換流變壓器閥側套管防火墻洞口封堵研究

曹豫巖，徐 晴，馮 宇，樊世濤

1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021

2.南通世睿電力科技有限公司，江蘇 南通 226000

1 項目背景

在直流輸電系統中，換流變壓器和換流閥共同作為交流和直流系統的接口設備[1]，完成交流與直流電路之間的轉換。將換流變本體布置在閥廳外，閥側套管穿過閥廳防火墻洞口與閥廳內部閥組連接，閥廳防火墻為換流變閥側套管預留的洞口，待設備就位后需要進行封堵。

換流變發生火災時，防火墻洞口封堵成為整個防火系統中的薄弱環節。絕緣油達到燃點會引發烴類燃燒，與纖維素燃燒相比，烴類燃燒具有爆發快、溫度高的特點，可在極短時間內達到1100℃，極易造成防火封堵材料性能的快速衰減，同時防火封堵系統連接部位也存在著極高的火災蔓延風險。自直流工程投運以來，換流站內閥廳火災事故時有發生，換流變閥側套管防火墻洞口封堵被燒穿，破壞了內部閥組，造成了重大經濟損失，因此需要對洞口封堵材料的耐火極限及封堵結構提出更高的要求：防火封堵材料要具有相應的防火、防煙、隔熱性能[2]，封堵結構必須穩固。

2 封堵系統結構設計

2.1 設計目標

為了保證換流變閥側套管防火墻洞口封堵滿足實際需求，封堵設計需要考慮整體耐火性能和強度要求，同時要滿足電磁屏蔽性能，避免渦流發熱。在設計防火封堵系統時，其支撐構件、緊固件以及連接件等應該具有相應的耐火性能和力學穩定性能；其自身與防火墻、套管交界處必須做好密封處理，避免發生火災時，出現熱短路現象或竄煙現象；所用的材料至少滿足碳氫火燃燒3h的耐火要求，在正常使用或發生火災時，材料不脫落、移位和開裂；所用的金屬材料選用無磁不銹鋼材料，避免運行時產生渦流發熱。

國家電網公司特高壓建設部、國家電網公司直流建設公司、國網經濟技術研究院聯合設計院和廠家一起研究探討各種材料的耐火性能，并在北京、上海、四川等地進行了多次大尺寸洞口封堵耐火試驗（帶模擬導管貫穿物），在試驗基礎上組織規劃院專家審查，最終在2020年1月15日形成了一個初步封堵標準化設計方案，對防火墻洞口尺寸、封堵結構抗風壓性能等做出了明確要求。

2.2 封堵結構

之前的封堵系統主要材料選用了單層結構巖棉復合防火板（150mm厚的Paroc板）[3]，該單層結構巖棉復合防火板（以下簡稱巖棉板）以0.6mm厚的金屬板（大部分為304不銹鋼，少部分為普通彩鋼板）作為面板，中間復合填充了巖棉芯材。相關廠家根據防火封堵的最新要求，繼續深入研究此系統，設計了“多層次防火封堵”系統。該封堵系統分為剛性封堵、包邊封堵與柔性封堵三部分。

（1）剛性封堵。閥廳外側采用80mm×50mm×6mm的不銹鋼角鋼固定，角鋼內側采用100mm厚的不銹鋼面硅酸鋁復合板，中間層采用龍骨加空氣層結構，確保封堵系統整體結構強度，不銹鋼面硅酸鋁復合板與龍骨接觸部位采用防火板進行隔離，閥廳內側采用100mm厚的不銹鋼面巖棉復合板，雙層復合防火板通過不銹鋼燕尾釘與不銹鋼龍骨連接，該結構既可保證小封堵的防火封堵距離，又可解決由板材質量和施工質量分散性、板材拼縫熱短路等導致的局部高溫問題。剛性封堵結構如圖1所示。

圖1 剛性封堵結構圖

（2）包邊封堵。選用硅酸鋁纖維毯密實填充不銹鋼面硅酸鋁復合板、不銹鋼面巖棉復合板與墻體之間的間隙，在閥廳內側使用高溫硫化硅橡膠板覆蓋防火板材與墻體之間的間隙，避免火災中有煙氣穿過，最后使用不銹鋼包邊進行密封處理。整個包邊結構在邊界處隔絕火焰，避免煙氣竄入閥廳內。包邊封堵結構如圖2所示。

