如何实现快速减少火灾现场可燃变压器油量就显得十分必要。

1.3　新型“泡沫排油”灭火系统的可行性

结合220千伏华塘变3号主变接入工程，需要给新投运的3号主变配置主变固定灭火系统。因3号主变外壳及器身上没有预留排油注氮管路接口，且1号主变已配置了泡沫喷淋灭火系统，同时给2号主变不停电新增泡沫喷淋灭火系统的管网难度不大，可将2号主变排油注氮灭火系统的注氮管路拆除、接口封闭后，实现两台主变均配置泡沫喷淋灭火系统，一台主变配置“泡沫排油”灭火系统。当发生火灾时，泡沫喷雾动作后，根据设定逻辑和动作时限排油，在主变内部上方形成负压，减少可燃物油量的同时吸入喷淋的泡沫液，在变压器油夜上形成泡沫保护层。

2　新型“泡沫排油”灭火系统构造

2.1　“泡沫排油”灭火系统整体结构

泡沫排油灭火装置包括泡沫喷雾系统、排油系统、控制系统等^[1]-[3]。

控制系统实时监测感温电缆和变压器高中低三侧开关的辅助接点，当感温电缆动作且变压器高中低三侧开关跳闸时，控制系统启动泡沫喷雾系统并预启动排油系统，泡沫喷雾系统向油浸变压器喷洒泡沫灭火，在喷雾后启动压力接触器开启排油系统排油。

排油系统包括排油阀、漏液监测装置以及压力接触器，漏液监测装置设于事故油池与所述排油阀之间的排油管路上；压力接触器在喷洒泡沫时由压力液体启动并导通；压力接触器安装在分区阀后面的管路上，压力接触器常开触头的一端连接泡沫排油控制中心，另一端连接排油阀。压力接触器的启动压力大于0.2MPa。且具有复位装置和保持功能。排油阀为电动控制阀，所述电动控制阀为电动球阀或电动蝶阀或电磁阀，排油阀外设有防火箱，所述防火箱能防护外部1100℃火烧90分钟。

泡沫喷雾系统包括泡沫灭火剂储液罐、动力瓶组、启动瓶、集流管、分区阀、灭火剂管路以及灭火喷头，启动瓶气体出口连接多个动力瓶组瓶头阀启动控制口，动力瓶组各气瓶体出口通过减压器连接至集流管，集流管通过气体管道连接泡沫灭火剂储液罐顶部，泡沫灭火剂储液罐内充装泡沫液，泡沫灭火剂储液罐通过泡沫管路连接分区阀，分区阀通过泡沫管路连接到变压器周围的水雾喷头。

如图3所示为所提的其中一种油浸变压器泡沫排油灭火装置的结构图。

图3　“泡沫排油”灭火装置结构图

图3中装置包括：10、泡沫灭火剂储液罐；101、控制阀；102、分区阀；103、压

力接触器；11、动力瓶组；12、启动瓶；13、集流管；20、泡沫排油控制中心；30、事故油池；31、排油阀；32、防火箱；33、漏液监测装置；40、灭火剂管路；41、灭火喷头；50、油浸变压器；51、变压器断路段端子箱；52、变压器高中低三侧开关。

图中装置结构还包括电缆，其中：F1、1#感温电缆；F2、2#感温电缆；F3、感温信号传输电缆；F4、高压断路器辅助接点信号传输电缆；F5、中压断路器辅助接点信号传输电缆；F6、低压断路器辅助接点信号传输电缆；F7、变压器三侧电路器辅助接点信号传输电缆；F8、分区阀控制电缆；F9、气体启动瓶控制电缆；F10、自动控制排油阀至压力接触器电缆；F11、手动控制排油阀电缆；F12、控制排油阀电缆。

本装置还包括以下电缆组件：1#感温电缆F1、 2#感温电缆F2、感温信号传输电缆F3、高压断路器辅助接点信号传输电缆F4、中压断路器辅助接点信号传输电缆F5、低压断路器辅助接点信号传输电缆F6、变压器三侧电路器辅助接点信号传输电缆F7、分区阀控制电缆F8、气体启动瓶控制电缆F9、自动控制排油阀至压力接触器电缆F10、手动控制排油阀电缆F11、控制排油阀电缆F12。

