添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統應用技術

陳寶輝，劉毓，周天念，吳傳平，李波

(1. 國網湖南省電力公司防災減災中心(電網防災減災全國重點實驗室)， 湖南 長沙 410129； 2. 湖南省防災科技有限公司，湖南 長沙 410129)

0 引言

油浸式變壓器是電網重要的核心電工裝備之一。油浸式變壓器內部含有數十至上百噸可燃烴類變壓器油，變壓器內、外部故障極易引燃變壓器油，觸發火災。變壓器正常運行時溫度達90℃以上，起火后火勢發展快，難以滅火[1-5]。火災燒毀變壓器及周邊設備，造成惡劣的社會影響。2016年，陜西某變電站發生火災，燒毀多臺變壓器，造成8萬多戶停電。2018—2019年，我國發生多起特高壓換流變壓器火災，已成為嚴重威脅我國電網安全運行的重大災害。水是最經濟的滅火介質，水噴霧滅火系統是最傳統的變壓器滅火系統，也是目前應用最廣的變壓器滅火系統之一。水噴霧滅火系統由水池、水泵組、雨淋閥、管網、噴頭等組成。依據GB 50219—2014《水噴霧滅火系統技術規范》，變壓器本體的水霧保護強度設計值為20 L/(m2·min)，集油坑的水霧保護強度設計值為6 L/(m2·min)[6]。雖然水噴霧滅火系統的水流量大，但是從近幾年發生的幾起大型變壓器火災事故案例的分析發現，現有水噴霧滅火系統對變壓器的火災保護能力存在明顯不足，主要體現在兩個方面：水與油接觸后分層，難以滅油火，只能起到降溫作用；變壓器油火溫度高達1 200℃以上，水噴霧滅火系統噴頭、管網離變壓器較近，容易被高溫油火燒熔或者因熱脹冷縮造成管網破壞。因此亟需提升變壓器水噴霧滅火系統的滅火能力，保障變壓器火災安全，提升電網本質安全水平。

近年來，國家電網有限公司聯合國內多家科研院所開展技術攻關[7-14]，開展了系統變壓器油火防治技術研究工作。針對目前變壓器滅火系統存在的防火問題，提出了兩條技術路線：一是開發防爆能力和滅火能力均更強的滅火系統，如空氣壓縮泡沫滅火系統[15]和泡沫細水霧渦扇炮系統[16]；二是對傳統水噴霧滅火系統滅火性能和防火防爆能力的改進提升[7，17-18]。本文針對第二條技術路線，提出基于水噴霧滅火系統滅火能力及防火防爆能力全面提升的成套方案，并搭建真型變壓器模型滅火試驗平臺，將具有純水噴霧和添加水系滅火劑的水噴霧滅油火的性能相對比，驗證后者的滅火性能，為變壓器火災的可靠防治提供指導。

1 添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火 系統

針對水噴霧滅火系統存在的滅火效率低及噴頭和管道易損壞的問題，提出一種添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統，主要包括供水設備、滅火劑比例混合裝置、雨淋閥、水噴霧管網等，如圖1所示。

該方案針對滅火劑添加、消防管網防火和防爆增強的說明如下：

1)采用比例混合裝置現混水系滅火劑滅火。比例混合裝置可以選擇壓力式比例混合裝置、平衡式比例混合裝置、機械泵入式比例混合裝置、計量注入式比例混合裝置中的一種。對于滅火劑使用量小于10 m3的系統，建議采用壓力式比例混合裝置，具有更好的經濟性；對于滅火劑用量在10 m3以上的系統，可采用平衡式比例混合裝置、機械泵入式比例混合裝置、計量注入式比例混合裝置中的一種。

2)滅火劑采用混合比為3%或6%的水系滅火劑或者泡沫滅火劑。其中水系滅火劑滿足國家標準GB 17835—2008的要求，滅火能力不小于55B；泡沫滅火劑滿足國家標準GB 15308—2006的要求，滅火性能級別應為Ⅰ級，抗燒水平不應低于C級。選擇絕緣性能好的滅火劑，研究發現絕緣性能好的滅火劑可以更加安全地保護變壓器高壓套管等帶電部位，避免電氣擊穿和沿面閃絡，即使滅火系統誤噴，也能保障變壓器安全[19-20]。

