特高壓變電站綜合消防能力提升研究

郭 楊，陳 昊*，湯宗堯，張凱恒，金 婷

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037）

0 引言

中國的電力需求呈現(xiàn)東部多西部少的態(tài)勢，而一次能源的分布卻恰好相反。因此，大范圍、遠距離的特高壓輸變電技術(shù)應運而生。截止2022年初，全國共有14 條交流特高壓和12 條直流特高壓輸電線路建成投運，緩解了東部地區(qū)的用電需求，極大地促進了經(jīng)濟的發(fā)展［1-10］。特高壓變電站作為整個特高壓輸變電工程的核心組成部分，其安全運行直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。從近年來系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的多起特高壓充油設備火災事故來看，如1 000 kV特高壓泉城變電站“11.22”變壓器爆燃事故，特高壓變電站的應急消防能力對保證人身和設備安全起著極為重要的作用［11-13］。特高壓變電站目前采用的是傳統(tǒng)消防設施，如常規(guī)消防管網(wǎng)、手動式泡沫噴淋滅火系統(tǒng)、

移動滅火裝置已不能滿足當前特高壓變電站所提出的持久、快速、精準、全覆蓋的消防要求。在此背景下，亟需提升國內(nèi)在運及在建特高壓變電站和換流站的消防應急處置能力，遏制重特大火災事故發(fā)生。本文從江蘇電網(wǎng)特高壓變電站消防實踐出發(fā)，提出了多項提升綜合消防能力的具體措施。

1 在運消防設施

1.1 消防管網(wǎng)系統(tǒng)

特高壓變電站消防管網(wǎng)系統(tǒng)一般由消防水泵房、消防水池、消防管網(wǎng)、消防穩(wěn)壓裝置和消防栓等設備組成。以某1 000 kV 特高壓站為例，消防泵房有2 條出水管直接與室外消防水管網(wǎng)連接，全站室內(nèi)共設置23個消防栓，室外共設置30個消防栓。室內(nèi)消防栓用水量為10 L/s，室外消防栓用水量為15 L/s。

消防水池容量為180 m3，可供消防泵使用約1.5 h，消防水池水位可通過消防水位觀測儀觀測，且由控制柜自動控制，水位低時自動補水，水位到達設定值時，自動停止補水。消防管路覆蓋全站各個區(qū)域，包括1 000 kV 設備區(qū)、500 kV 設備區(qū)、主變及110 kV 設備區(qū)，以及主控通信樓、站用電室、各保護小室、備品備件庫等建筑外圍。消防管網(wǎng)穩(wěn)壓裝置配置2臺穩(wěn)壓泵和2 臺消防主泵，均為一主一備。穩(wěn)壓泵功率為單臺功率5.5 kW，消防主泵功率為單臺37 kW。消防穩(wěn)壓泵控制柜及消防泵控制柜均有雙電源自動切換裝置，主電源失去，可自動切至備用電源。當兩路電源均失去時，可采取站用電系統(tǒng)外接應急電源接入箱的模式進行供電，具有較高的可靠性。

1.2 泡沫噴淋系統(tǒng)

1 000 kV變壓器是特高壓變電站內(nèi)的核心設備之一，起著變換電壓，聯(lián)絡兩級電網(wǎng)，相互輸送功率的重任。以某1 000 kV 特高壓站為例，在運特高壓變壓器形式為單相、油浸式、中性點變磁通無勵磁調(diào)壓［14-25］。每臺變壓器由主體變和調(diào)壓補償變（簡稱“調(diào)補變”）兩部分組成。主體變和調(diào)補變器身各自獨立，油路互不聯(lián)通，各有一個油枕，主體變與調(diào)補變各出線套管在外部通過導線連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓變壓器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 UHV transformer structure

變壓器如若發(fā)生火災導致設備跳閘，將導致1 000 kV、500 kV兩級電網(wǎng)開環(huán)運行，嚴重影響系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，站內(nèi)的每臺變壓器均配置了泡沫噴淋消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由儲液罐、泡沫滅火劑、電磁控制閥、動力瓶組、驅(qū)動裝置、減壓裝置、分區(qū)閥、減壓閥、泡沫噴霧噴頭、控制盤及管網(wǎng)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其動作原理是，當纏繞在變壓器本體上的感溫線纜探測到溫度異常急劇升高，檢測模塊會向消防主機發(fā)送報警信號，站內(nèi)值班人員接到火災信號，確認變壓器已失電，且現(xiàn)場確認有火情后，在主控室火災報警控制器上手動或到現(xiàn)場手動開啟泡沫噴淋裝置，火災報警控制器發(fā)出啟動命令，打開氮氣啟動瓶電磁驅(qū)動器，釋放啟動氣體，啟動氣體通過啟動管路打開氮氣動力瓶組。動力源氣體經(jīng)減壓閥、高壓軟管和集流管進入儲液罐，推動泡沫滅火劑經(jīng)過分區(qū)控制閥和滅火劑輸送管道輸送到防護區(qū)。安裝在管網(wǎng)末端的泡沫噴霧噴頭將泡沫滅火劑霧化成泡沫噴至燃燒的變壓器器身上，形成隔離層，使燃燒物因缺氧而熄滅。

