袁 泉，張 瑞，張 紅

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

特高壓直流輸電技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)廣泛應(yīng)用[1～3]，截至2020年，中國(guó)已經(jīng)建成了14回特高壓直流輸電工程。目前在運(yùn)的特高壓±800 kV換流站中，曾發(fā)生多起換流變壓器故障引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)的事故。在運(yùn)換流變壓器的消防多采用水噴霧或者泡沫噴霧[4～6]，現(xiàn)有消防設(shè)施難以滿足特高壓換流變壓器的消防需求，容易造成火災(zāi)范圍擴(kuò)大，增加災(zāi)后損失。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(compressed air foam extinguishing system，CAFS)是指水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮?dú)馊咄ㄟ^(guò)精準(zhǔn)配比，在獨(dú)立混合室中混合后產(chǎn)生均勻帶壓泡沫滅火劑，并由消防管道釋放至著火點(diǎn)的系統(tǒng)。國(guó)家電網(wǎng)有限公司與天津消防研究院等多家單位先后成功開(kāi)展多次壓縮空氣泡沫炮撲救全尺寸特高壓換流變壓器實(shí)體火試驗(yàn)。為特高壓換流站的CAFS設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支撐[7]。

本文首次開(kāi)展了CAFS在±800 kV換流站內(nèi)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。結(jié)合變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置方案[8]，給出了特高壓換流變壓器CAFS自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期對(duì)后續(xù)特高壓換流站的CAFS設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 換流變壓器CAFS設(shè)備配置

某±800 kV換流站工程換流變壓器分區(qū)為4組，每組換流變壓器分區(qū)安裝6臺(tái)換流變壓器。每臺(tái)換流變壓器同時(shí)設(shè)置噴淋系統(tǒng)及消防炮進(jìn)行滅火保護(hù)。噴淋系統(tǒng)用于火災(zāi)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)換流變壓器形成全方位包絡(luò)；每組換流變壓器分區(qū)設(shè)置7門(mén)消防炮，安裝于防火墻挑檐上方，保證每臺(tái)換流變壓器都對(duì)應(yīng)有2臺(tái)消防炮保護(hù)。

圖1為換流變CAFS設(shè)備配置，設(shè)置1套CAFS產(chǎn)生裝置，同時(shí)供給消防炮和噴淋系統(tǒng)。CAFS從裝置出口總管設(shè)置4個(gè)分區(qū)閥分別供給至4個(gè)換流變壓器分區(qū)。每個(gè)分區(qū)建設(shè)選擇閥室1座，在選擇閥室內(nèi)設(shè)置13個(gè)選擇閥，分別供給6路噴淋系統(tǒng)和7臺(tái)消防炮[9]。

圖1 換流變壓器CAFS設(shè)備配置

2 換流變壓器CAFS控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAFS控制系統(tǒng)采用開(kāi)放、分層分布式結(jié)構(gòu)，整個(gè)控制系統(tǒng)由兩層設(shè)備和一層網(wǎng)絡(luò)組成。

站控層設(shè)備由CAFS系統(tǒng)主機(jī)和CAFS控制系統(tǒng)運(yùn)行工作站組成，是CAFS系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)視、測(cè)量、控制、管理的中心，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收間隔層設(shè)備采集的開(kāi)關(guān)量、模擬量信息，并發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，通過(guò)通信設(shè)備與站內(nèi)消防自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

間隔層設(shè)備包括I/O 測(cè)控裝置、與站控層網(wǎng)絡(luò)的接口和其他智能設(shè)備接口裝置等；I/O 測(cè)控裝置完成CAFS系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和故障信息等采集及控制輸出功能。兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式為站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層網(wǎng)絡(luò)直接采用以太網(wǎng)連接。兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的CAFS自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 CAFS自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 站層設(shè)備配置

CAFS控制主機(jī)是站控層數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)管理的中心。主機(jī)采用多核服務(wù)器，其性能應(yīng)能滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能要求，主機(jī)的處理能力、存儲(chǔ)容量應(yīng)與變電站的規(guī)劃容量相適應(yīng)。為了提高CAFS控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，CAFS的控制主機(jī)采用雙機(jī)冗余配置。

