新型泵組式(現混)泡沫噴霧自動滅火系統在戶外220kV變電站的應用研究

葛 偉

(上海同泰火安科技有限公司，上海 201703)

變電站是保障居民生活和工業生產用電需求的重要樞紐，國網在每個省市有成百上千座220kV變電站，其作為樞紐變電站分布于城市的城區和郊區。每座變電站內集成主變壓器、電容器、電抗器、電纜、開關柜等高、低壓電氣設備和電纜線路，工作時負荷高、發熱量大，一旦故障會迅速引起火災，對周圍居民和社會存在很大的火災安全隱患。并且，當前變電站自動滅火系統正處于更新換代時期，傳統系統在滅火可靠性和維護運行上存在很多弊端。為了提高變電站的自動化滅火能力，在發生突發火災時能有效地快速滅火，保障周圍居民和社會的安全，針對部分國網重點220kV變電站實施消防系統升級改造。對主變壓器室和散熱器等重點火災危險場所,改造為新型泵組式(現混)泡沫噴霧自動滅火系統。

1 戶外220kV變電站消防現狀

1.1 變電站重點危險源

油浸主變壓器及散熱器火災：變壓器在龐大的電網中發揮著“心臟”的作用，一旦發生問題，將會導致大面積區域內的電力供應系統癱瘓，其消防是整個變電站的重中之重。變壓器油是由碳氫化合物所組成，閃點約為130°C左右；變壓器的低能火花放電、油溫的升高均可使變壓器油揮發分解出烷基類等碳氫化合物；變壓器出現故障，很快會出現局部的高溫過熱，變壓器油會隨著溫度的升高而體積急劇膨脹，主體或者油路爆裂后很容易發生明火火災及爆炸性事故。

電線電纜火災：整個變電站的電氣設備都是由“電纜網絡”連接組成，電線電纜初期著火時，煙大火小、延燒速度較慢，如果能及時發現，較易撲滅。電線電纜火災發展到中期階段，煙大火大、明火面積快速蔓延，火場溫度急速上升，受限于電線電纜所處空間狹小，火災熱量非常集中，造成火災熱輻射量巨大，引起火場周圍次生傷害。到了后期階段，當火災沒有及時得到有效措施應對的話，會引起整個火場轟燃，火災當量達到峰值，火場溫度超過1 000 ℃以上，整個建筑主體結構也會受到影響。

開關室、電容器室、GIS室火災：電氣設備室里面集成了進線、出線、電容器和高、低壓配電裝置等，如果電容過熱、起火,多是由于電壓電流超額、極板擊穿，或者環境溫度超額造成電氣設備自身溫度過高等都會造成火災事故，進而造成爆炸危險。正常情況下，電氣設備自身的絕緣措施是有極限的，超過極限值后會很快造成絕緣破壞，進而引發設備故障，故障后會引發設備過熱過載，造成事故。同時，據調查變電站內存在的電弧在一定條件下也能使電氣設備絕緣受到破壞，造成故障后也是火災事故的誘因。

1.2 自動滅火系統現狀

戶外220kV變電站主變目前采用的滅火系統主要有排油注氮滅火系統、SP合成型泡沫噴霧滅火系統和水噴霧滅火系統。

(1) 排油注氮滅火系統(圖1)。排油注氮滅火系統具有對環境和變壓器無污染、成本低廉等優點，但排油注氮裝置的排油、注氮管路與變壓器本體直連，發生滲漏容易造成裝置誤動或變壓器故障，運行風險大，且不能撲滅變壓器外部火災。

圖1 排油充氮滅火裝置示意圖

(2) SP合成型(預混)泡沫噴霧滅火系統(圖2)。SP合成型泡沫噴霧滅火系統多用氣壓式噴霧，具有無須動力電源、啟動可靠性好、無須水池和排水設施、安裝及操作簡單等優點，但該系統泡沫滅火劑采用的泡沫預混液無 3C認證，后期更換成本高、質量難以有效保證，一旦噴完 15 min，無后續降溫或滅火措施。

