劉廷堃

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著特高壓直流輸電技術(shù)的高速發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的特高壓換流站和直流輸電線路相繼建成投運(yùn)。特高壓換流變壓器設(shè)備是特高壓換流站內(nèi)的核心設(shè)備之一，換流變壓器設(shè)備的運(yùn)行工況可直接影響到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。換流變壓器采用油絕緣方式，單臺(tái)換流變壓器內(nèi)部絕緣油存量約為120 t。當(dāng)一臺(tái)換流變壓器設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)內(nèi)部放電等原因造成設(shè)備爆炸甚至火情時(shí)，變壓器設(shè)備內(nèi)的一百多噸變壓器油轉(zhuǎn)變?yōu)榛馂?zāi)燃料，導(dǎo)致火情迅速擴(kuò)大，甚至可能會(huì)牽連同一閥組的其他五臺(tái)換流變壓器及閥廳內(nèi)部設(shè)備同時(shí)著火。自2018年3月以來，全國特高壓輸電系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)換流變壓器設(shè)備爆炸事故;同時(shí)，因變壓器絕緣油燃燒外溢造成火災(zāi)事故擴(kuò)大，均造成重大直接經(jīng)濟(jì)損失。因此，換流變壓器設(shè)備的配套消防滅火能力對(duì)于換流站設(shè)備在運(yùn)行過程中的突發(fā)應(yīng)急情況處理及降低火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失方面有著非常重要的意義。

1 特高壓換流變壓器的消防系統(tǒng)配置

2019年前，國內(nèi)特高壓換流變電站換流變壓器設(shè)備配置的消防系統(tǒng)為水消防配合泡沫消防滅火[1]。水消防和泡沫消防滅火均具備全自動(dòng)、半自動(dòng)和聯(lián)動(dòng)方式啟動(dòng)觸發(fā)滅火系統(tǒng)[2]，觸發(fā)后依靠配置在換流變壓器四周的噴淋泵進(jìn)行滅火，但受到水源及泡沫液存量的限制無法及時(shí)將現(xiàn)場火勢(shì)撲滅。特高壓換流站內(nèi)的換流變壓器均安置在密封式隔音室內(nèi)，著火時(shí)消防隊(duì)無法直接進(jìn)入內(nèi)部滅火，僅能采取遠(yuǎn)距離噴射滅火，無法對(duì)火災(zāi)根源處進(jìn)行有效滅火。

基于上述問題，各換流站針對(duì)特高壓換流變壓器設(shè)備滅火消防系統(tǒng)陸續(xù)開展了一系列整改措施，包括消防水池?cái)U(kuò)容、泡沫容量提升、拆除換流變壓器BOX-IN頂部蓋板以及自備消防隊(duì)、配備消防車等舉措提升特高壓換流站的消防滅火能力，但是滅火方式僅限于外界干涉式滅火，并非從源頭進(jìn)行治理，一旦變壓器內(nèi)部絕緣油溢出，即刻成為火勢(shì)蔓延的燃料。若要有效解決此問題，可采用本體設(shè)備加裝排油閥門的方法進(jìn)行滅火，即排空變壓器設(shè)備內(nèi)部存油。變壓器絕緣油流動(dòng)方向?yàn)樽儔浩髟O(shè)備內(nèi)部→變壓器下方的事故油池→集油坑內(nèi)，起到將可燃物、助燃劑和火源隔離的效果，以阻止變壓器油作為火災(zāi)燃料導(dǎo)致火災(zāi)蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。

2 變壓器排油速率實(shí)驗(yàn)

為研究變壓器發(fā)生火災(zāi)后采用排油方式進(jìn)行滅火，開展了變壓器靜態(tài)冷油排油實(shí)驗(yàn)及動(dòng)態(tài)熱油排油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)報(bào)廢的110 kV變壓器。通過實(shí)驗(yàn)可知DN150口徑排油管的平均排油速度為1.65 t/min，放100 t油所需時(shí)間約為60 min，DN80管的平均排油速度為0.66 t/min，放100 t油所需時(shí)間約為150 min[3]。熱油狀態(tài)下的排油速度較冷油狀態(tài)下的排油速度快36%。熱油狀態(tài)下(油溫為70 ℃左右)DN80管的平均排油速度為0.900 t/min，放100 t油所需時(shí)間約為110 min[4]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，換流變壓器應(yīng)采用大于等于DN100口徑的排油閥門，在含有120 t變壓器油的換流變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可確保2 h以內(nèi)完成變壓器排油工作。

3 換流變壓器排油滅火技術(shù)要點(diǎn)