CAFS控制系統(tǒng)運(yùn)行工作站需要單獨(dú)配置。運(yùn)行工作站是站內(nèi)控制系統(tǒng)的主要人機(jī)界面，人機(jī)界面采用統(tǒng)一的圖形用戶界面，用層次化、生動(dòng)豐富的畫(huà)面，將系統(tǒng)和各子系統(tǒng)總貌圖、流程圖、趨勢(shì)圖等顯示出來(lái)。運(yùn)行人員可通過(guò)運(yùn)行工作站對(duì)CAFS系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)和操作控制。運(yùn)行工作站滿足運(yùn)行人員操作時(shí)直觀、便捷、安全、可靠的要求。

消防控制琴臺(tái)將安裝在換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)各處的前端，消防炮的狀態(tài)信號(hào)及控制信號(hào)集中控制，實(shí)現(xiàn)泡沫消防炮的角度調(diào)節(jié)、預(yù)置位功能和視頻信號(hào)傳輸顯示。

2.2.2 間隔層設(shè)備配置

CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊主要控制CAFS產(chǎn)生裝置的啟停，將水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮?dú)馊咄ㄟ^(guò)精準(zhǔn)配比，在獨(dú)立混合室中混合后產(chǎn)生均勻帶壓泡沫滅火劑。同時(shí)需要采集產(chǎn)生裝置內(nèi)主要部件反饋信號(hào)，支持接收外部控制信號(hào)并可將相關(guān)信號(hào)對(duì)外送出。

就地測(cè)控裝置具有狀態(tài)量采集、交流采樣及測(cè)量等功能，對(duì)CAFS系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的信息進(jìn)行采集、處理和傳送，配置有 “就地/遠(yuǎn)方”切換開(kāi)關(guān)。

閥門(mén)操作機(jī)構(gòu)箱是存放分區(qū)選擇閥門(mén)、噴淋閥門(mén)、消防炮閥門(mén)的機(jī)械傳動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)選擇閥門(mén)、噴淋閥門(mén)、消防炮閥門(mén)的操作。

消防炮就地操作裝置是存放消防炮頭的機(jī)械傳動(dòng)部件，能實(shí)現(xiàn)消防炮的角度調(diào)節(jié)、預(yù)置位功能。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、接口設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接線、電纜、光纜等。CAFS控制系統(tǒng)的站控層網(wǎng)絡(luò)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦的以太網(wǎng)，具有良好的開(kāi)放性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形。

2.2.4 CAFS控制系統(tǒng)組網(wǎng)

CAFS系統(tǒng)以CAFS噴淋系統(tǒng)為主，以CAFS消防炮系統(tǒng)為輔。兩套滅火系統(tǒng)共用一套CAFS產(chǎn)生裝置和相關(guān)管路。

CAFS噴淋控制系統(tǒng)的站層設(shè)備包括CAFS控制系統(tǒng)運(yùn)行工作站和控制主機(jī)柜；間隔層設(shè)備包括CAFS設(shè)備間的CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊、CAFS設(shè)備間及各選擇閥室就地測(cè)控裝置，各選擇閥室的噴淋閥門(mén)就地操作機(jī)構(gòu)。站層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間采用光纖通信。

CAFS消防炮控制系統(tǒng)的站層設(shè)備包括消防控制琴臺(tái)，間隔層設(shè)備包括各選擇閥室的消防炮就地操作裝置、消防炮頭和無(wú)線遙控器。消防炮就地操作裝置與消防炮控制琴臺(tái)采用光纖通信，消防炮就地操作裝置與消防炮采用網(wǎng)線通信。

消防控制琴臺(tái)與CAFS控制主機(jī)采用光纖通信。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 數(shù)據(jù)側(cè)采集和處理功能

CAFS控制系統(tǒng)通過(guò)就地測(cè)控裝置采集數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)(如4～20 mA)，支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和串口通信對(duì)下采集信息；如果無(wú)法通過(guò)通信接口輸出的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和報(bào)警信息等采用硬觸點(diǎn)的方式采集。對(duì)于重要的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)，具備三重化的輸出接點(diǎn)。重要的信號(hào)包括：電動(dòng)閥門(mén)位置信號(hào)(硬接點(diǎn))、CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊運(yùn)行/停機(jī)反饋信號(hào)(硬接點(diǎn))、主控制柜故障反饋信號(hào)(硬接點(diǎn))、泵故障反饋信號(hào)(硬接點(diǎn))、液位信號(hào)(4～20 mA)、管道流量信號(hào)(4～20 mA)。

