固定式CAFS裝置在特高壓換流站中的應用

白光亞，李天佼，張 誠，趙偉利

（1.國家電網有限公司直流建設分公司，北京100052；2.山東誠信工程建設監理有限公司，濟南250100）

特高壓換電站中的電力設備復雜，易出現火災，不僅會影響電力系統的正常運行，還會帶來嚴重的人員傷亡與經濟損失[1]。目前特高壓換流站選用的滅火系統從火災特性入手設計并安裝相應的滅火裝置，提高換流站火災撲救的可靠性。

目前國內外研究成果，主要為文獻[2]提出的水滅火系統，通過末端噴頭噴出去的水直接滅火降溫，但實際效果僅為5%～10%，且對操作技術的要求較高，操作不當會導致火勢的進一步蔓延；文獻[3]提出的大規模特高壓換流站，其配置了數量較多的滅火裝置，消防水池面積不斷擴大，但是消防管道布置臃腫，不利于換流站的后期維護。

為解決傳統滅火裝置存在的應用問題，研發壓縮空氣泡沫滅火系統，簡稱CAFS。與常規的水滅火系統相比，CAFS 系統的滅火效率高出10 倍以上，且壓縮空氣泡沫產生于前端主機部分，因此受火焰、高溫、煙氣、爆炸等因素影響小，系統可靠性高，將其應用到特高壓換流站中，能夠在火災發生時快速滅火，并防止火災復燃。

1 特高壓換流站中的固定式CAFS 裝置設計

根據火災發生的基本原理，火焰的穩定燃燒需要3 個要素的支持，分別為氧氣、可燃物和火源，那么在滅火過程中只要破壞上述3 個要素中的一個，便可終止燃燒反應，控制火焰燃燒。

固定式CAFS 裝置的原理是將泡沫原液和水按一定比例混合，再將壓縮空氣注入到泡沫混合液中，通過細化控制混合液的混合比例及均勻度，讓其發泡成均勻、細膩、穩定的泡沫滅火劑，再通過管路系統輸送至末端噴射裝置[4]。

1.1 建立特高壓換流站輸電模型

通過統計特高壓換流站所有設備型號及設備之間的連接方式，構建相應的結構模型，如圖1所示。

圖1 特高壓換流站結構模型Fig.1 Structural model of UHV converter station

圖1中換流站內的換流閥與換流變壓器共同構成換流器。換流相位可使換流器處于整流或逆變狀態。交流濾波器的作用是控制系統產生的諧波[5]。另外換流變壓器的工作特征可以分為磁路和電路兩部分，對應方程為

式中：i 的取值為1 或2；ri和ii分別為繞組的電阻和電流；Liσ和Ni分別為繞組的漏感和匝數；A，l，B，H和φ 分別表示的是變壓器鐵芯中有效橫截面積、磁路長度、磁感應和磁場強度、磁通；Ei為變壓器繞組的感應電勢。同理可得到特高壓換流站中整流閥、控制器、濾波器等組件的運行表達式。為了避免換流站中任意2 個設備之間的運行干擾，設置了最小空氣凈距，其計算公式為

式中：d 為最小空氣凈距的計算結果；kj和U50-corr分別為電氣設備表征電極形狀特性的間隙系數和標準大氣條件下的沖擊放電電壓。

1.2 分析固定式CAFS 裝置的應用要求

在特高壓換流站輸電模型下，分析各個組件工作模式，可以得出特高壓換流站火災發生的特點[6]。

1.3 選擇固定式CAFS 裝置組件型號

固定式CAFS 裝置的具體組成情況，如圖2所示。

圖2 固定式CAFS 裝置組成Fig.2 Composition diagram of fixed CAFS device

1.3.1 進水組件

把系統的進水管道連通到站內的消防水源管道，采用由過濾器、閘閥、止回閥、增壓泵等組成的雙通道給水管道，根據進水的壓流速度形成無負壓疊壓供水效應，對主機持續供水。

1.3.2 泡沫比例混合組件

由于CAFS 裝置中泵流量的調節是通過變轉速實現的，因此柱塞泵選擇定排量型。在泡沫混合過程中，根據泡沫比例的計算結果[7]，柱塞泵的定排量計算公式為

式中：D，S 和Z 分別對應的是活塞直徑、行程和數量。電機部分選擇直流電機，其轉速與功率參數根據柱塞泵的參數確定，分別為1450 r/min 和300 W。根據確定的水泵壓力選擇型號為1W2.4-10.5 的漩渦式水泵和SZGB-4A 傳感器。