圖2 泡沫噴淋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of foam spray system

1.3 移動消防設施

根據(jù)國家能源局頒布的《電力設備典型消防規(guī)程》要求，變電站的主控通信樓、繼電器室、走廊通道及電纜夾層處均應配置不同類型的移動式滅火裝置，且每一處數(shù)量不得小于3具。同時，在大型充油設備附近，如主變壓器、換流變壓器、線路高抗、大容量站用變附近應設置消防器材室。依據(jù)上述要求，本文舉例的某1 000 kV特高壓站中各建筑物室內(nèi)共配置62個手提式干粉滅火器。站內(nèi)一次設備區(qū)，分布在1 000 kV 主變壓器、1 000 kV線路高壓電抗器、110 kV站用變壓器等充油設備旁，分別設置了1個消防器材室，室內(nèi)包含一定數(shù)量的消防沙箱、消防桶、鐵鍬、消防斧及手推式泡沫滅火劑器。

2 在運消防設施的局限性

由上述討論可知，特高壓變電站配置的消防設施與一般變電站基本相似，主要為水消防和泡沫消防，手段較為常規(guī)，且由于特高壓變電站設備電壓等級高，一次設備體量大，導致用水量遠遠高于一般變電站。常規(guī)的消防設備難以滿足持久、快速、精準、全覆蓋的更高要求。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

1）在運消防設施的滅火介質(zhì)（水、泡沫混合液）存儲容量比較有限，若設備的火情較為嚴重，當存儲介質(zhì)消耗完后，可能還無法有效控制火情，因此會面臨更大的危險；

2）特高壓變壓器泡沫噴淋裝置的動作模式為人工遠方手動啟動或者現(xiàn)場手動啟動，從設備出現(xiàn)火情到泡沫噴淋裝置動作并開始噴淋泡沫，花費時間較長，無法滿足快速響應的要求，不能將火情消滅在最初期，以減輕對昂貴設備的損壞程度；

3）目前對充油設備配備的消防設施，如泡沫噴淋裝置，均是在設備起火后，以外界干涉的方式進行滅火，并未從源頭上進行治理，變壓器一旦發(fā)生故障引發(fā)火災，且不能在短時間內(nèi)撲滅明火，箱體內(nèi)大量的絕緣油在高溫下將會持續(xù)燃燒，造成火勢蔓延，甚至引發(fā)箱體爆燃等一系列嚴重危害人身和設備安全的事故［26-28］；

4）站內(nèi)目前配置的消防設施以固定式為主，靈活性欠佳，機動性較差。雖有另行配置的簡易消防裝置，如手推式泡沫滅火劑，但也只能處理小型火災，若遇到大型火災，無法做到全面覆蓋無死角。

3 綜合消防能力提升措施

針對在運消防設施的局限性，特高壓變電站現(xiàn)場除了采取加強巡視等管理手段外，應對當前存在的問題，提出綜合消防能力提升措施。

3.1 增加滅火介質(zhì)容量

為提供持續(xù)、恒定、滿足設計時間要求的噴淋，某1 000 kV 特高壓站在原有消防水池的基礎上，修建了新的消防水池，容量為270 m3，為原水池的1.5 倍。目前，消防水池的總儲水容量可達450 m3，可供消防泵使用約4 h，時間為原來的2.5倍，保證站內(nèi)出現(xiàn)火情時有充足的水量儲備。另一種滅火介質(zhì)是存儲在主變消防泡沫室內(nèi)的泡沫混合液，一期工程泡沫罐容量為15 000 L，設計噴淋時間為30 min。二期工程考慮到泡沫室的可用利用空間和更長的噴淋時間，用新罐體替換了舊罐體，容量升級為24 000 L，可連續(xù)噴淋45 min，較一期工程有顯著提高。

3.2 泡沫噴淋控制系統(tǒng)改造

某1 000 kV 特高壓站目前配置1 臺JB-QBGST500 型火災報警總控制器，位于主控室，實現(xiàn)值班人員對全站火災報警系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制；1臺JBQB-GST200 型火災報警控制器，位于主變消防泡沫室，用于控制主變泡沫噴淋系統(tǒng)。為達到快速響應、精準噴淋的要求，在手動啟動噴淋裝置的基礎上，通過對控制回路進行升級改造，實現(xiàn)控制系統(tǒng)自動噴淋的功能。自動噴淋的條件為［29］：1）感溫電纜探測溫度達到動作值；2）高壓側(cè)開關在分位；3）高壓側(cè)無電壓；4）中壓側(cè)開關在分位；5）中壓側(cè)無電壓；6）重瓦斯接點動作信號，當上述6個條件滿足一定要求時，泡沫噴淋系統(tǒng)自動出口，其邏輯框圖如圖3所示，通過從高中壓側(cè)電壓互感器端子箱和開關匯控柜接線引入火災報警控制器，實現(xiàn)上述功能。