本节所提的油浸变压器泡沫排油灭火装置，融合了喷雾灭火和气体灭火的优点，采用储压与驱动原理，结构更加紧凑，灭火、隔离、乳化的效率和性能更高，并在灭火的同时排掉可燃物（变压器油），彻底解决灭火失败的潜在可能。

2.2　“泡沫排油”灭火系统压力传感器

图４　“泡沫排油”灭火系统压力传感器

如图4所示为“泡沫排油”灭火系统的压力传感器^[4]。

图中压力传感器结构包括：1、封盖；2、封闭外壳；3、过渡滑块；4、固定装置；5、静触头；6、接线螺钉压板；7、动触头；8、接触复位弹簧；9、接触模块滑块；10、连接块；11、连接螺钉；12、密封活塞；13、回位弹簧；14、复位开关；15、单向阀；101、呼吸孔；102、安装辅孔；121、第一密封垫槽；122、第二密封垫槽；201、密封腔；202、介质接入孔。

该压力传感器自下而上依次为第一复位装置、密封活塞、第二复位装置、固定装置以及电气组件。电气组件设置在固定装置内，与第二复位装置连接，电气组件包括设置在所述第二复位装置上的动触头，以及设置在所述固定装置上的静触头；第一复位装置包括封盖以及设置在封盖和密封活塞之间的回位弹簧，封盖上设有呼吸孔；第二复位装置包括自下而上依次设置的过渡滑块、接触模块滑块、接触复位弹簧。

压力接触器在变压器灭火系统中通常是安装在排油系统控制回路上，压力接触器动作依靠压力的液体打开，在没有压力液体注入时，接触器能可靠断开，只有当有压力液体注入到压力接触器内，接触器才处于导通状态。接触器启动部分通过管路接到灭火系统的喷雾管路上，只有灭火系统启动，灭火系统喷雾管路内有压力液体注入，排油体统才能打开。也就是说灭火系统作为排油系统的一个闭锁条件，具有安全性好，适应性强等优点。

2.3　“泡沫排油”灭火系统管路安装

根据主变泡沫喷雾系统的要求，新增2号、3号主变泡沫喷雾环形管网一次建设到位，按照设计规范调整各喷头数量、流量、喷射角度，适当增加主变薄弱部位（例如套管升高座）保护喷头数量。其中，2号主变排油管道与主变本体接口，可根据需排油量大小调整排油口高度。注氮瓶组、表计和管网全部拆除，并将与主变本体接口用法兰和垫圈密封。

图5　华塘变2号主变泡沫喷雾和排油管网

3　新型“泡沫排油”灭火系统动作逻辑

结合主变两只线型缆式火灾报警探测器同时报警，或者一只火灾报警探测器与对应区域一只手动火灾报警按钮同时报警后确认火灾发生。确认主变三侧断路器确已分闸，并将断开的位置节点作为动作条件，向控制器发出动作信号。确认发生火灾的动作逻辑如图6所示^[5]。

图6　确认发生火灾的动作逻辑

泡沫喷雾控制装置接收到动作信号后，在自动控制方式下经延时启动氮气启动瓶、启动氮气动力瓶组，打开对应主变的分段选择阀，泡沫混合液喷出进行灭火。主变泡沫喷雾动作逻辑如图7所示。

图7　主变泡沫喷雾动作逻辑

变压器内部或者外部故障发生火灾时，变压器油很可能从薄弱部位喷出，本体重瓦斯动作，变压器跳闸，大量气体使变压器内部压力增大，如达到压力释放阀所设定压力（小于变压器箱体所承受压力）时，压力释放阀发出控制信号。泡沫喷雾动作（经延时）、气体继电器和压力释放阀动作做为装置防爆启动的重要启动条件上传装置控制部分（控制屏或控制箱），控制部分启动装置防爆，防误动电磁铁优先动作，然后排油阀排油，排油阀手柄带动连杆机构瞬时打开隔离球阀，同时安装在储油柜与变压器之间的断流阀因流量迅速加大而关闭，截断储油柜补充给变压器的变压器油，变压器排油卸压，防止变压器破裂，减少火灾现场可燃物。主变排油系统动作逻辑如图8所示。

