淺談油浸式電力變壓器自動滅火方式

濮騫忠 朱德昌 金大滿

摘 要：該文簡明闡述了電網公司變電站油浸式電力變壓器的消防設施設置現狀，客觀分析變電站油浸式電力變壓器的運行環境的特殊性和火災的危險性，深入探討油浸式電力變壓器適用的5種典型的自動滅火設施（裝置）的滅火機理、適用環境以及工程運用的優勢和局限性，最后根據變電站消防水源能否保障、變壓器是否露天安裝、能否形成密閉空間等不同運行環境條件，為油浸式電力變壓器選擇合適的自動滅火方式。

關鍵詞：變壓器自動滅火；水噴霧滅火；泡沫噴霧；排油注氮

中圖分類號：X924 文獻標志碼：A

0 引言

電網公司的變電站主變壓器通常選用大型油浸式電力變壓器，由于其體量大，絕緣油用量多，火災危險性比較大。油浸式電力變壓器一旦發生火災必將導致設備燒毀、供電中斷，從而造成巨大的經濟損失、社會影響嚴重、甚至出現人員的傷亡。為了確保電網供電的安全、可靠性，針對油浸式電力變壓器設置先進、可靠、高效、安全、經濟和環保的自動滅火設施至關重要。

1 變電站電力變壓器的消防設施設置現狀

筆者實地考察了中國南方電網云南電網公司的15個變電站主變消防設施設置現狀，并對國內外油浸式電力變壓器滅火方式進行了檢索研究，最終發現油浸式電力變壓器自動滅火設施的設置缺乏統一標準，其設置現狀歸納起來共有5種情形。

（1）油浸式電力變壓器僅有廠家配套的排油注氮滅火系統（裝置），未專門設置自動滅火設施對器身及集油坑進行保護。

（2）設置超音速干粉滅火裝置對主用變壓器的器身及集油坑進行保護。

（3）設置低倍數水成膜泡沫滅火系統對主用變壓器的器身及集油坑進行保護。

（4）設置合成泡沫噴霧系統對主用變壓器的器身及集油坑進行保護。

（5）設置水噴霧滅火系統對主用變壓器的器身及集油坑進行保護。

從電網公司眾多變電站主變壓器的消防設施設置現狀來看：有的未設置完善的自動滅火設施，其消防安全現狀堪憂；有的變電站自動滅火設施選型不合理，消防安全保障性較低；僅有部分變電站的自動消防設施設置符合要求，能夠真正提高消防安全保障能力。

2 變電站電力變壓器的運行環境及火災危險性分析

2.1 變電站油浸式電力變壓器的運行環境分析

當前，電網公司的大多數變電站設置在偏遠地帶，變電站的運營管理模式也已經實現了無人值守。因此，變電站一旦發生火災將無人實施撲救，公安消防的滅火救援力量也不能確保在較短的時間內及時到達。可見，為變電站的油浸式電力變壓器設置一套完善、有效的自動滅火設施設置非常必要。變電站主變壓器自動消防設施的設置既要確保系統的可靠性、安全性、高效性以及先進性，還要兼顧建設投資及運維管理的經濟、合理性，同時還需要滿足有關環境保護的技術指標以及現行法律、法規的相關要求。

變電站的油浸式電力變壓器均為露天設置，防護區域不能形成封閉空間，不能采用全淹沒滅火方式，如選擇其他滅火方式還應考慮環境及氣象因素（如刮風、下雨等）的影響。部分變電站地處偏遠且嚴重缺水的地區，消防水源無法保障，設計人員在選擇自動滅火方式時必須加以考慮。

2.2 變電站油浸式電力變壓器的火災危險性分析

變電站電力變壓器的火災危險性主要包括5個方面。

（1）大型油浸式電力變壓器的電壓高、體量大、油量多、火災危險性大。以1臺特變電工衡陽變壓器有限公司生產的SFZ11-180000/220GY型油浸式三相有載調壓變壓器為例，主變額定容量為180 000 kVA，額定電壓為220 kV/110 kV，器身重量為122 700 kg，油重量為66 310 kg，上節油箱重量為19 390 kg，總重量為242 570 kg。因此火災危險性比較大，發生火災后撲救十分困難。