控制系統(tǒng)對(duì)上預(yù)留數(shù)據(jù)通信接口；CAFS主控制柜將相關(guān)信息以數(shù)據(jù)通信的方式(如IEC61850)接入消防自動(dòng)化系統(tǒng)和站內(nèi)SCADA系統(tǒng)。

2.3.2 信息多元展示功能

控制系統(tǒng)將采集到的信息在監(jiān)控后臺(tái)上進(jìn)行全面展示，展示內(nèi)容包括閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、產(chǎn)生裝置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、裝備故障告警信息、液位、流量等。

a.人機(jī)界面采用統(tǒng)一的圖形用戶界面，用層次化、生動(dòng)豐富的畫(huà)面，顯示系統(tǒng)和各子系統(tǒng)總貌圖、流程圖、趨勢(shì)圖等。

b.對(duì)多步操作的每一步，人機(jī)界面通過(guò)文字信息來(lái)提供操作結(jié)果的反饋，同時(shí)還通過(guò)文字提示下一步動(dòng)作的建議。

c.人機(jī)界面對(duì)報(bào)警、事件進(jìn)行分層展現(xiàn)，通過(guò)報(bào)警的過(guò)濾，在多級(jí)報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先、明確、有主次地處理關(guān)鍵的報(bào)警信息。

2.3.3 操作控制功能

CAFS控制系統(tǒng)控制模式分為自動(dòng)控制模式、手動(dòng)控制模式和就地操作模式。

a.控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制模式。與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，控制系統(tǒng)接收火災(zāi)報(bào)警主機(jī)的聯(lián)動(dòng)信號(hào)(采用硬接點(diǎn)方式)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，判斷火災(zāi)信號(hào)位置，判斷滿足啟動(dòng)條件后，則自動(dòng)啟動(dòng)CAFS產(chǎn)生裝置和泡沫噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滅火；消防炮控制系統(tǒng)在接收到由CAFS控制主機(jī)給出火災(zāi)聯(lián)動(dòng)信號(hào)，能夠根據(jù)火災(zāi)位置信號(hào)，按人工預(yù)置位自動(dòng)調(diào)整炮頭角度，待人工確認(rèn)如消防炮選擇正確、消防炮角度已調(diào)整到位，手動(dòng)一鍵投入消防炮滅火。

b.控制系統(tǒng)應(yīng)具有手動(dòng)控制模式。自動(dòng)控制中所有的控制信號(hào)，均可從消控室人工手動(dòng)發(fā)出。在手動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)接收?qǐng)?bào)警主機(jī)的火災(zāi)聯(lián)動(dòng)信號(hào)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，判斷火災(zāi)信號(hào)位置(需要火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提供發(fā)生火災(zāi)位置信息)，判斷滿足啟動(dòng)條件后，給出操作提示，由運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)控制啟動(dòng)CAFS產(chǎn)生裝置和釋放裝置。手動(dòng)模式可以選擇一鍵投入式也可以選擇進(jìn)行分步操作。

當(dāng)泡沫噴淋系統(tǒng)和消防炮系統(tǒng)在控制系統(tǒng)失效時(shí)，運(yùn)行人員可以在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)多線盤(pán)上手動(dòng)操作控制分區(qū)選擇閥門(mén)、泡沫噴淋閥門(mén)、消防炮閥門(mén)和CAFS產(chǎn)生裝置。

c.就地操作模式。CAFS產(chǎn)生裝置應(yīng)具備就地操作功能，在控制系統(tǒng)失效時(shí)，運(yùn)行人員可以在CAFS產(chǎn)生裝置設(shè)備間通過(guò)就地手動(dòng)啟動(dòng)產(chǎn)生裝置；就地手動(dòng)啟動(dòng)泡沫泵、空壓機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)將CAFS系統(tǒng)投入滅火作業(yè)。