圖2 包邊封堵結構圖（單位：mm）

2.3 柔性封堵

柔性封堵從閥廳內側到外側設計成多層結構，既能滿足日常防塵、防水、密封要求，又能在火災發生時阻止火焰和煙氣傳播。使用硅酸鋁纖維毯密實填充防火板材與套管之間的間隙，使用擋火圈覆蓋間隙，外側使用硅橡膠板覆蓋，并使用防火密封膠進行邊緣密封。柔性封堵結構如圖3所示。

圖3 柔性封堵結構圖（單位：mm）

3 封堵系統技術創新點

3.1 結構設計

通過研究發現，封堵結構的耐火性能和密封性能密切相關。在火災中，封堵結構的密封失效通常是由于封堵系統防火板材在高溫條件下金屬面發生變形，破壞密封系統造成的，因此將迎火面設計為耐火性能和隔熱性能優異的不銹鋼面硅酸鋁復合防火板，并對其金屬面企口部位進行密封加強處理，保證企口密封。中間設計采用不銹鋼龍骨固定，兩層防火板之間的間隙被設計為容錯層，能夠解決板材質量和施工質量分散性、板材拼縫熱短路等導致的局部溫度高的問題。經過迎火面防火板后，4h后空氣層溫度不超過600℃，可滿足巖棉板的使用溫度（巖棉材料的最高使用溫度約為600～700℃[4]），結合經濟性考慮，封堵系統的第二層防火板設計為巖棉板。

3.2 不銹鋼面硅酸鋁復合板

封堵系統遇到火災（1100℃左右）時，巖棉板面層金屬很快受熱變形，并拉動卡口變形，導致火從卡扣竄入，防火板材失效。針對板材變形問題，不銹鋼面硅酸鋁復合板由無磁化不銹鋼、鎂質防火板、硅酸鋁纖維復合而成。無磁化不銹鋼可避免在變壓器運行時出現封堵渦流發熱的情況；不銹鋼面板與鎂質防火板采用固定間距的固定釘固定，當不銹鋼面板變形時，靠內側鎂質防火板的拉力約束面材和卡口變形，保持板材的結構完整性；硅酸鋁纖維最高使用溫度為1200℃[5-6]，巖棉最高使用溫度為700℃，不銹鋼面硅酸鋁復合板能提升封堵結構整體的耐火性和隔熱性。

3.3 可活動擋火圈

柔性封堵部位中間空氣層、背火面使用可活動擋火圈設計，擋火圈使用防火膠固定于套管上，套管發生沉降時，擋火圈隨之發生位移。在日常運行過程中，擋火圈與套管同步震動；在火災發生時，擋火圈能有效保證小封堵密封性，減少了火災時的空氣熱對流，增強了小封堵及整個封堵系統的隔熱性能，另外可活動擋火圈能起到提升整個封堵系統耐受荷載能力的作用。

3.4 密封結構

在火災條件下，各種材料受高溫影響發生形變，如果在迎火面做密封，難以保證其密封性，并且會造成材料浪費。防火包邊封堵設計兩道密封，一道是迎火面板材背面使用鎂質防火板防火、隔熱，另一道是在背火面使用高溫硫化硅橡膠密封隔煙，中間層使用硅酸鋁作為隔熱層。柔性封堵在包邊封堵設計上增加第三道密封，使用硅酸鋁防火板在套管部位中間位置增加一道防火、隔熱層。隔熱層能有效降低背火面溫度，再對背火面閥廳側小封堵、板縫、板材與墻體間隙做密封處理，有效隔絕煙氣傳播。

4 結束語

2019年12月30日，“多層次防火封堵”系統在四川消防研究所進行了3h真型耐火試驗（5m×5m，帶模擬雙貫穿物），試驗過程中封堵系統結構完整，未出現漏煙現象。實驗結果表明該結構符合《防火封堵材料》（GB 23864—2009）中的相關要求，也滿足現場實際使用需求。目前，該防火封堵結構已經投入實際工程中。