（2）油浸式電力變壓器屬于高壓電氣設備，可燃物主要是絕緣油，火災危險性為丙類，火災類型屬于B、E類火災，因此火勢蔓延非常快，撲救難度非常大。

（3）存在變壓器鐵芯過熱引發火災的風險。變壓器因散熱裝置故障、硅鋼片鐵芯絕緣損壞引起內部過熱，在保護裝置失效的極端情況下可能引發火災。

（4）存在變壓器繞組匝間短路引發火災的風險。變壓器發生繞組匝間短路時，變壓器油箱內部會瞬間產生高溫、高壓，進而爆炸起火。同時，油浸式變壓器爆炸瞬間往往會產生燃油噴發、飛濺，這將會導致火災迅速向臨近區域蔓延，從而擴大火災范圍。

（5）存在變壓器進出線短路引發火災的風險。意外情況下導體接觸外線導致一次線路短路引發火災，如臺風、泥石流等造成樹木、金屬塔架倒塌；因違反安全操作規程或安全措施不當導致金屬桿件、鋼繩、鋼芯鋁絞線、金屬梯觸碰高壓帶電設備等。

3 電力變壓器自動滅火系統的工程運用分析

我們對電力變壓器適用的各種滅火方式、設施進行了專門的調查和研究，得出的結論是目前工程上用來保護不同運行環境的油浸式電力變壓器的自動滅火設施主要包括排油注氮滅火系統（裝置）、氣體滅火系統、水噴霧滅火系統、干粉滅火系統（裝置）和泡沫噴霧滅火系統等。下面將逐一對它們的滅火機理、系統優勢和運用局限性進行分析和比較。

3.1 排油注氮滅火系統（裝置）

排油注氮滅火系統（裝置）由排油、斷流、注氮和控制4個子系統組成，是適用于油浸式電力變壓器防火、防爆和滅火的自動消防設施之一。排油注氮滅火系統（裝置）具有手動和自動滅火控制方式。其中，系統自動滅火的基本原理是當變壓器出現匝間短路等故障時，變壓器內部溫度將異常升高，同時伴隨可燃氣體產生（瓦斯），當內部溫度、瓦斯濃度達到報警閾值時，設置在變壓器頂部的感溫火災探測器和變壓器內部的重瓦斯繼電器相繼動作，向控制系統發出火災報警信號。控制系統接收到變壓器內部火警信號后，控制系統自動啟動斷流系統和排油系統，關閉斷流閥，切斷上部油箱向變壓器內部的供油管路，自動開啟事故排油閥進行排油泄壓。經過3 s～20 s的延時后，注氮系統的氮氣瓶上的電磁瓶頭閥開啟，氮氣通過注氮管從變壓器底部注入并充滿變壓器內部，將變壓器內部殘存的絕緣油與空氣進行隔離，從而實現窒息抑燃、滅火防爆的目的。

從其滅火原理不難看出，排油注氮滅火系統存在不能撲滅變壓器外部及集油坑火災的局限性。排油注氮滅火系統僅用于油浸式電力變壓器內部滅火，如果變壓器因繞組匝間短路導致瞬間爆炸，大量燃燒的絕緣油四處飛濺導致流淌火蔓延，同時大部分燃燒的絕緣油流入集油坑內引起集油坑大火。如果變壓器外部未設置其他自動滅火設施，排油注氮滅火系統（裝置）不能對集油坑大火、燃油飛濺火、流淌火進行撲救。

3.2 氣體滅火系統

氣體滅火系統是指以氣體作為滅火介質的滅火系統，常用的氣體滅火介質有二氧化碳（CO2）、七氟丙烷（HFC-227ea）、IG541等，在滅火機理方面，二氧化碳（CO2）、IG541主要是冷卻和窒息，七氟丙烷（HFC-227ea）主要是化學抑制。氣體滅火系統運用有全淹沒和局部運用2種形式，能撲滅電氣火災和丙類可燃油表面火災，其適用于室內封閉空間滅火（全淹沒）及不受刮風影響的高大空間內重要保護對象的保護（局部運用）。變電站的油浸變壓器均為室外露天安裝，如風力達到3級以上，氣體滅火系統將會因滅火劑被風吹散而失去滅火效能。因此，對于電網公司在變電站露天設置的油浸式電力變壓器、電抗器而言，選用氣體滅火方式并不合理。