1.3.3 儲存組件

儲存組件即泡沫原液儲存系統，共儲存配置為3%的泡沫原液20 t。泡沫罐有保溫防撞措施，同時配有觀測實時液位的磁翻板液位計和遙傳數字液位計，便于操作人員在第一時間了解泡沫原液儲存情況。泡沫罐內還設有檢修人員孔、加液口、溢流孔、排空管、取樣管等設備。

1.3.4 自動調壓控制組件

自動調壓裝置由泵、溢流閥、調壓閥及連接管路構成，用來向壓力系統供液，其工作原理如圖3所示。

圖3 自動調壓供液裝置工作原理Fig.3 Working schematic diagram of automaticpressure regulating liquid supply device

水泵輸出液體由溢流閥控制，其壓力保持在溢流閥設定范圍內，再通過調壓閥將液體壓力供給系統[8]。隨著泵排出液壓力的變化，調節閥閥芯自動調節閥門開度，始終保持平衡。當調壓閥處于開啟和平衡狀態時，閥芯的壓力平衡方程為

式中：變量p0，p1和p2分別為泵出口、控制和供液壓力；A0和A′表示閥芯下、上作用面積；A1和A1′表示隔膜上、下作用面積；m 和g 表示閥芯質量和重力加速度。

1.4 配制固定式CAFS 裝置的泡沫滅火劑

根據火災類型，選擇合適的滅火劑[9]。在諸多火災類型中，C 類火災專指帶電電氣設備引起的火災，應選擇C 類泡沫滅火劑。C 類滅火劑配置方式獨特，屬于泡沫潤濕劑的一種。泡沫滅火劑與水充分混合后能夠提高水分子的滲透性能，降低水分子的表面張力。

在配置滅火劑前，首先須計算壓縮空氣泡沫配方中各個成分的混合比。C 類泡沫的混合比例須控制在1%以下。設定固定式CAFS 裝置中的柱塞泵組件在達到最大流量α 時對應的泡沫比例為1%，此時裝置中的水流量用β 表示。那么在β 不變的條件下，固定式CAFS 裝置中泡沫滅火劑的最低混合比例可以表示為

式中：γ 表示柱塞泵在最低流量點上的流量值。

利用靜態混合器按照公式（5）的計算結果，混合處理多個成分，并保證裝置內的空氣處于平衡狀態[10]。

1.5 實現固定式CAFS 裝置的設計與安裝

連接固定式CAFS 裝置的各個組件，并將配置好的滅火劑注入到裝置內。起火時，首先利用空壓機設備啟動該裝置，吸入大量空氣，同時借助水泵向管路內供水，流經泡沫混合組件的水與泡沫原液按配置比例混合[11]；其次將帶壓空氣、水、泡沫液輸送到混合室內進行混合攪拌 （混合僅在混合室進行）。混合完成后產生的高能滅火泡沫經過混合室進入一個密閉的管路系統，由管路系統上的各個噴射裝置噴入火中。因為噴射裝置上不裝有任何吸氣裝置，在進入混合室前吸入的空氣在噴出后恢復常壓狀態；最終將具有滅火性能的空氣泡沫盡可能地噴射到可燃物表面。

將設計并調試完成的固定式CAFS 裝置安裝到特高壓換流站的指定位置上，具體的安裝結果如圖4所示。

圖4 固定式CAFS 裝置在特高壓換流站中的安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of installation of fixed CAFS device in UHV converter station

在安裝過程中須考慮換流站進場的時間，按照以下順序進行安裝，即管路安裝、主機設備安裝、閥室安裝、電氣線路連接和調試。CAFS 的管路安裝必須在安裝每個換流位置之前完成，避免發生交叉作業。管道焊縫探傷、沖刷、加壓3 道安裝流程必須在系統試噴前完成。沖刷和加壓的前提是站區消防水系統必須投入使用，消防水池中消防泵組可抽水量不少于1000 m3。應制定專項方案，明確范圍、檢測數據、電動閥門保護措施、應急措施等內容。打壓完成后采用法蘭連接的方式連接噴淋管道，并完成管道沖洗。

2 應用性能測試實驗分析

為了測試固定式CAFS 裝置在特高壓換流站中的應用性能，設計性能測試實驗，定性分析量化的測試結果。由于特高壓換流站的危險性較高，火災形勢很難控制。為了降低實驗對實際工作環境產生的負面影響，此次實驗采用仿真的形式進行。

