濮騫忠 朱德昌 金大滿

摘 要：該文簡明闡述了電網(wǎng)公司變電站油浸式電力變壓器的消防設(shè)施設(shè)置現(xiàn)狀，客觀分析變電站油浸式電力變壓器的運(yùn)行環(huán)境的特殊性和火災(zāi)的危險性，深入探討油浸式電力變壓器適用的5種典型的自動滅火設(shè)施（裝置）的滅火機(jī)理、適用環(huán)境以及工程運(yùn)用的優(yōu)勢和局限性，最后根據(jù)變電站消防水源能否保障、變壓器是否露天安裝、能否形成密閉空間等不同運(yùn)行環(huán)境條件，為油浸式電力變壓器選擇合適的自動滅火方式。

關(guān)鍵詞：變壓器自動滅火；水噴霧滅火；泡沫噴霧；排油注氮

中圖分類號：X924 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電網(wǎng)公司的變電站主變壓器通常選用大型油浸式電力變壓器，由于其體量大，絕緣油用量多，火災(zāi)危險性比較大。油浸式電力變壓器一旦發(fā)生火災(zāi)必將導(dǎo)致設(shè)備燒毀、供電中斷，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、社會影響嚴(yán)重、甚至出現(xiàn)人員的傷亡。為了確保電網(wǎng)供電的安全、可靠性，針對油浸式電力變壓器設(shè)置先進(jìn)、可靠、高效、安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的自動滅火設(shè)施至關(guān)重要。

1 變電站電力變壓器的消防設(shè)施設(shè)置現(xiàn)狀

筆者實地考察了中國南方電網(wǎng)云南電網(wǎng)公司的15個變電站主變消防設(shè)施設(shè)置現(xiàn)狀，并對國內(nèi)外油浸式電力變壓器滅火方式進(jìn)行了檢索研究，最終發(fā)現(xiàn)油浸式電力變壓器自動滅火設(shè)施的設(shè)置缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)置現(xiàn)狀歸納起來共有5種情形。

（1）油浸式電力變壓器僅有廠家配套的排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置），未專門設(shè)置自動滅火設(shè)施對器身及集油坑進(jìn)行保護(hù)。

（2）設(shè)置超音速干粉滅火裝置對主用變壓器的器身及集油坑進(jìn)行保護(hù)。

（3）設(shè)置低倍數(shù)水成膜泡沫滅火系統(tǒng)對主用變壓器的器身及集油坑進(jìn)行保護(hù)。

（4）設(shè)置合成泡沫噴霧系統(tǒng)對主用變壓器的器身及集油坑進(jìn)行保護(hù)。

（5）設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)對主用變壓器的器身及集油坑進(jìn)行保護(hù)。

從電網(wǎng)公司眾多變電站主變壓器的消防設(shè)施設(shè)置現(xiàn)狀來看：有的未設(shè)置完善的自動滅火設(shè)施，其消防安全現(xiàn)狀堪憂；有的變電站自動滅火設(shè)施選型不合理，消防安全保障性較低；僅有部分變電站的自動消防設(shè)施設(shè)置符合要求，能夠真正提高消防安全保障能力。

2 變電站電力變壓器的運(yùn)行環(huán)境及火災(zāi)危險性分析

2.1 變電站油浸式電力變壓器的運(yùn)行環(huán)境分析

當(dāng)前，電網(wǎng)公司的大多數(shù)變電站設(shè)置在偏遠(yuǎn)地帶，變電站的運(yùn)營管理模式也已經(jīng)實現(xiàn)了無人值守。因此，變電站一旦發(fā)生火災(zāi)將無人實施撲救，公安消防的滅火救援力量也不能確保在較短的時間內(nèi)及時到達(dá)?？梢?，為變電站的油浸式電力變壓器設(shè)置一套完善、有效的自動滅火設(shè)施設(shè)置非常必要。變電站主變壓器自動消防設(shè)施的設(shè)置既要確保系統(tǒng)的可靠性、安全性、高效性以及先進(jìn)性，還要兼顧建設(shè)投資及運(yùn)維管理的經(jīng)濟(jì)、合理性，同時還需要滿足有關(guān)環(huán)境保護(hù)的技術(shù)指標(biāo)以及現(xiàn)行法律、法規(guī)的相關(guān)要求。