圖2 SP合成型(預混)泡沫噴霧滅火裝置示意圖

(3) 水噴霧滅火系統(圖3)。水噴霧滅火系統具有無污染、持續滅火能力強等優點，但該系統對水量需求大，消防水泵房和消防水池等設施占地面積大，投資相對較高。運行多年后管網銹蝕嚴重。

圖3 水噴霧滅火系統示意圖

2 戶外220kV變電站常用自動滅火系統對比分析

三種常用自動滅火系統的對比分析見表1。

表1 常用自動滅火系統對比分析表

3 新型泵組式(現混)泡沫噴霧自動滅火系統技術優勢

3.1 相關規范要求

泡沫噴霧分為泵組式(現混式)和瓶組式(預混式)。在國外，泵組式泡沫噴霧滅火系統技術相當成熟，已形成了《低、中、高倍泡沫系統標準》(NFPA 11-2010)和《泡沫水噴灑系統安裝標準》(NFPA 16-2007)，并在實際工程中得到大量應用。國內相關標準規范有大量的參考和借鑒。

在國內，公安部天津消防研究所主導下進行了大量針對油浸電力變壓器的泡沫噴霧滅火試驗，明確了SP合成型瓶組式泡沫噴霧和帶有比例混合器的泵組式泡沫噴霧兩種形式，確定了計算面積、供給強度、供給時間、特殊部位的噴頭布置及泡沫液要求等，并在國家規范《泡沫滅火系統設計規范》(GB 50151-2010)的 7.4章中予以規定。

目前國內主變壓器的泡沫噴霧滅火系統多為SP合成型泡沫噴霧滅火系統，即預混泡沫液儲罐加儲氣瓶的供給方式。泵組式泡沫噴霧滅火系統應用較少，主要原因是：SP合成型(預混)泡沫噴霧滅火系統是作為一個產品進行整體設計的，并進行了 3C認證，電力設計院設計時直接進行接口設計即可；泵組式泡沫噴霧滅火系統由多組件組成，主要組件進行了3C認證，需要設計院進行多組件集成設計，而多數電力設計院沒有專業技術人員根據消防標準進行核算設計。

所以說，新型泵組式(現混)泡沫噴霧自動滅火系統技術成熟，符合國家規范要求。相比傳統SP合成型泡沫噴霧系統，滅火有效性有較大提高，可靠性和安全性也有較大提升。投資經濟性好，適于戶外變電站規模化推廣應用。目前，國網浙江省、江蘇省和甘肅省均有示范性項目案例已經完成投入運行。

3.2 新型泵組式(現混)泡沫噴霧自動滅火系統技術提升對比

技術提升情況見表2。

表2 泵組式泡沫噴霧系統優化提升對比表

4 戶外220kV變電站消防改造優化設計方案

4.1 設計依據

《建筑設計防火規范》(GB 50016-2014)(2018版);

《泡沫滅火系統設計規范》(GB 50151-2010);

《水噴霧滅火系統設計規范》(GB 50219-2014)；

《油浸式電力變壓器火災報警與滅火系統技術規程》(DG/TJ08-2022-2007);

《火力發電廠與變電所設計防火規范》(GB 50229-2019);

《電力設備典型消防規程》(DL 5027-2015)。

4.2 新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統組成

新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統由供水管路、泡沫噴霧泵及穩壓裝置、供泡沫管路、泡沫泵、泡沫罐、氣壓罐、變壓器專用泡沫/噴霧控制閥組、變壓器專用泡沫噴霧噴頭、管路及配件以及火災報警聯動控制系統等組成。