2.1 選擇特高壓換流站環境

實驗選擇的特高壓換流站為青豫特高壓駐馬店±800 kV 換流站工程，該工程起點為青海省海南換流站，終點為河南省駐馬店換流站，全程共計1588 km。經過3年的運行，該換流站的工作模式逐漸趨于穩定，平均年輸電量達到400×109kW 以上。為了降低實驗工作量，選擇青海省省內的多個特高壓換流站作為實驗對象，并收集其歷史運行數據作為實驗的基礎數據。

2.2 配置應用性能測試實驗平臺

特高壓換流站實驗環境以及所有點火、滅火設備均使用VeriStand 軟件建立相應的仿真平臺。通過VeriStand 軟件添加仿真模型和硬件端口，經過仿真映射控制模型動作。配置系統資源和軟、硬件的集成。

固定式CAFS 裝置噴出的泡沫屬于一種半液態物質，會因為內部流體的演變而發生變化，因此在實驗開發平臺下嵌入一個AMESim 插件，主要用來模擬實驗環境中的流體介質，涉及的流體介質在實驗環境中對應的參數設置情況，如表1所示。

表1 仿真環境中流體介質參數設置Tab.1 Setting of fluid media parameters in simulation environment

另外實驗平臺中還設置了觸發、蔓延等控件，用來控制仿真特高壓換流站中火勢的嚴重程度及固定式CAFS 裝置的使用狀態。實驗平臺中還須嵌入泡沫收集器、溫度測定儀等性能測試裝置，在實驗結束后可以調取后臺數據，直接得出量化的測試結果。

2.3 設置火源模擬火災場景

在相同實驗環境下設置多個火災場景，火源位置分別為變壓器、濾波器、電阻絲等，其中變壓器火災類型在第10 s 的模擬場景，如圖5所示。

圖5 火災場景模擬Fig.5 Fire scene simulation

2.4 設置應用性能測試指標

實驗分別從兩個方面來分析固定式CAFS 裝置的應用性能，一方面是固定式CAFS 裝置自身的發泡倍數，其計算公式為

式中：W1和W 分別為泡沫充滿前后容器的重量；ν表示容器的容積；ρ 為泡沫混合液的密度。另一方面是分析在模擬特高壓換流站不同的火災場景下，應用固定式CAFS 裝置前后的火災面積、持續時間。

2.5 設置固定式CAFS 裝置運行參數

將設計的固定式CAFS 裝置安裝在仿真模擬環境中，其運行參數如表2所示。

表2 固定式CAFS 裝置運行參數Tab.2 Operation parameters of fixed CAFS device

2.6 應用性能測試過程與結果分析

除了設計的固定式CAFS 裝置外，還設置了傳統水滅火系統[2]應用的PQ4 泡沫槍和PQ8 泡沫槍作為實驗的2 個對比項。3 種滅火裝置在相同的火災場景中進行應用，且運行參數與測試指標均相同，保證實驗變量的唯一性。在特高壓換流站環境中的不同位置上啟動火源，并在10 s 后同時啟動3 個滅火裝置，通過相關數據的統計與處理，得出滅火裝置發泡倍數的測試結果，如表3所示。

從表3中可知，3 種滅火裝置的平均發泡倍數分別為16.6 倍、17.9 倍和19.3 倍。另外通過分析火災后場景，調取后臺數據，可以得出最終的應用性能測試結果，如表4所示。

表3 滅火裝置發泡倍數測試結果Tab.3 Test results of foaming multiple of fire extinguishing device

表4 應用性能測試結果Tab.4 Application performance test results

由表4可知，將3 種不同的滅火設備應用到特高壓換流站場景中，最終的平均受災面積分別為159.35 m2，138.83 m2和113.74 m2。從火災的持續時間來看，應用3 種設備的平均受災時間為0.57 h，0.39 h 和0.25 h。由此可見，應用設計的固定式CAFS裝置的特高壓換流站場景受災程度更低。

3 結語

應用固定式CAFS 裝置降低了特高壓換流站的救災難度，同時降低了火災所帶來的各方面損失。然而受到時間和空間的限制，實驗選擇的對比項較少，且采用的是仿真方式，因此得出的實驗結果可能會存在誤差，從而降低實驗結果的可信度。針對這一問題還需要在今后的研究工作中進一步補充與完善。