變電站的油浸式電力變壓器均為露天設(shè)置，防護(hù)區(qū)域不能形成封閉空間，不能采用全淹沒滅火方式，如選擇其他滅火方式還應(yīng)考慮環(huán)境及氣象因素（如刮風(fēng)、下雨等）的影響。部分變電站地處偏遠(yuǎn)且嚴(yán)重缺水的地區(qū)，消防水源無法保障，設(shè)計人員在選擇自動滅火方式時必須加以考慮。

2.2 變電站油浸式電力變壓器的火災(zāi)危險性分析

變電站電力變壓器的火災(zāi)危險性主要包括5個方面。

（1）大型油浸式電力變壓器的電壓高、體量大、油量多、火災(zāi)危險性大。以1臺特變電工衡陽變壓器有限公司生產(chǎn)的SFZ11-180000/220GY型油浸式三相有載調(diào)壓變壓器為例，主變額定容量為180 000 kVA，額定電壓為220 kV/110 kV，器身重量為122 700 kg，油重量為66 310 kg，上節(jié)油箱重量為19 390 kg，總重量為242 570 kg。因此火災(zāi)危險性比較大，發(fā)生火災(zāi)后撲救十分困難。

（2）油浸式電力變壓器屬于高壓電氣設(shè)備，可燃物主要是絕緣油，火災(zāi)危險性為丙類，火災(zāi)類型屬于B、E類火災(zāi)，因此火勢蔓延非?？?，撲救難度非常大。

（3）存在變壓器鐵芯過熱引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。變壓器因散熱裝置故障、硅鋼片鐵芯絕緣損壞引起內(nèi)部過熱，在保護(hù)裝置失效的極端情況下可能引發(fā)火災(zāi)。

（4）存在變壓器繞組匝間短路引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。變壓器發(fā)生繞組匝間短路時，變壓器油箱內(nèi)部會瞬間產(chǎn)生高溫、高壓，進(jìn)而爆炸起火。同時，油浸式變壓器爆炸瞬間往往會產(chǎn)生燃油噴發(fā)、飛濺，這將會導(dǎo)致火災(zāi)迅速向臨近區(qū)域蔓延，從而擴(kuò)大火災(zāi)范圍。

（5）存在變壓器進(jìn)出線短路引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。意外情況下導(dǎo)體接觸外線導(dǎo)致一次線路短路引發(fā)火災(zāi)，如臺風(fēng)、泥石流等造成樹木、金屬塔架倒塌；因違反安全操作規(guī)程或安全措施不當(dāng)導(dǎo)致金屬桿件、鋼繩、鋼芯鋁絞線、金屬梯觸碰高壓帶電設(shè)備等。

3 電力變壓器自動滅火系統(tǒng)的工程運(yùn)用分析

我們對電力變壓器適用的各種滅火方式、設(shè)施進(jìn)行了專門的調(diào)查和研究，得出的結(jié)論是目前工程上用來保護(hù)不同運(yùn)行環(huán)境的油浸式電力變壓器的自動滅火設(shè)施主要包括排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置）、氣體滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)（裝置）和泡沫噴霧滅火系統(tǒng)等。下面將逐一對它們的滅火機(jī)理、系統(tǒng)優(yōu)勢和運(yùn)用局限性進(jìn)行分析和比較。

3.1 排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置）

排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置）由排油、斷流、注氮和控制4個子系統(tǒng)組成，是適用于油浸式電力變壓器防火、防爆和滅火的自動消防設(shè)施之一。排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置）具有手動和自動滅火控制方式。其中，系統(tǒng)自動滅火的基本原理是當(dāng)變壓器出現(xiàn)匝間短路等故障時，變壓器內(nèi)部溫度將異常升高，同時伴隨可燃?xì)怏w產(chǎn)生（瓦斯），當(dāng)內(nèi)部溫度、瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報警閾值時，設(shè)置在變壓器頂部的感溫火災(zāi)探測器和變壓器內(nèi)部的重瓦斯繼電器相繼動作，向控制系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)報警信號?？刂葡到y(tǒng)接收到變壓器內(nèi)部火警信號后，控制系統(tǒng)自動啟動斷流系統(tǒng)和排油系統(tǒng)，關(guān)閉斷流閥，切斷上部油箱向變壓器內(nèi)部的供油管路，自動開啟事故排油閥進(jìn)行排油泄壓。經(jīng)過3 s～20 s的延時后，注氮系統(tǒng)的氮氣瓶上的電磁瓶頭閥開啟，氮氣通過注氮管從變壓器底部注入并充滿變壓器內(nèi)部，將變壓器內(nèi)部殘存的絕緣油與空氣進(jìn)行隔離，從而實現(xiàn)窒息抑燃、滅火防爆的目的。