3.3 水噴霧滅火系統

水噴霧滅火系統通常是采用離心霧化型噴頭噴射出高速的霧狀水滴實施滅火的，由于水霧噴頭噴射出的是間斷水滴，具有良好的電氣絕緣性能，可用于電氣火災撲救。因此，水噴霧滅火系統特別適用于油浸式電力變壓器絕緣子根部爆裂火災和油箱局部爆裂火災的保護。通過公安部天津消防研究所做的水噴霧電絕緣試驗以及變壓器火災模擬試驗，水噴霧滅火在油浸式電力變壓器方面的運用得到了權威、有效的驗證。

由于油浸式電力變壓器火災的主要可燃物為絕緣油（火災危險性為丙類），水噴霧系統撲救油浸變壓器火災主要是通過水霧的冷卻、窒息和乳化作用實現的。水霧滴受熱后會汽化，能夠帶走大量的熱，同時水霧滴汽化后體積會膨脹1 680倍，使得可燃物周圍空氣中的氧氣含量顯著下降，當可燃物周圍空氣中的氧含量低于15 %時，火災就會熄滅。此外，高速的水霧滴沖擊燃燒的絕緣油液面時，絕緣油在表層與水混合、乳化，使其燃燒性能顯著降低，從而使絕緣油的燃燒中斷。在水霧多種滅火機理的共同作用下，油浸變壓器火災將會受到抑制并最終被撲滅。

由于水是最廉價、最廣泛的滅火劑，在大多數場合都是取之不盡用之不竭的，因此，能夠用水撲救、能夠保證消防用水的情況下，應優先考慮水滅火方式。水噴霧滅火系統就是非常適用于露天設置的油浸式電力變壓器的水滅火方式。研究發現，水噴霧滅火系統運用于油浸式電力變壓器的火災防護具有滅火效能高、工程造價及運維費用低、系統運行維護簡單等顯著優點。特別是對于變電站露天安裝的油浸式電力變壓器（或電抗器）而言，由于水霧滴徑較大（0.5 mm～0.8 mm），噴霧持續時間較長（≥24 min），水霧噴射初速較高，且噴頭保護覆蓋變壓器器身和集油坑，可確保風力5級以下具有較好的滅火、控火的效果。水噴霧滅火的不足之處是滅火用水量較大，對消防水源的保障性要求高，一般需要設置較大容量的消防水池和大流量的消防水泵。對于嚴重缺水的變電站，如果消防水源無法保障，就不能選用水噴霧滅火系統。

3.4 干粉滅火系統（裝置）

干粉滅火系統（裝置）是采用ABC型磷酸銨鹽滅火劑實施滅火的，其滅火機理主要是化學抑制，粉霧接觸到有焰燃燒的火焰時，能夠捕獲并消耗燃燒自由基，從而中止燃燒的鏈式反應。普通的干粉滅火劑顆粒粗、沉降快，不適用于全淹滅火方式，因此只能采用局部運用方式滅火。超細干粉滅火劑平均粒徑相對較小（粒徑為20μm～60μm），滅火劑在空氣中懸浮時間較長，能夠繞過障礙物滅火，因此既可在封閉空間采用全淹沒方式進行滅火，也可在敞開空間采用局部運用方式滅火。

但對于室外露天設置的油浸式電力變壓器滅火保護而言，由于變壓器周圍沒有形成封閉空間，因此只能采用局部運用方式滅火，其滅火效果受氣象條件（如刮風、下雨等）影響很大。從已有的工程案例來看，設計者一般選用無管網的貯壓式超細干粉滅火裝置，安裝方式為沿變壓器平行兩邊對向布置（一般選短邊），這種滅火方式存在諸多弊端：

