變壓器水噴霧滅火系統優化研究

摘要：

水噴霧滅火系統以水為滅火介質，利用水霧噴頭在壓力水流的作用下產生水霧進行控火、滅火，是變壓器常用的固定式滅火系統之一。本文結合電力工程的實際情況，參考自動噴水滅火系統的噴頭布置原則，在現行規范要求的基礎上，對水霧噴頭與保護對象的距離進行討論，優化噴頭和管網的布置形式，保證供水率及噴頭的水霧噴射效果，從而保證火災發生時能更加有效地控火、滅火。

關鍵詞：水噴霧滅火；油浸變壓器；水霧噴頭布置；自力式爆管切斷閥

引言

電力變壓器是由鐵芯柱或鐵軛構成的完整閉合磁路，是由絕緣銅線或鋁線制成線圈，從而形成變壓器的原、副邊圈。大多數變壓器都是采用油浸自然冷卻，絕緣油在線圈間起到絕緣和冷卻的作用。絕緣油的閃點約為135℃，受熱蒸發后容易與空氣混合，形成可引起爆炸的混合物。變壓器火災形式多樣，包括噴射火、油池火和流淌火等。這些特點使得變壓器火災的撲救和預防變得尤為重要。在滅火過程中，噴頭與保護對象之間的距離和水霧噴頭布置對滅火效果的影響十分顯著。《水噴霧滅火系統技術規范》.[1].GB50219-2014（下文簡稱《水噴規》）中規定了水霧噴頭的基本布置原則。本文在相關規范的基礎上，根據水噴霧的滅火機理，結合變壓器火災的特點，對水噴霧滅火系統的設計進行優化，使水噴霧滅火系統能更加有效地撲滅火災。

一、水霧噴頭與變壓器距離的影響因素

《消防設施通用規范》（GB55036-2022）和《水噴規》有條文直接涉及水噴霧噴頭與被保護對象之間的距離。水霧噴頭與保護對象之間的距離小于或等于水霧噴頭的有效射程。水霧錐底圓半徑應按下式計算：

式中：R—水霧錐底圓半徑（m）；B—水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離（m）；θ—水霧噴頭的霧化角（°）。

由公式（1）變換得出：

根據公式（2）可知，對于一個霧化角一定的噴頭而言，水霧錐底圓半徑R越大，水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離B就越大，當R取得最大值時，B也取得最大值。水霧噴頭的流量可根據下式計算：

式中：q—水霧噴頭的流量（L/min）；P—水霧噴頭的工作壓力（MPa）；K—水霧噴頭的流量系數，取值由噴頭制造商提供。單位面積的噴水強度Q可根據下式求出：

由公式（4）可知，單位面積上的噴水強度與水霧錐底圓半徑有關，半徑越大，供給強度越低。不同于直流水滅火系統，水噴霧滅火系統的機理為致密的水霧覆蓋整個保護對象。變壓器火災發展迅速，火災危險性較大；水霧的分布越均勻，供給強度越高，滅火效果越好，因此應保證保護對象表面每個點的水霧強度均達到規范要求的供給強度，即根據保護對象的供給強度確定噴頭的有效保護半徑（《自動噴水滅火系統設計規范》.[2].GB50084-2017第5.0.12條的條文說明中有噴頭有效保護半徑的計算舉例，可做參考），這個有效保護半徑就是噴頭水霧錐底圓半徑的最大值。將（2）（3）（4）式結合，得出下式：

由公式（5）可知，水霧噴頭距保護對象的距離B與噴頭流量系數K、噴頭工作壓力P、噴頭霧化角θ、單位面積的噴水強度Q有關。K、P越大，噴頭距保護對象的距離就越大。θ、Q越大，噴頭距保護對象的距離就越小。

取噴頭的流量系數K=16，工作壓力P=0.35MPa，霧化角θ=60°，由公式（3）計算得出噴頭的流量q≈30L/（min·m.2）。《水噴規》3.1.2條規定了水噴霧滅火系統對于油浸式電力變壓器的供給強度為20L/（min·m.2）；根據公式（4），對于選定的噴頭而言，最大有效保護半徑.R.≈0.7m。.再由公式（2）求出水霧噴頭的噴口與保護對象之

間的距離B≈1.21m。計算求得B后，應根據噴頭樣本查找噴頭的有效射程B1，噴頭距保護對象的最大距離應取B與B1的較小值。

因此，在工程設計中，應盡量按照噴頭距保護對象的最大距離來布置噴頭。

二、水噴霧系統的噴頭布置對系統供水量的影響

水噴霧噴頭的合理布置有利于提高滅火效果，《水噴規》3.2.4條規定：水霧噴頭的平面布置方式可為矩形或菱形。當按矩形布置時，水霧噴頭之間的距離不應大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑；當按菱形布置時，水霧噴頭之間的距離不應大于1.7倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。下面分別計算這兩種布置形式對系統供水量的需求。

（一）按矩形布置

按矩形布置的水霧噴頭見圖1。當按矩形布置時，每個噴頭所保護的面積就是矩形四個頂點所圍成的面積（即圖中陰影部分面積）。按照噴頭的布置原則，圖中噴頭保護半徑R為有效保護半徑，根據公式（4），噴頭按矩形布置時的平均噴水強度為：