圖3 泡沫噴淋系統(tǒng)動作邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of foam spray system action

因站內(nèi)消防能力有限，當發(fā)生較大火情或火勢不能得到有效控制，需本地專業(yè)消防部門支援時，為便于站端與消防部門互聯(lián)互通，在主控樓新增了1 臺GST6000D消防傳輸設備，實現(xiàn)本站火災報警系統(tǒng)與本地消防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，便于本地消防部門實時監(jiān)測站端的火災情況，隨時做好應急支援的準備。

3.3 加裝變壓器主動排油裝置

為避免變壓器因故障引發(fā)火災帶來的危害，從根本上防治變壓器燃燒的問題，提出在變壓器油箱事故排油閥處加裝主動式應急排油裝置的方案，從設備源頭上加強變壓器火災風險防控，保障電網(wǎng)安全［30］。

某1 000 kV特高壓站主體變和調(diào)補變的油箱上均有事故排油閥門，供設備檢修情況下，人工手動就地操作。本文提出的具有遠程控制功能的排油裝置，能夠在火災期間，人員無法靠近排油閥的情況下，使變壓器油自動迅速排入集油坑，有利于火情在火災初期時得到快速有效控制，避免火情擴大，造成油箱爆燃的風險。

主動式應急排油系統(tǒng)主要由本體排油閥、三通閥、檢修閥、截止閥、電動球閥（一主一備）、泄漏檢測儀及排油管道等部件組成，當變壓器發(fā)生火災時，可遠程啟動電動球閥實現(xiàn)電動排油功能，在變壓器正常運行時監(jiān)測應急排油系統(tǒng)的狀態(tài)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 應急排油系統(tǒng)設備示意圖Fig.4 Schematic diagram of emergency oil discharge system equipment

其工作原理是，主變正常運行時，本體事故排油閥打開，三通閥關閉，檢修閥打開，2 個電動球閥關閉。當主變發(fā)生火災時，值班人員迅速在應急排油控制屏上按下排油按鈕，主電動球閥導通，迅速排油。電動球閥的動作條件與泡沫噴淋系統(tǒng)一致，如圖3所示，現(xiàn)場排油裝置如圖5所示。

圖5 排油系統(tǒng)實物圖Fig.5 Physical picture of oil discharge system

經(jīng)相關試驗計算所得實測數(shù)據(jù)，該站主體變單臺油重116 t，冷油狀態(tài)時，排油速率為1.65 t/min，排油時間約為71 min；熱油狀態(tài)時，排油速率為冷油時的1.2 倍，為1.98 t/min，排油時間約為60 min。變壓器火災時，油溫高、油壓大，同時也受變壓器破空狀態(tài)因素影響，排油時間可進一步縮短，滿足2 h 排空的設計要求。

3.4 配置大容量消防車

為使消防滅火更加機動靈活，達到全面覆蓋、有效支援的要求，站內(nèi)新增1個消防戰(zhàn)斗班，定員8人，并配置2 臺大容量消防車，1 臺為泡沫消防車，滅火原理與泡沫噴淋系統(tǒng)相同；另1 臺為泡沫細水霧渦扇炮智能消防車，主要用于對著火設備四周噴灑泡沫細水霧，用于降低火場周圍溫度，防止對相鄰設備造成損壞，如圖6-圖7所示，一旦發(fā)生火情，車輛可迅速開到著火設備附近，以最佳位置開展滅火工作。

圖6 泡沫消防車Fig.6 Fire-extinguishing foam tanker

圖7 泡沫細水霧渦扇炮智能消防車Fig.7 Foam fine water mist turbofan intelligent fire engine

泡沫消防車可存儲4 t 水、2 t 泡沫原液，泡沫細水霧渦扇炮智能消防車可存儲10 t 水、2 t 泡沫原液。根據(jù)燃燒物性質(zhì)的不同，既可以直接用水，也可以用泡沫混合液作為滅火介質(zhì)。無論是單獨滅火還是與泡沫噴淋系統(tǒng)協(xié)同配合滅火，都能起到有效支援的作用。消防車對應工況數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 消防車工況數(shù)據(jù)表Table 1 Fire truck operating data sheet

4 結(jié)語

特高壓變電站作為電網(wǎng)中的關鍵節(jié)點，其安全運行對系統(tǒng)穩(wěn)定起著至關重要的作用，確保站內(nèi)一次、二次設備的消防安全是保證全站可靠運行的基礎，也是當前的工作重點。本文基于對在運消防設施的分析，總結(jié)其局限性，提出了多項具有針對性的消防能力提升措施。對后續(xù)特高壓變電站消防系統(tǒng)新建工程具有一定的指導意義。