郭 楊，陳 昊*，湯宗堯，張凱恒，金 婷

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

0 引言

中國(guó)的電力需求呈現(xiàn)東部多西部少的態(tài)勢(shì)，而一次能源的分布卻恰好相反。因此，大范圍、遠(yuǎn)距離的特高壓輸變電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。截止2022年初，全國(guó)共有14 條交流特高壓和12 條直流特高壓輸電線路建成投運(yùn)，緩解了東部地區(qū)的用電需求，極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1-10］。特高壓變電站作為整個(gè)特高壓輸變電工程的核心組成部分，其安全運(yùn)行直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。從近年來系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的多起特高壓充油設(shè)備火災(zāi)事故來看，如1 000 kV特高壓泉城變電站“11.22”變壓器爆燃事故，特高壓變電站的應(yīng)急消防能力對(duì)保證人身和設(shè)備安全起著極為重要的作用［11-13］。特高壓變電站目前采用的是傳統(tǒng)消防設(shè)施，如常規(guī)消防管網(wǎng)、手動(dòng)式泡沫噴淋滅火系統(tǒng)、

移動(dòng)滅火裝置已不能滿足當(dāng)前特高壓變電站所提出的持久、快速、精準(zhǔn)、全覆蓋的消防要求。在此背景下，亟需提升國(guó)內(nèi)在運(yùn)及在建特高壓變電站和換流站的消防應(yīng)急處置能力，遏制重特大火災(zāi)事故發(fā)生。本文從江蘇電網(wǎng)特高壓變電站消防實(shí)踐出發(fā)，提出了多項(xiàng)提升綜合消防能力的具體措施。

1 在運(yùn)消防設(shè)施

1.1 消防管網(wǎng)系統(tǒng)

特高壓變電站消防管網(wǎng)系統(tǒng)一般由消防水泵房、消防水池、消防管網(wǎng)、消防穩(wěn)壓裝置和消防栓等設(shè)備組成。以某1 000 kV 特高壓站為例，消防泵房有2 條出水管直接與室外消防水管網(wǎng)連接，全站室內(nèi)共設(shè)置23個(gè)消防栓，室外共設(shè)置30個(gè)消防栓。室內(nèi)消防栓用水量為10 L/s，室外消防栓用水量為15 L/s。

消防水池容量為180 m3，可供消防泵使用約1.5 h，消防水池水位可通過消防水位觀測(cè)儀觀測(cè)，且由控制柜自動(dòng)控制，水位低時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，水位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止補(bǔ)水。消防管路覆蓋全站各個(gè)區(qū)域，包括1 000 kV 設(shè)備區(qū)、500 kV 設(shè)備區(qū)、主變及110 kV 設(shè)備區(qū)，以及主控通信樓、站用電室、各保護(hù)小室、備品備件庫等建筑外圍。消防管網(wǎng)穩(wěn)壓裝置配置2臺(tái)穩(wěn)壓泵和2 臺(tái)消防主泵，均為一主一備。穩(wěn)壓泵功率為單臺(tái)功率5.5 kW，消防主泵功率為單臺(tái)37 kW。消防穩(wěn)壓泵控制柜及消防泵控制柜均有雙電源自動(dòng)切換裝置，主電源失去，可自動(dòng)切至備用電源。當(dāng)兩路電源均失去時(shí)，可采取站用電系統(tǒng)外接應(yīng)急電源接入箱的模式進(jìn)行供電，具有較高的可靠性。

1.2 泡沫噴淋系統(tǒng)

1 000 kV變壓器是特高壓變電站內(nèi)的核心設(shè)備之一，起著變換電壓，聯(lián)絡(luò)兩級(jí)電網(wǎng)，相互輸送功率的重任。以某1 000 kV 特高壓站為例，在運(yùn)特高壓變壓器形式為單相、油浸式、中性點(diǎn)變磁通無勵(lì)磁調(diào)壓［14-25］。每臺(tái)變壓器由主體變和調(diào)壓補(bǔ)償變（簡(jiǎn)稱“調(diào)補(bǔ)變”）兩部分組成。主體變和調(diào)補(bǔ)變器身各自獨(dú)立，油路互不聯(lián)通，各有一個(gè)油枕，主體變與調(diào)補(bǔ)變各出線套管在外部通過導(dǎo)線連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓變壓器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 UHV transformer structure