图8　主变排油系统动作逻辑

除了调整排油口高度从而调节排油量大小之外，排油系统具备与泡沫系统联动启动和独立远方、手动、机械启动等功能，也可以根据需要设置泡沫喷雾动作后排油的延时时限。同时，在保安室设置的应急启动箱，可以在上述联动功能失效且急需减少现场可燃物的情况下，手动启动排油系统。

4　新型“泡沫排油”灭火系统运行方式

排油控制柜有自动、手动启动、远程启动和门卫室应急启动灭火功能。自动状态、手动状态有明显标志并可相互转换。无论消防控制柜处于自动或手动状态，手动操作启动与门卫室应急启动必须始终有效。装置应配置远程灭火启动开入接口和远程预启动反馈开出接口。同时，应在变电站门卫室设置应急启动按钮，并设置专用防护箱和防护罩。

排油装置验证启动条件无误后，可投入“自动状态”，而且具备多种运行方式^[6]：

(1)自动启动方式

1)防爆自动启动方式

防爆自动启动方式同时满足以下3个条件（逻辑与）：

a)主变压器压力释放阀或速动油压继电器的动作信号；

b)主变压器本体气体继电器的重瓦斯动作信号；

c)主变压器各侧断路器跳闸动作信号。

2)自动启动方式

灭火自动启动方式应同时满足以下3个条件（逻辑与）：

a)有2个及以上独立的火灾探测装置同时发出的动作信号；

b)主变压器本体气体继电器的重瓦斯动作信号；

c)主变压器各侧断路器跳闸动作信号。

(2)手动启动方式

工作人员观察到火灾后，当且仅当同时按下手动启动按钮和手动启动确认按钮（或投入手启压板），排油装置启动。单一按下手动启动按钮或手动启动确认按钮（或投入手启压板）时，装置应不动作。

(3)远程启动方式

通过监控系统中的“启动按钮”，远距离操作装置动作的控制方式。

(4)门卫室应急启动方式

2个及以上独立的火灾探测装置同时发出的动作信号时进行声光报警，工作人员确认发生火灾后，当且仅当同时按下手动启动按钮和手动启动确认按钮（或投入手启压板）且满足主变压器各侧断路器跳闸、主变压器本体气体继电器的重瓦斯动作闭锁条件情况下，排油装置启动。

单一按下手动启动按钮或手动启动确认按钮（或投入手启压板），装置应不动作。不满足闭锁条件时，装置亦应不动作。为避免火灾探测装置误动，门卫室应急启动装置的声光报警系统配备消音按钮，确认信号误动后，可按下消音按钮。

5　多种改造方案的比较

除了采用新型“泡沫排油”灭火系统外，还可以有以下几种改造方案。

方案1：拆除原泡沫灭火系统和2号主变排油注氮灭火系统，1号、2号、3号主变共用新的一套大容量灭火剂的泡沫灭火系统。

方案2：保留原泡沫灭火系统和2号主变排油注氮灭火系统，1号、3号主变共用新的一套大容量灭火剂的泡沫灭火系统。

方案3：保留原泡沫灭火系统和2号主变排油注氮灭火系统，3号主变采用排油注氮灭火系统。

三种方案的对比情况如表1所示。

表1　多种改造方案对比

6　结论

综上，若采用新型“泡沫排油”灭火系统，仅将注氮系统拆除并增加联动控制和相关应急控制功能，可以较好利用主变原有的泡沫系统和排油系统，在泡沫喷雾功能的基础上与排油功能联动，减少火灾情况下大油量设备残留可燃物，为现场控火灭火创造极为有利的条件。同时，这种新型的灭火系统缺少运行维保经验，现场调试工作量较大，需要进一步的按照“四新”要求开展相关试验。“安全责任重如泰山”，我们相信，排油系统将在电网设备特别是大油量设备中得到广泛运用。

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