當(dāng)泡沫噴淋系統(tǒng)和消防炮系統(tǒng)在控制系統(tǒng)失效時(shí)，運(yùn)行人員可以在分區(qū)選擇閥室通過(guò)就地操作控制分區(qū)選擇閥門(mén)、泡沫噴淋閥門(mén)和消防炮閥門(mén)。

2.3.4 防誤閉鎖功能

CAFS控制系統(tǒng)具備防誤判斷，啟動(dòng)時(shí)必須判斷換流變壓器已斷電，防止誤操作；控制系統(tǒng)不設(shè)置單獨(dú)的遠(yuǎn)方停止按鈕，正常工作運(yùn)行時(shí)，如需停止須就地操作。

2.4 設(shè)備布置

CAFS控制主機(jī)組屏安裝在CAFS控制主機(jī)柜內(nèi)，柜體布置于換流站主控樓三樓的站控制保護(hù)設(shè)備室內(nèi)。

CAFS控制系統(tǒng)運(yùn)行工作站布置于換流站主控樓三樓的主控室內(nèi)。

CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊組柜安裝在CAFS控制柜內(nèi)；CAFS產(chǎn)生裝置的測(cè)控裝置組柜安裝在設(shè)備間子機(jī)柜內(nèi)；CAFS控制柜、設(shè)備間子機(jī)柜、分區(qū)閥的機(jī)構(gòu)箱，均布置于某±800 kV換流站CAFS產(chǎn)生裝置設(shè)備間內(nèi)。

極1低端閥室測(cè)控裝置組柜安裝在極1低端閥室子機(jī)柜內(nèi)；極1低端閥室子機(jī)柜，極1低端選擇閥機(jī)構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極1低端選擇閥室內(nèi)。

極1高端閥室測(cè)控裝置組柜安裝在極1高端閥室子機(jī)柜內(nèi)；極1高端閥室子機(jī)柜，極1高端選擇閥機(jī)構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極1高端選擇閥室內(nèi)。

極2低端閥室測(cè)控裝置組柜安裝在極2低端閥室子機(jī)柜內(nèi)；極2低端閥室子機(jī)柜，極2低端選擇閥機(jī)構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極2低端選擇閥室內(nèi)。

極2高端閥室測(cè)控裝置組柜安裝在極2高端閥室子機(jī)柜內(nèi)；極2高端閥室子機(jī)柜，極2高端選擇閥機(jī)構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極2高端選擇閥室內(nèi)。

3 與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接口

3.1 特高壓換流變壓器火災(zāi)探測(cè)器配置

每臺(tái)換流變壓器本體配置感溫火災(zāi)探測(cè)器感溫電纜2套，纏繞在換流變壓器本體。

每臺(tái)換流變壓器配置火焰探測(cè)器3臺(tái)，其中2臺(tái)布置在換流變壓器box-in內(nèi)部，1臺(tái)布置在box-in外部，根據(jù)某換流站高、低端換流變現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，每臺(tái)換流變安裝的3只紅紫外火焰探測(cè)器主要監(jiān)測(cè)閥側(cè)套管、網(wǎng)側(cè)套管、中性點(diǎn)套管以及分接開(kāi)關(guān)。

特高壓換流變固定消防啟動(dòng)跳閘邏輯如圖3所示[10]。

圖3 火災(zāi)報(bào)警啟動(dòng)消防邏輯圖

3.2 CAFS系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接口

火災(zāi)報(bào)警主機(jī)通過(guò)硬接點(diǎn)信號(hào)，將換流變壓器固定消防啟動(dòng)邏輯送至CAFS消防系統(tǒng)主機(jī)柜。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置多線控制盤(pán)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)多線控制盤(pán)通過(guò)硬接線，可以遠(yuǎn)方手動(dòng)控制控制分區(qū)選擇閥門(mén)、泡沫噴淋閥門(mén)、消防炮閥門(mén)和CAFS產(chǎn)生裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)首個(gè)±800 kV換流站壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)示范應(yīng)用工程，闡述了特高壓換流站CAFS的設(shè)備配置，CAFS控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)功能，給出了CAFS控制系統(tǒng)的設(shè)備布置等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)后續(xù)特高壓工程壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)用、設(shè)計(jì)等提供借鑒及技術(shù)支持。