3.1 換流變壓器本體排油閥門的選擇

換流變壓器本體均配置注放油閥門，口徑從DN50到DN150不等，可選擇變壓器本體底部靠近冷卻器側(cè)的注放油閥門，無需在變壓器箱體上重新開口設(shè)計(jì)新閥門(見圖1)。根據(jù)各型號(hào)變壓器出廠情況的不同，可選用一個(gè)DN150的閥門或者兩個(gè)DN50的閥門并聯(lián)的方式進(jìn)行改造。換流變壓器火災(zāi)爆發(fā)區(qū)域一般位于套管升高座部位或者有載分接開關(guān)部位，故本體排油閥門需選擇換流變壓器BOX-IN降噪板外側(cè)的閥門或者管路進(jìn)行改造，避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的爆炸或明火等極端狀況影響電氣線路和排油閥門，造成排油裝置操作失能并導(dǎo)致可燃物排出失敗。

圖1 換流變壓器一次安裝側(cè)視

3.2 換流變壓器冷卻器系統(tǒng)排油

換流變壓器在出現(xiàn)故障跳閘后，冷卻器停止運(yùn)行，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)潛油泵停止運(yùn)行，冷卻器內(nèi)部管路有一定存油。若發(fā)生火災(zāi)，除進(jìn)行本體設(shè)備排油外，冷卻器裝置內(nèi)部的變壓器油也需同時(shí)排空，避免冷卻器輸油管路內(nèi)存油成為可燃物導(dǎo)致火勢(shì)向變壓器外側(cè)蔓延。

3.3 現(xiàn)場技術(shù)實(shí)施

以特高壓靈州換流站雙極高端換流變壓器為例，現(xiàn)場可采用位于換流變壓器本體冷卻器側(cè)下部靠近降噪板側(cè)的DN50排油閥門(見圖2)進(jìn)行改造，用于排出冷卻器內(nèi)部存油。選用1個(gè)冷卻器下方DN100彎管(見圖3)改造成三通管(見圖4)，并增加DN100閥門合并接至DN150排油管道，用于排出變壓器本體絕緣油。本體排油管路與冷卻器排油管路并聯(lián)后接至DN150管路及DN150電動(dòng)球閥(見圖5)，排油出口連接到應(yīng)急排油管口。在應(yīng)急排油管口采用電動(dòng)球閥作為最終出口，連接管路至變壓器集油坑內(nèi)，電動(dòng)球閥的控制線路沿電纜隧道直接通往主控室集中控制。

圖2 降噪板側(cè)1個(gè)DN50排油閥

圖3 冷卻器下方DN100彎管

圖4 管路改造后的三通管

圖5 本體及冷卻器排油管路并聯(lián)

3.4 技術(shù)實(shí)施過程要點(diǎn)

換流變壓器開展排油滅火改造工作，安裝閥門及管路改造相當(dāng)于一次結(jié)構(gòu)性改造。變壓器整體排油改造后，重新注油需嚴(yán)格控制油品質(zhì)量并靜置120 h，靜置后需進(jìn)行變壓器局放試驗(yàn)，改造代價(jià)大，工程耗時(shí)長，因此，在新增電動(dòng)閥及管路改造的位置前后均設(shè)置閥門，可在相應(yīng)閥門關(guān)閉的情況下僅對(duì)局部進(jìn)行改造工作，將一個(gè)“大型換血手術(shù)”縮減為“局部小型微創(chuàng)手術(shù)”。新增排油閥門系統(tǒng)部分與本體開閥連通過程中管路存在空氣，直接開閥將導(dǎo)致氣體進(jìn)入換流變壓器本體。為不影響本體油質(zhì)及空氣氣隙造成變壓器內(nèi)部放電，需要在新設(shè)排油管路中設(shè)置放氣塞，改造完成后重新打開閥門，進(jìn)行新增管路抽真空工作，避免變壓器本體內(nèi)部油補(bǔ)充該管路絕緣油時(shí)，出現(xiàn)空氣倒灌至本體內(nèi)部的情況。

3.5 檢漏裝置

新增管路及閥門的設(shè)計(jì)涉及密封和設(shè)備質(zhì)量問題，如果密封性差或電動(dòng)球閥質(zhì)量不佳導(dǎo)致設(shè)備漏油，均可能成為設(shè)備運(yùn)行的重大隱患。

因此，在新增的電動(dòng)球閥出口處，應(yīng)裝設(shè)檢漏裝置。檢漏裝置可采用物理擋板監(jiān)測(cè)裝置或者紅外探頭設(shè)備。

物理擋板檢漏裝置是簡易的半弧形擋板，安裝在水平位置的排油管道內(nèi)部下半部分，當(dāng)主動(dòng)排油閥門出現(xiàn)漏油的情況時(shí)，變壓器油在擋板前部累積，達(dá)到一定油量后從擋板下部流出并翻動(dòng)擋板，從而觸發(fā)排油裝置漏油告警，并將信號(hào)上報(bào)至運(yùn)行后臺(tái)；紅外探頭設(shè)備與換流變壓器油枕內(nèi)部的漏油探頭原理相同，通過紅外信號(hào)監(jiān)測(cè)漏油情況并將信號(hào)上傳后臺(tái)。檢漏裝置可方便運(yùn)行人員通過后臺(tái)監(jiān)視以掌控排油滅火系統(tǒng)的密封情況，運(yùn)行人員收到告警信號(hào)后立即到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行檢查處理，可及時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)漏點(diǎn)的上級(jí)閥門以避免影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況出現(xiàn)。