從其滅火原理不難看出，排油注氮滅火系統(tǒng)存在不能撲滅變壓器外部及集油坑火災(zāi)的局限性。排油注氮滅火系統(tǒng)僅用于油浸式電力變壓器內(nèi)部滅火，如果變壓器因繞組匝間短路導(dǎo)致瞬間爆炸，大量燃燒的絕緣油四處飛濺導(dǎo)致流淌火蔓延，同時大部分燃燒的絕緣油流入集油坑內(nèi)引起集油坑大火。如果變壓器外部未設(shè)置其他自動滅火設(shè)施，排油注氮滅火系統(tǒng)（裝置）不能對集油坑大火、燃油飛濺火、流淌火進(jìn)行撲救。

3.2 氣體滅火系統(tǒng)

氣體滅火系統(tǒng)是指以氣體作為滅火介質(zhì)的滅火系統(tǒng)，常用的氣體滅火介質(zhì)有二氧化碳（CO2）、七氟丙烷（HFC-227ea）、IG541等，在滅火機(jī)理方面，二氧化碳（CO2）、IG541主要是冷卻和窒息，七氟丙烷（HFC-227ea）主要是化學(xué)抑制。氣體滅火系統(tǒng)運(yùn)用有全淹沒和局部運(yùn)用2種形式，能撲滅電氣火災(zāi)和丙類可燃油表面火災(zāi)，其適用于室內(nèi)封閉空間滅火（全淹沒）及不受刮風(fēng)影響的高大空間內(nèi)重要保護(hù)對象的保護(hù)（局部運(yùn)用）。變電站的油浸變壓器均為室外露天安裝，如風(fēng)力達(dá)到3級以上，氣體滅火系統(tǒng)將會因滅火劑被風(fēng)吹散而失去滅火效能。因此，對于電網(wǎng)公司在變電站露天設(shè)置的油浸式電力變壓器、電抗器而言，選用氣體滅火方式并不合理。

3.3 水噴霧滅火系統(tǒng)

水噴霧滅火系統(tǒng)通常是采用離心霧化型噴頭噴射出高速的霧狀水滴實施滅火的，由于水霧噴頭噴射出的是間斷水滴，具有良好的電氣絕緣性能，可用于電氣火災(zāi)撲救。因此，水噴霧滅火系統(tǒng)特別適用于油浸式電力變壓器絕緣子根部爆裂火災(zāi)和油箱局部爆裂火災(zāi)的保護(hù)。通過公安部天津消防研究所做的水噴霧電絕緣試驗以及變壓器火災(zāi)模擬試驗，水噴霧滅火在油浸式電力變壓器方面的運(yùn)用得到了權(quán)威、有效的驗證。

由于油浸式電力變壓器火災(zāi)的主要可燃物為絕緣油（火災(zāi)危險性為丙類），水噴霧系統(tǒng)撲救油浸變壓器火災(zāi)主要是通過水霧的冷卻、窒息和乳化作用實現(xiàn)的。水霧滴受熱后會汽化，能夠帶走大量的熱，同時水霧滴汽化后體積會膨脹1 680倍，使得可燃物周圍空氣中的氧氣含量顯著下降，當(dāng)可燃物周圍空氣中的氧含量低于15 %時，火災(zāi)就會熄滅。此外，高速的水霧滴沖擊燃燒的絕緣油液面時，絕緣油在表層與水混合、乳化，使其燃燒性能顯著降低，從而使絕緣油的燃燒中斷。在水霧多種滅火機(jī)理的共同作用下，油浸變壓器火災(zāi)將會受到抑制并最終被撲滅。