3)采用不銹鋼等耐高溫材質的噴頭。不銹鋼的熔點可達1 200℃以上，高于銅質材料的1000℃，可以顯著提升噴頭的抗燒能力，不銹鋼噴頭經變壓器油火灼燒后仍可正常工作。

4)對消防管網特別是對卡箍連接處進行防火處理。在管網及其連接件部分刷涂多層室外超薄型防火涂料，可顯著提升防火能力。試驗結果表明，同樣在變壓器油火下灼燒3 min，未涂防火涂料的卡箍，內部橡膠墊圈幾乎被完全燒毀，刷涂6層防火涂料的卡箍內部墊圈完好無損。

5)改進水噴霧滅火系統的管網。設計長射程噴頭，緊貼防火墻安裝，避免消防管網因變壓器局部爆炸而損壞；此外，針對消防管網接頭等容易損壞的部位做防爆加強處理，提升系統整體的防爆能力。

6)對于添加滅火劑的水噴霧滅火系統，水霧保護強度仍然可以設置為本體20 L/(m2·min)，集油坑6 L/(m2·min)；也可適當降低保護強度，但需依據國家標準GB 50219—2014經滅火試驗確定。

傳統水噴霧滅火系統抑制變壓器油火需要滿足兩個條件：一是水必須成霧，才能通過對變壓器油火的擾動滅火；二是水霧必須完全覆蓋火場才能滅火。而變壓器表面極不規則，在現實設計與應用中，常常難以保證所有區域均有直射水霧的保護。本方案在添加滅火劑后，滅火水劑本身具有強的滅火能力，即使系統局部破壞失壓不能成霧也能滅油火，并且滅火水劑即使未能完全覆蓋變壓器，也可通過擴散覆蓋滅火，因此滅火能力和可靠性較傳統水噴霧系統顯著提升。通過對管網的防火、防爆加強處理，可以顯著提升水噴霧滅火系統的防火、防爆能力。

2 滅火驗證試驗

2.1 試驗裝置

以110 kV真型變壓器為模型，搭建模擬滅火試驗平臺。變壓器器身長5.2 m、寬2.5 m、高2 m，油枕面積為4.3 m2。依據國家標準GB50219—2014的設計原則進行設計，并在設計總流量的基礎上放大1.1倍，最終的系統總流量為1 322 L/min，系統最不利點的壓力為0.35 MPa。采用3種噴頭，ZSTWB34/90(15個)、ZSTWB23/90(4個)、 ZSTWB21/120(5個)，以上24個噴頭采用兩排主管道圍繞在變壓器周圍。變壓器器身的前方和后面各采用7個噴頭，其中第一排3個噴頭，第二排4個噴頭；變壓器器身左右兩側各采用4個噴頭，每排2個噴頭；油枕采用單獨的2個噴頭保護。噴頭布置后開展水噴霧包絡試驗，保證變壓器器身、油枕及集油坑全部被水霧良好包絡。

試驗共采用9個油盤火模型，其中變壓器頂部2個，尺寸分別為4 200 mm×2 500 mm×40 mm和900 mm×2 500 mm×40 mm，模擬高壓套管等破裂后流淌到變壓器頂部的油火；變壓器前方設置4個油盤，尺寸分別為φ1 000 mm×200 mm、φ700 mm×200 mm、500 mm×1 800 mm×200 mm、1 000 mm×1 000 mm×200 mm，模擬變壓器油流淌到不同部位的油火。變壓器后方設置2個長方形油盤，尺寸都為2 500 mm×600 mm×200 mm，模擬集油坑的油火。變壓器側面設置1個圓形油盤，尺寸φ1 700 mm×200 mm，模擬變壓器器身側面破壞后流淌的油火。油盤的俯視圖如圖2所示。

圖2 變壓器油盤布置俯視圖

2.2 試驗方法

首先在各油盤中加入變壓器油，其中頂部2個油池的加油量為260 L，變壓器前方4個油池的加油量為100 L，變壓器后方兩個油池的加油量為120 L，變壓器側面油池的加油量為60 L，以上共計540 L。然后在各油盤中澆入少量的汽油手動引燃，等所有油盤中油火都蔓延開后開始計時，預燃2 min 30 s，開啟系統滅火，記錄試驗結果。如果油火無法撲滅，采用添加水系滅火劑的移動式消防車進行滅火。