（1）該裝置滅火為瞬間觸發，噴灑的持續時間非常短暫，滅火效果差，特別是對于油類火災的復燃問題無能為力；

（2）安裝人員難于準確控制噴射角度和覆蓋范圍，噴射偏離目標的可能性較大。

（3）超細干粉類似于氣體，極易被室外強風吹散，不能保證其在不利氣象條件下的滅火效果。

（4）干粉滅火劑噴射后會有殘留物，對變壓器外殼、散熱孔、電極造成一定的污染。

（5）裝置安裝于室外，長期經受風吹、雨淋、日曬、霜凍，干粉滅火劑容易受潮、結塊，啟動引發裝置也可能會失效。

因此，無論采用普通干粉還是超細干粉的滅火裝置，其對于室外露天安裝的油浸電力變壓器的滅火運用效果均不理想，不能為油浸式電力變壓器提供消防安全保障。

3.5 泡沫噴霧滅火系統

泡沫噴霧滅火系統是采用高效泡沫液（如：SP合成泡沫）作為滅火劑實施滅火的一種新型滅火裝置，由泡沫液儲罐（含泡沫滅火劑）、N2動力瓶組、N2啟動瓶、分區控制閥、噴頭、驅動管路、滅火劑輸送管道、火災報警滅火控制系統等組成。由于采用的泡沫滅火劑具有良好的電絕緣性能，因此可運用于油浸式電力變壓器火災防護，泡沫噴霧滅火系統用于油浸式電力變壓器火災保護的典型運用如圖1所示。該裝置具有滅火效率高、裝置安裝維護簡單、滅火劑綠色環保等顯著優勢。此外，由于系統采用預混的合成泡沫滅火劑，滅火劑驅動采用氮氣瓶組作為動力源，因此不需要修建消防水池和安裝消防給水設備，是嚴重缺水的變電站對油浸式電力變壓器消防保護的首選方案。

在本次研究中，我們對同一項目采用泡沫噴霧滅火系統和水噴霧滅火系統進行了工程造價的分析、比較，得出的結論是二者造價相差不大（水噴霧系統的初期建設費稍高），泡沫噴霧滅火系統同樣具有推廣運用的顯著優勢。泡沫噴霧滅火系統的不足之處在于采用的合成泡沫滅火劑使用有效期較短，需定期更換泡沫滅火劑。以山東川億的合成泡沫為例，其產品檢定的有效期為3年，即便是選用價格較高的長效型的SP合成泡沫，其有效期也只有5-8年，這就意味著在今后的長期運維過程中，需定期對泡沫進行檢測和更換，還需對廢棄的泡沫液進行回收處置。

4 結論

通過對以上5種滅火系統的分析研究，得出以下結論：

排油注氮滅火系統對油浸式電力變壓、電抗器內部的防火、防爆及滅火效能顯著，是變壓器廠家生產配套的自動滅火裝置的首選，但存在不能撲滅變壓器外部及集油坑火災的局限性。

對于露天安裝的油浸式電力變壓器、電抗器，在消防用水滿足工程需要的前提下，建議優先選擇水噴霧滅火系統。水噴霧滅火系統具有滅火、冷卻效果好，能滿足高壓帶電設備的電氣絕緣性能，系統具有先進、可靠、高效、安全、經濟、環保和運維費用低廉等顯著優勢。

對于嚴重缺水的變電站，由于消防用水難保障，建議選用泡沫噴霧滅火系統對露天設置的油浸式電力變壓器、電抗器實施保護。該系統滅火效率高、安全可靠、安裝操作維護簡單，雖然存在需要定期對泡沫液進行檢測和更換的不足之處，但相對于電力系統安全、穩定運行的重要性以及變電站總體的運維費用而言，該系統的運維費用是微不足道的。因此，泡沫噴霧滅火系統是嚴重缺水變電站對電力變壓器實施消防保護的首選方案。

如果油浸式電力變壓器安裝在滿足防護區維護條件的變壓器室內，不具備排水條件，則應優先選用氣體滅火系統，且應采用全淹沒滅火方式。如果防護區不能完全封閉，應選用CO2氣體滅火系統，滅火方式應選用局部運用（應采取確保滅火效果不受強風影響的措施）。

干粉滅火系統不能用于室外露天安裝的油浸式電力變壓器火災防護，即便是對于室內安裝的油浸式電力變壓器，由于其滅火、控火、抑爆的效果明顯不及以上幾種滅火方式，且存在粉塵殘留難于清理的弊端，不推薦使用。

參考文獻

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