由于水是最廉價、最廣泛的滅火劑，在大多數(shù)場合都是取之不盡用之不竭的，因此，能夠用水撲救、能夠保證消防用水的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮水滅火方式。水噴霧滅火系統(tǒng)就是非常適用于露天設(shè)置的油浸式電力變壓器的水滅火方式。研究發(fā)現(xiàn)，水噴霧滅火系統(tǒng)運(yùn)用于油浸式電力變壓器的火災(zāi)防護(hù)具有滅火效能高、工程造價及運(yùn)維費用低、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)簡單等顯著優(yōu)點。特別是對于變電站露天安裝的油浸式電力變壓器（或電抗器）而言，由于水霧滴徑較大（0.5 mm～0.8 mm），噴霧持續(xù)時間較長（≥24 min），水霧噴射初速較高，且噴頭保護(hù)覆蓋變壓器器身和集油坑，可確保風(fēng)力5級以下具有較好的滅火、控火的效果。水噴霧滅火的不足之處是滅火用水量較大，對消防水源的保障性要求高，一般需要設(shè)置較大容量的消防水池和大流量的消防水泵。對于嚴(yán)重缺水的變電站，如果消防水源無法保障，就不能選用水噴霧滅火系統(tǒng)。

3.4 干粉滅火系統(tǒng)（裝置）

干粉滅火系統(tǒng)（裝置）是采用ABC型磷酸銨鹽滅火劑實施滅火的，其滅火機(jī)理主要是化學(xué)抑制，粉霧接觸到有焰燃燒的火焰時，能夠捕獲并消耗燃燒自由基，從而中止燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。普通的干粉滅火劑顆粒粗、沉降快，不適用于全淹滅火方式，因此只能采用局部運(yùn)用方式滅火。超細(xì)干粉滅火劑平均粒徑相對較?。綖?0μm～60μm），滅火劑在空氣中懸浮時間較長，能夠繞過障礙物滅火，因此既可在封閉空間采用全淹沒方式進(jìn)行滅火，也可在敞開空間采用局部運(yùn)用方式滅火。

但對于室外露天設(shè)置的油浸式電力變壓器滅火保護(hù)而言，由于變壓器周圍沒有形成封閉空間，因此只能采用局部運(yùn)用方式滅火，其滅火效果受氣象條件（如刮風(fēng)、下雨等）影響很大。從已有的工程案例來看，設(shè)計者一般選用無管網(wǎng)的貯壓式超細(xì)干粉滅火裝置，安裝方式為沿變壓器平行兩邊對向布置（一般選短邊），這種滅火方式存在諸多弊端：

（1）該裝置滅火為瞬間觸發(fā)，噴灑的持續(xù)時間非常短暫，滅火效果差，特別是對于油類火災(zāi)的復(fù)燃問題無能為力；

（2）安裝人員難于準(zhǔn)確控制噴射角度和覆蓋范圍，噴射偏離目標(biāo)的可能性較大。

（3）超細(xì)干粉類似于氣體，極易被室外強(qiáng)風(fēng)吹散，不能保證其在不利氣象條件下的滅火效果。

（4）干粉滅火劑噴射后會有殘留物，對變壓器外殼、散熱孔、電極造成一定的污染。

（5）裝置安裝于室外，長期經(jīng)受風(fēng)吹、雨淋、日曬、霜凍，干粉滅火劑容易受潮、結(jié)塊，啟動引發(fā)裝置也可能會失效。

因此，無論采用普通干粉還是超細(xì)干粉的滅火裝置，其對于室外露天安裝的油浸電力變壓器的滅火運(yùn)用效果均不理想，不能為油浸式電力變壓器提供消防安全保障。

3.5 泡沫噴霧滅火系統(tǒng)