4.3 設計參數要求

依據《泡沫滅火系統設計規范》(GB 50151-2010)7.4.2條規定,當保護油浸電力變壓器時，系統設計應符合下列規定：

(1) 保護面積應按變壓器油箱本體水平投影且四周外延1 m計算確定。

(2) 泡沫混合液或泡沫預混液供給強度不應小于8 L/(min·m2)。

(3)泡沫混合液或泡沫預混液連續供給時間不應小于15 min。

(4) 噴頭的設置應使泡沫覆蓋變壓器油箱頂面，且每個變壓器進出線絕緣套管升高座孔口應設置單獨的噴頭保護；

(5) 保護絕緣套管升高座孔口噴頭的霧化角宜為60°，其他噴頭的霧化角不應大于90°。

(6) 所用泡沫滅火劑的滅火性能級別應為Ⅰ級，抗燒水平不應低于C級。

設計參數要求如下：

(1) 泡沫混合液供給強度q≥8.0 L/(min·m2)。

(2) 泡沫噴霧持續時間T=15 min。

(3) 泡沫液型號3%AFFF水成膜泡沫。

(4) 泡沫混合比3%。

(5) 變壓器專用泡沫噴頭最低工作壓力0.35 MPa。

(6) 系統響應時間不大于60 s。

(7) 水噴霧持續時間T=24 min。

4.4 設備選型

本設計以標準戶外220 kV變電站為例，新增泵組式泡沫噴霧消防系統，泡沫噴霧消防系統保護總面積約365.3 m2,主要保護區域為3臺220kV主變壓器,分別是1#、2#、3#主變。本項目考慮其保護區火災特點，主變和散熱器均采用滅火高效、響應快速的變壓器專用泡沫噴霧系統，采用滅火高效的3%水成膜泡沫液作為滅火劑。設置一套變壓器專用泡沫噴霧系統泵組進行保護。各防護區的設計參數見表3。

表3 防護區設計參數表

(1)變壓器專用泡沫噴霧噴頭的選型。根據變壓器保護區域和變壓器火災特點，選用合適的變壓器專用泡沫噴霧噴頭：油枕選用型號為PT2.7-C的泡沫噴霧噴頭，噴頭流量為2.7 L/s，噴頭單側布置，噴頭安裝間距為2.4 m；變壓器主體選用型號為PT2.7-C的泡沫噴霧噴頭，噴頭流量為2.7 L/s，噴頭雙側布置，噴頭安裝間距為4.4 m；油坑選用型號為PT0.8的泡沫噴霧噴頭，噴頭流量為0.8 L/s，噴頭雙側布置，噴頭安裝間距為3.7 m。

(2)供水泵及管道的計算選型。供水系統流量按單臺變壓器同時噴放的噴頭流量之和計算，本系統最大流量防火區為1#變壓器，設計流量為同時開啟噴頭數流量之和，經計算Q=1.05×97%×(2.7×2+2.7×6+0.8×8)=28.52 L/s，根據經濟流速供水管流速和系統設計流量確定供水管道管徑為DN150。系統工作壓力根據最不利點的阻力損失計算，計算公式采用舍維列夫公式：I=0.000 010 7V2/D1.3進行計算,系統水壓H水=65.6 m。選用泵組型號(一用一備),Q=30 L/s,H=75 m,N=37 kW。穩壓泵流量按照不大于2.7 L/s的流量計算，穩壓泵壓力大于系統供水泵壓力5 m左右，選用穩壓泵型號(一用一備),Q=1 L/s,H=98 m,N=2.2 kW，配置氣壓罐1座。

(3)泡沫泵及泡沫管道的計算選型。泡沫原液量Q泡系=1.05Q原=1.05×3%×28=0.88 L/s,根據《泡沫滅火系統設計規范》中規定的泡沫管道內的泡沫流速，計算出泡沫管道直徑為DN25,泡沫系統設計工作壓力根據最不利點最低工作壓力進行計算，計算公式采用 Darcy-Weisbach(達西-魏斯巴赫)公式,計算結果為H泡=85.6 m，選用不銹鋼泵型號(一用一備),Q=1 L/s,H=98 m,N=2.2 kW，泡沫儲存罐按照15 min儲量計算，其泡沫罐有效容積為0.8 m2。

(4)根據變壓器泡沫噴霧系統設計流量，Q=29.4 L/s,選用型號為PHPD54X2的變壓器專用泡沫噴霧控制閥組，連接水管管徑為DN100，泡沫接管管徑為DN25。

(5)系統供水及泡沫原液的供給。本設計項目采用消防水箱直接供水方式，系統按24 min的用水量為41.07 m2，從變壓器消防泵房內水噴霧泵出水管上引出DN150的消防供水總管，向變壓器專用泡沫噴霧系統供水，同樣泵房內的泡沫原液泵出液管上引出DN25的泡沫原液管，向變壓器專用泡沫噴霧系統供泡沫原液。整個系統平時在比例混合器前泡沫液管道內充滿泡沫原液。