油浸式電力變壓器的供給強度Q=20L/（min·m.2），因此噴頭按矩形布置時，變壓器的平均噴水強度約為31.4L/（min·m.2）。

（二）按菱形布置

按菱形布置的水霧噴頭見圖2。

當按菱形布置時，每個噴頭所保護的面積是菱形四個頂點所圍成的面積（即圖中陰影部分面積）。根據按矩形布置時的計算方法，噴頭按菱形布置的平均噴水強度為：

噴頭按菱形布置時，變壓器的平均噴水強度約為24.2L/（min·m.2）。

由理論計算結果可知，噴頭按菱形布置時所需的水量約為矩形布置的77.1%，因此水噴霧滅火系統的噴頭采用菱形布置時所需要的用水量較少。

三、水噴霧滅火系統的防爆設計

（一）水噴霧滅火系統的設計壓力要求

《消防設施通用規范》（GB55036—2022）對水噴霧滅火系統的工作壓力做了如下要求：水霧噴頭的工作壓力，當用于滅火時應大于或等于0.35MPa，當用于防護冷卻時應大于或等于0.15MPa。

用于油浸式變壓器滅火時，應滿足噴頭工作壓力不低于0.35MPa的要求。

（二）管網損壞對水噴霧滅火系統的影響

對于水噴霧滅火系統而言，維持最不利點噴頭0.35MPa的工作壓力是系統達到滅火效果的關鍵因素，壓力不足會導致水流霧化不完全，水霧噴頭射程不足，失去滅火效果。下面采用一個典型的水噴霧滅火系統來定量計算當管網破損時水噴霧系統內的壓力變化情況。如圖3所示，系統共十根立管，對稱布置，所有立管上噴頭的布置與立管1相同，圖中僅表示立管1、2，其余省略。

根據調研情況，主變爆炸最常發生的情況就是爆炸沖擊破壞某一根立管。本文主要討論的是管網中出現一處立管破損的情況。

1.管網未被破壞的情況

當管網未被破壞時，系統中各點的壓力等情況如表1所示（忽略主變處水噴霧環狀管網內的水頭損失）。取系統的設計流量為50L/s，AB管段長度為200m。

按表1數據，要求雨淋閥出口A點壓力不低于0.60MPa。

2.管網中一根立管被破壞的情況

當管網破損時，破損點距水源越近，管網失壓情況越嚴重，因此選擇立管2為最不利立管，計算立管2在G點斷裂時管道內的壓力。根據《水噴規》的要求，當系統管道采用普通鋼管或鍍鋅鋼管時，其沿程水頭損失采用下列公式計算：

式中：V—管道內水的平均流速（m/s）；i—管道的單位長度水頭損失（MPa/m）；dj—管道的計算內徑（m）。為了便于計算，假定在管網破壞后，雨淋閥出口的壓力仍然為0.60MPa。對于A點及G點，由伯努利方程得：

hw采用（6）式計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的20%計算，各點計算結果如表2所示。對比表1、表2可知，當最不利立管被破壞時，水噴霧環狀管網入口處的壓力降為0.094MPa，遠遠小于正常情況下的0.40MPa；各噴頭的工作壓力均遠低于規范要求的0.35MPa，在這種情況下，水噴霧滅火系統完全失去了滅火作用。

（三）避免管網因破損而失壓的措施

避免管道失壓的措施一般從以下兩個方面考慮：

一是加強管道的強度，降低管道被破壞的概率；二是在管網破損時將破損的管道關閉，保證其余管道的正常工作。本文考慮采用自力式爆管切斷閥自動關閉破損的立管，保持管網壓力，使未損壞的噴頭能發揮滅火作用。

自力式爆管切斷閥的作用是當發生管道破損時，流速檢測機構自動檢測管道破損時的異常流速，通過與閥體直接連接的重錘及時關閉閥門。流速檢測機構及閥門關閉裝置均為純機械式，無須外部提供電能，維護和保養方便。自力式爆管切斷閥在壓力輸水管網中有較多應用，可有效減少因爆管產生的各種二次事故。

具體實施方案如圖4所示。

在水噴霧系統中，每根立管根部設置自力式爆管切斷閥。爆管切斷閥位于變壓器油坑內，低于變壓器基礎頂面，可以避免變壓器爆炸對閥門的破壞。當變壓器爆炸破壞了立管時，立管內的流速突然增大，爆管切斷閥感應到這種變化，自動關閉閥門以隔離被破壞的管道。

結語

本文根據《水噴規》關于水霧噴頭的計算及布置要求，理論推導出水霧噴頭與保護對象距離的計算公式；公式中包含噴頭流量系數K、噴頭工作壓力P、噴頭霧化角θ、保護對象單位面積的噴水強度Q四個變量。在變壓器水噴霧滅火系統的工程設計過程中，選定噴頭確定了K、P、θ、Q后，可計算出噴頭距變壓器的最大距離；在最大距離之內布置噴頭可滿足規范對噴水強度的要求。選取典型的水噴霧滅火系統管網，通過理論計算得出當水噴霧系統中某根立管被破壞時管網內壓力的變化情況。當立管發生破壞時，管網內的額定壓力遠遠低于系統所需的工作壓力，管網失壓嚴重，整個系統失去滅火功能。根據計算結果，提出一種切實可行的措施來防止管道失壓：在立管根部安裝自力式爆管斷流閥，當立管被破壞后，斷流閥自動關閉，將被破壞的管道隔離，以維持系統內壓力，最大限度地保留系統的滅火能力。

參考文獻

[1]住房和城鄉建設部.水噴霧滅火系統技術規范：GB50219-2014[S].中國計劃出版社，2015.

[2]住房和城鄉建設部.自動噴水滅火系統設計規范：GB50084-2017[S].中國計劃出版社，2018.

作者簡介：

田浩宇（1981— ），男，漢族，遼寧沈陽人，本科，高級工程師、注冊結構工程師、注冊建筑師，研究方向：各電壓等級變電站結構、建筑專業設計；姚加興（1987— ），男，漢族，山東威海人，碩士研究生，高級工程師、注冊公用設備工程師，研究方向：各電壓等級變電站水工、消防專業設計。