泡沫噴霧滅火系統(tǒng)是采用高效泡沫液（如：SP合成泡沫）作為滅火劑實施滅火的一種新型滅火裝置，由泡沫液儲罐（含泡沫滅火劑）、N2動力瓶組、N2啟動瓶、分區(qū)控制閥、噴頭、驅(qū)動管路、滅火劑輸送管道、火災(zāi)報警滅火控制系統(tǒng)等組成。由于采用的泡沫滅火劑具有良好的電絕緣性能，因此可運(yùn)用于油浸式電力變壓器火災(zāi)防護(hù)，泡沫噴霧滅火系統(tǒng)用于油浸式電力變壓器火災(zāi)保護(hù)的典型運(yùn)用如圖1所示。該裝置具有滅火效率高、裝置安裝維護(hù)簡單、滅火劑綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢。此外，由于系統(tǒng)采用預(yù)混的合成泡沫滅火劑，滅火劑驅(qū)動采用氮氣瓶組作為動力源，因此不需要修建消防水池和安裝消防給水設(shè)備，是嚴(yán)重缺水的變電站對油浸式電力變壓器消防保護(hù)的首選方案。

在本次研究中，我們對同一項目采用泡沫噴霧滅火系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行了工程造價的分析、比較，得出的結(jié)論是二者造價相差不大（水噴霧系統(tǒng)的初期建設(shè)費稍高），泡沫噴霧滅火系統(tǒng)同樣具有推廣運(yùn)用的顯著優(yōu)勢。泡沫噴霧滅火系統(tǒng)的不足之處在于采用的合成泡沫滅火劑使用有效期較短，需定期更換泡沫滅火劑。以山東川億的合成泡沫為例，其產(chǎn)品檢定的有效期為3年，即便是選用價格較高的長效型的SP合成泡沫，其有效期也只有5-8年，這就意味著在今后的長期運(yùn)維過程中，需定期對泡沫進(jìn)行檢測和更換，還需對廢棄的泡沫液進(jìn)行回收處置。

4 結(jié)論

通過對以上5種滅火系統(tǒng)的分析研究，得出以下結(jié)論：

排油注氮滅火系統(tǒng)對油浸式電力變壓、電抗器內(nèi)部的防火、防爆及滅火效能顯著，是變壓器廠家生產(chǎn)配套的自動滅火裝置的首選，但存在不能撲滅變壓器外部及集油坑火災(zāi)的局限性。

對于露天安裝的油浸式電力變壓器、電抗器，在消防用水滿足工程需要的前提下，建議優(yōu)先選擇水噴霧滅火系統(tǒng)。水噴霧滅火系統(tǒng)具有滅火、冷卻效果好，能滿足高壓帶電設(shè)備的電氣絕緣性能，系統(tǒng)具有先進(jìn)、可靠、高效、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和運(yùn)維費用低廉等顯著優(yōu)勢。

對于嚴(yán)重缺水的變電站，由于消防用水難保障，建議選用泡沫噴霧滅火系統(tǒng)對露天設(shè)置的油浸式電力變壓器、電抗器實施保護(hù)。該系統(tǒng)滅火效率高、安全可靠、安裝操作維護(hù)簡單，雖然存在需要定期對泡沫液進(jìn)行檢測和更換的不足之處，但相對于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要性以及變電站總體的運(yùn)維費用而言，該系統(tǒng)的運(yùn)維費用是微不足道的。因此，泡沫噴霧滅火系統(tǒng)是嚴(yán)重缺水變電站對電力變壓器實施消防保護(hù)的首選方案。

如果油浸式電力變壓器安裝在滿足防護(hù)區(qū)維護(hù)條件的變壓器室內(nèi)，不具備排水條件，則應(yīng)優(yōu)先選用氣體滅火系統(tǒng)，且應(yīng)采用全淹沒滅火方式。如果防護(hù)區(qū)不能完全封閉，應(yīng)選用CO2氣體滅火系統(tǒng)，滅火方式應(yīng)選用局部運(yùn)用（應(yīng)采取確保滅火效果不受強(qiáng)風(fēng)影響的措施）。

干粉滅火系統(tǒng)不能用于室外露天安裝的油浸式電力變壓器火災(zāi)防護(hù)，即便是對于室內(nèi)安裝的油浸式電力變壓器，由于其滅火、控火、抑爆的效果明顯不及以上幾種滅火方式，且存在粉塵殘留難于清理的弊端，不推薦使用。

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