5 戶外220kV變電站消防改造優化設計方案創新點

5.1 國網變電站智能輔助遠程控制系統

智慧消防是時代發展的趨勢，國網變電站系統內已有電網調度自動化系統和變電站智能輔助系統等二次控制系統，此次設計充分把變電站的火災自動報警系統、新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統與站內調度自動化系統和變電站智能輔助系統融合對接。

新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統除了具備規范要求的三種控制方式：自動、手動和應急操作，同時還具備遠程應急啟動方式，徹底解決了在無人值班變電站無法做到現場就地手動操作方式。遠程應急啟動方式：當火災探測器失效、自動運行方式失效，電網監控中心人員遙視發現火災，在人工確認火情后，經授權人員操作變電站智輔系統消防子系統中相應保護區啟動按鈕失效按鈕，遠方直接啟動泵組式(現混)泡沫噴霧系統(圖4)。

圖4 國網變電站智能輔助遠程控制系統框架圖

變電站智輔系統消防子系統還設計有遠程人工停泵功能：當新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統因未知原因導致的誤噴，經過授權后可以通過遠程人工停泵命令噴霧停止，以減少噴霧造成的不必要損失。充分考慮電力行業要求的容錯措施，保障變電站的消防系統安全可靠。

5.2 集裝箱一體化智能泵房

消防改造項目最大的問題就是現場的不確定因素太多，變電站消防改造更是困難重重。此次方案針對現有變電站內空間有限、基本沒有備用設備用房和室外空余場地的問題，設計師結合現場情況和相關規范要求，提出了集裝箱一體化智能泵房方案，解決了現場沒有設備用房的問題。

集裝箱一體化智能泵房方案集成了泵組式(現混)泡沫噴霧系統的泡沫噴霧泵及穩壓裝置、泡沫泵、泡沫罐、氣壓罐、變壓器專用泡沫/噴霧控制閥組等模塊集中放置在集裝箱內，集成性高，占地空間小，便于安裝(圖5)。

圖5 集裝箱一體化智能泵房布置圖

5.3 泵組式(現混)泡沫噴霧系統管網工廠化預制BIM設計

針對變電站消防改造設計項目特點，變電站結構緊湊，設備就位后安裝空間非常有限，改造設計要充分考慮施工過程中的難點。例如，如何避讓現有的電氣設備，保證系統管網走向在安裝過程中滿足規范要求的安全距離，減少工程施工過程中的不必要的變電站停電計劃。要充分考慮利用BIM設計把現場測量的情況建模，出標準的泵組式(現混)泡沫噴霧系統管網工廠化預制加工圖，做到變電站現場內零動火焊接，安裝靈活多變，施工工藝合理。

泵組式(現混)泡沫噴霧系統管網工廠化預制是將系統管道，從設計、生產到安裝和調試深度結合集成，通過這種系統化的預加工，工廠化流水線制作生產。利用這種技術，不僅能提高生產效率和焊接質量水平，降低成本，還能減少現場工程量、縮短工期，做到靈活多變，特別適合施工條件受限的項目。

泵組式(現混)泡沫噴霧系統管網工廠化預制設計重要節點：充分勘察現場→研究圖紙→BIM分解優化→放樣、下料、預制→預拼裝→現場分段組對→安裝就位。

6 結束語

本文分析了戶外220kV變電站消防現狀、變電站消防系統優缺點和目前規范相關要求，論證了變電站設計新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統的合理性和必要性。相比以前的變電站消防系統設計，本項目有明顯提升，滅火可靠性更高，維護經濟合理，系統設計考慮更完善結合變電站實際情況，并通過工廠化預制BIM設計和智能遠程控制系統等措施去解決系統控制和施工的難題。但變電站是電力行業特殊而又重要的樞紐，還有很多問題需要考慮得更加完善，還需要付出更多的努力去研究分析。隨著新建變電站的設計要求提高，我們要把新型泵組式(現混)泡沫噴霧系統更合理地植入到變電站的消防中。相信此設計也能為今后戶外220kV變電站消防改造和新建項目中的消防自動滅火系統標準化設計提供實際項目應用依據。