一共開展3次試驗：系統完整下的純水噴霧滅火試驗；系統完整的情況下，添加6%水系滅火劑的水噴霧滅火試驗；摘除4個噴頭 (占總噴頭數的16.7%)后，添加6%水系滅火劑的水噴霧滅火試驗。摘除的噴頭為圖2中右下角的4個噴頭，摘除噴頭的滅火試驗模擬變壓器火災高溫或爆炸損壞部分噴頭的滅火情況。摘除噴頭后，整個系統的最不利點壓力從0.35 MPa下降至0.2 MPa，系統總流量增大至1 805 L/min。試驗所用的水系滅火劑是自主開發的S-6-AB水系滅火劑，具有乳化變壓器油等阻燃滅火、滅火效率高、絕緣性能好等特點。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

3.1.1純水噴霧滅火試驗

采用純水噴霧滅火的試驗過程如圖3所示。純水霧142 s撲滅了變壓器上部、后方、側面的水霧直射覆蓋范圍內的油火；而變壓器前方水霧未直射保護的兩個小油盤火在303 s內一直不能撲滅，且沒有變小的趨勢，只能手動滅火。

(a)0 s時的狀態

(b)預燃90 s，開始滅火

(c)耗時142 s，撲滅上、后、側方火災

(d)耗時303 s，前方火災無法撲滅

(e)采用人工滅火

3.1.2添加水系滅火劑的水噴霧滅火試驗

添加水系滅火劑后，水噴霧滅火系統的滅火效率顯著提升，在42 s內撲滅全部油火，試驗過程如圖4所示。

(a)0 s時的狀態

(b)預燃90 s，開始滅火

(c)耗時42 s，撲滅全部火災

3.1.3摘取部分噴頭后添加水系滅火劑的水噴霧滅火試驗

在摘除16.7%比例的噴頭后，即使變壓器滅火系統的壓力顯著下降，添加油乳化滅火劑的水噴霧滅火系統仍然能在約40 s內滅火。試驗過程如圖5所示。

(a)0 s時的狀態

(b)預燃90 s，開始滅火

(c)耗時40 s撲滅全部火災

水噴霧滅火試驗

3.2 結果分析

傳統意義上，水和油分層，水噴霧滅火時水會迅速沉降至油下方，因此不適合用于滅油火。但是變壓器油屬于偏重油，密度和黏度均較大，因此可以采用水噴霧抑制火災甚至滅火。從本文試驗結果中可以看出，純水噴霧滅變壓器油火的能力很大程度依賴于水霧霧滴的直射動能。直射水霧具有的動能可有效剝離變壓器油火，并對燃油起到攪動作用，有利于降溫抑火。但是從圖3的試驗可以看出，純水噴霧無法撲滅噴頭未直射區域或較隱蔽區域的變壓器油火，在較長時間內火勢一直無法控制，且沒有變小的趨勢，只能采用人工滅火。

相比較，添加了水系滅火劑后，變壓器油火在短時間內全部被撲滅。這是由于添加水系滅火劑后，滅火水劑本身具有了很好的滅火能力，可以通過滅火劑在變壓器器身上的逐步擴散進行滅火，因而顯著增強了整個系統的滅火能力。并且當水噴霧系統部分失壓后，添加水系滅火劑的水噴霧滅火系統仍然可以保持較好的滅火能力。

4 結論

本文提出添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統應用技術，以及滅火系統防火防爆能力增強的方案，可顯著提升水噴霧滅火系統的滅火能力和可靠性。研究滅火劑對水噴霧滅火系統滅變壓器油火性能的影響，為變壓器火災的可靠高效防治提供指導。

本文主要結論為：1)純水噴霧難以撲滅水霧未直射區域或半遮蔽區域的變壓器油火；2)水系滅火劑的添加可以顯著提升變壓器水噴霧滅火系統的滅火性能；3)當滅火系統部分失壓后，添加水系滅火劑的水噴霧滅火系統仍然可以高效滅火。