變壓器如若發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致設(shè)備跳閘，將導(dǎo)致1 000 kV、500 kV兩級(jí)電網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，站內(nèi)的每臺(tái)變壓器均配置了泡沫噴淋消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由儲(chǔ)液罐、泡沫滅火劑、電磁控制閥、動(dòng)力瓶組、驅(qū)動(dòng)裝置、減壓裝置、分區(qū)閥、減壓閥、泡沫噴霧噴頭、控制盤及管網(wǎng)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其動(dòng)作原理是，當(dāng)纏繞在變壓器本體上的感溫線纜探測(cè)到溫度異常急劇升高，檢測(cè)模塊會(huì)向消防主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，站內(nèi)值班人員接到火災(zāi)信號(hào)，確認(rèn)變壓器已失電，且現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)有火情后，在主控室火災(zāi)報(bào)警控制器上手動(dòng)或到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開啟泡沫噴淋裝置，火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)出啟動(dòng)命令，打開氮?dú)鈫?dòng)瓶電磁驅(qū)動(dòng)器，釋放啟動(dòng)氣體，啟動(dòng)氣體通過啟動(dòng)管路打開氮?dú)鈩?dòng)力瓶組。動(dòng)力源氣體經(jīng)減壓閥、高壓軟管和集流管進(jìn)入儲(chǔ)液罐，推動(dòng)泡沫滅火劑經(jīng)過分區(qū)控制閥和滅火劑輸送管道輸送到防護(hù)區(qū)。安裝在管網(wǎng)末端的泡沫噴霧噴頭將泡沫滅火劑霧化成泡沫噴至燃燒的變壓器器身上，形成隔離層，使燃燒物因缺氧而熄滅。

圖2 泡沫噴淋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of foam spray system

1.3 移動(dòng)消防設(shè)施

根據(jù)國(guó)家能源局頒布的《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》要求，變電站的主控通信樓、繼電器室、走廊通道及電纜夾層處均應(yīng)配置不同類型的移動(dòng)式滅火裝置，且每一處數(shù)量不得小于3具。同時(shí)，在大型充油設(shè)備附近，如主變壓器、換流變壓器、線路高抗、大容量站用變附近應(yīng)設(shè)置消防器材室。依據(jù)上述要求，本文舉例的某1 000 kV特高壓站中各建筑物室內(nèi)共配置62個(gè)手提式干粉滅火器。站內(nèi)一次設(shè)備區(qū)，分布在1 000 kV 主變壓器、1 000 kV線路高壓電抗器、110 kV站用變壓器等充油設(shè)備旁，分別設(shè)置了1個(gè)消防器材室，室內(nèi)包含一定數(shù)量的消防沙箱、消防桶、鐵鍬、消防斧及手推式泡沫滅火劑器。

2 在運(yùn)消防設(shè)施的局限性

由上述討論可知，特高壓變電站配置的消防設(shè)施與一般變電站基本相似，主要為水消防和泡沫消防，手段較為常規(guī)，且由于特高壓變電站設(shè)備電壓等級(jí)高，一次設(shè)備體量大，導(dǎo)致用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般變電站。常規(guī)的消防設(shè)備難以滿足持久、快速、精準(zhǔn)、全覆蓋的更高要求。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

1）在運(yùn)消防設(shè)施的滅火介質(zhì)（水、泡沫混合液）存儲(chǔ)容量比較有限，若設(shè)備的火情較為嚴(yán)重，當(dāng)存儲(chǔ)介質(zhì)消耗完后，可能還無法有效控制火情，因此會(huì)面臨更大的危險(xiǎn)；

2）特高壓變壓器泡沫噴淋裝置的動(dòng)作模式為人工遠(yuǎn)方手動(dòng)啟動(dòng)或者現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)，從設(shè)備出現(xiàn)火情到泡沫噴淋裝置動(dòng)作并開始噴淋泡沫，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，無法滿足快速響應(yīng)的要求，不能將火情消滅在最初期，以減輕對(duì)昂貴設(shè)備的損壞程度；

3）目前對(duì)充油設(shè)備配備的消防設(shè)施，如泡沫噴淋裝置，均是在設(shè)備起火后，以外界干涉的方式進(jìn)行滅火，并未從源頭上進(jìn)行治理，變壓器一旦發(fā)生故障引發(fā)火災(zāi)，且不能在短時(shí)間內(nèi)撲滅明火，箱體內(nèi)大量的絕緣油在高溫下將會(huì)持續(xù)燃燒，造成火勢(shì)蔓延，甚至引發(fā)箱體爆燃等一系列嚴(yán)重危害人身和設(shè)備安全的事故［26-28］；

4）站內(nèi)目前配置的消防設(shè)施以固定式為主，靈活性欠佳，機(jī)動(dòng)性較差。雖有另行配置的簡(jiǎn)易消防裝置，如手推式泡沫滅火劑，但也只能處理小型火災(zāi)，若遇到大型火災(zāi)，無法做到全面覆蓋無死角。

3 綜合消防能力提升措施

針對(duì)在運(yùn)消防設(shè)施的局限性，特高壓變電站現(xiàn)場(chǎng)除了采取加強(qiáng)巡視等管理手段外，應(yīng)對(duì)當(dāng)前存在的問題，提出綜合消防能力提升措施。