3.6 啟動(dòng)方式

主動(dòng)排油滅火裝置的啟動(dòng)關(guān)鍵在于電動(dòng)球閥的動(dòng)作，啟動(dòng)方式可以采用全自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)開啟的方式[5]。全自動(dòng)啟動(dòng)功能可采用類似跳閘出口動(dòng)作的方式，通過采集變壓器非電量重瓦斯保護(hù)跳閘信號(hào)、換流變壓器進(jìn)線開關(guān)跳閘信號(hào)、感溫電纜故障信號(hào)和煙感或者紫外火警信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)觸發(fā)系統(tǒng)，現(xiàn)場可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)條件[6]。半自動(dòng)可采集自動(dòng)動(dòng)作信號(hào)外加后臺(tái)人工確認(rèn)信號(hào)的方式啟動(dòng)。手動(dòng)方式通過人工確認(rèn)火災(zāi)后直接手動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)球閥進(jìn)行排油，可用于排油滅火裝置自動(dòng)啟動(dòng)失效情況下的緊急啟動(dòng)方式，如圖6所示。

圖6 排油滅火系統(tǒng)的啟動(dòng)邏輯

排油滅火裝置的啟動(dòng)方式可根據(jù)政策及安全性需求自由選擇，“安全可靠”是該裝置的首要運(yùn)行原則。一旦裝置啟動(dòng)，該變壓器所在換流閥組將會(huì)閉鎖停運(yùn)，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，后臺(tái)操作位置應(yīng)設(shè)置緊急停止或關(guān)閉功能，避免排油電動(dòng)球閥出現(xiàn)誤啟動(dòng)動(dòng)作造成的損失。

4 換流變壓器排油滅火技術(shù)的特點(diǎn)

4.1 實(shí)用性

換流變壓器設(shè)備發(fā)生故障引起爆炸甚至火災(zāi)時(shí)，變壓器絕緣油轉(zhuǎn)為可燃物。在火情當(dāng)中，大量的變壓器油作為可燃物無法及時(shí)排出，火災(zāi)現(xiàn)場的泡沫消防和水消防系統(tǒng)滅火效果有限，且存量有限，無法持續(xù)滅火，易造成火勢(shì)擴(kuò)大。配置排油滅火閥門后，可在2 h內(nèi)將變壓器絕緣油排空，即可在2 h的黃金滅火時(shí)間內(nèi)隔離可燃物。同時(shí)，配合泡沫消防和水消防系統(tǒng)壓制明火達(dá)到及時(shí)、高效的滅火效果。

4.2 經(jīng)濟(jì)性

在應(yīng)用換流變壓器排油滅火技術(shù)時(shí)，費(fèi)用主要用于管路改造、電動(dòng)閥門設(shè)備采購和管線路敷設(shè)等。增設(shè)換流變壓器排油閥門及管路的技術(shù)路線無需對(duì)換流變壓器本體整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改造，只需利用現(xiàn)有閥門進(jìn)行新增外接。項(xiàng)目價(jià)格預(yù)計(jì)為一整臺(tái)換流變壓器生產(chǎn)制造費(fèi)用的1.5%。特高壓換流變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該排油滅火技術(shù)可將大量可燃物及時(shí)排出，從根本上提升滅火效果，防止火災(zāi)事故持續(xù)擴(kuò)大蔓延，避免對(duì)相鄰換流變壓器及閥廳設(shè)備造成影響，具有較高的性價(jià)比。

5 結(jié) 論

特高壓換流變壓器排油滅火技術(shù)通過對(duì)換流變壓器進(jìn)行排油閥門的增設(shè)及管路改造，能夠緊急排出變壓器油，從而具備隔離火源和可燃物的功能。在火情發(fā)生時(shí)，該功能配合特高壓換流站內(nèi)配置的水消防及泡沫消防系統(tǒng)等措施可安全、及時(shí)、高效、可靠地控制并消除火情，降低直接經(jīng)濟(jì)損失，兼具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮，特高壓換流變壓器排油滅火技術(shù)是一種確保特高壓換流站核心資產(chǎn)在突發(fā)火災(zāi)時(shí)減小損失的消防應(yīng)急技術(shù)。