3.1 增加滅火介質(zhì)容量

為提供持續(xù)、恒定、滿足設(shè)計(jì)時(shí)間要求的噴淋，某1 000 kV 特高壓站在原有消防水池的基礎(chǔ)上，修建了新的消防水池，容量為270 m3，為原水池的1.5 倍。目前，消防水池的總儲(chǔ)水容量可達(dá)450 m3，可供消防泵使用約4 h，時(shí)間為原來的2.5倍，保證站內(nèi)出現(xiàn)火情時(shí)有充足的水量?jī)?chǔ)備。另一種滅火介質(zhì)是存儲(chǔ)在主變消防泡沫室內(nèi)的泡沫混合液，一期工程泡沫罐容量為15 000 L，設(shè)計(jì)噴淋時(shí)間為30 min。二期工程考慮到泡沫室的可用利用空間和更長(zhǎng)的噴淋時(shí)間，用新罐體替換了舊罐體，容量升級(jí)為24 000 L，可連續(xù)噴淋45 min，較一期工程有顯著提高。

3.2 泡沫噴淋控制系統(tǒng)改造

某1 000 kV 特高壓站目前配置1 臺(tái)JB-QBGST500 型火災(zāi)報(bào)警總控制器，位于主控室，實(shí)現(xiàn)值班人員對(duì)全站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；1臺(tái)JBQB-GST200 型火災(zāi)報(bào)警控制器，位于主變消防泡沫室，用于控制主變泡沫噴淋系統(tǒng)。為達(dá)到快速響應(yīng)、精準(zhǔn)噴淋的要求，在手動(dòng)啟動(dòng)噴淋裝置的基礎(chǔ)上，通過對(duì)控制回路進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自動(dòng)噴淋的功能。自動(dòng)噴淋的條件為［29］：1）感溫電纜探測(cè)溫度達(dá)到動(dòng)作值；2）高壓側(cè)開關(guān)在分位；3）高壓側(cè)無電壓；4）中壓側(cè)開關(guān)在分位；5）中壓側(cè)無電壓；6）重瓦斯接點(diǎn)動(dòng)作信號(hào)，當(dāng)上述6個(gè)條件滿足一定要求時(shí)，泡沫噴淋系統(tǒng)自動(dòng)出口，其邏輯框圖如圖3所示，通過從高中壓側(cè)電壓互感器端子箱和開關(guān)匯控柜接線引入火災(zāi)報(bào)警控制器，實(shí)現(xiàn)上述功能。

圖3 泡沫噴淋系統(tǒng)動(dòng)作邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of foam spray system action

因站內(nèi)消防能力有限，當(dāng)發(fā)生較大火情或火勢(shì)不能得到有效控制，需本地專業(yè)消防部門支援時(shí)，為便于站端與消防部門互聯(lián)互通，在主控樓新增了1 臺(tái)GST6000D消防傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與本地消防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，便于本地消防部門實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站端的火災(zāi)情況，隨時(shí)做好應(yīng)急支援的準(zhǔn)備。

3.3 加裝變壓器主動(dòng)排油裝置

為避免變壓器因故障引發(fā)火災(zāi)帶來的危害，從根本上防治變壓器燃燒的問題，提出在變壓器油箱事故排油閥處加裝主動(dòng)式應(yīng)急排油裝置的方案，從設(shè)備源頭上加強(qiáng)變壓器火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控，保障電網(wǎng)安全［30］。

某1 000 kV特高壓站主體變和調(diào)補(bǔ)變的油箱上均有事故排油閥門，供設(shè)備檢修情況下，人工手動(dòng)就地操作。本文提出的具有遠(yuǎn)程控制功能的排油裝置，能夠在火災(zāi)期間，人員無法靠近排油閥的情況下，使變壓器油自動(dòng)迅速排入集油坑，有利于火情在火災(zāi)初期時(shí)得到快速有效控制，避免火情擴(kuò)大，造成油箱爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

主動(dòng)式應(yīng)急排油系統(tǒng)主要由本體排油閥、三通閥、檢修閥、截止閥、電動(dòng)球閥（一主一備）、泄漏檢測(cè)儀及排油管道等部件組成，當(dāng)變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可遠(yuǎn)程啟動(dòng)電動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)電動(dòng)排油功能，在變壓器正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)急排油系統(tǒng)的狀態(tài)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 應(yīng)急排油系統(tǒng)設(shè)備示意圖Fig.4 Schematic diagram of emergency oil discharge system equipment

其工作原理是，主變正常運(yùn)行時(shí)，本體事故排油閥打開，三通閥關(guān)閉，檢修閥打開，2 個(gè)電動(dòng)球閥關(guān)閉。當(dāng)主變發(fā)生火災(zāi)時(shí)，值班人員迅速在應(yīng)急排油控制屏上按下排油按鈕，主電動(dòng)球閥導(dǎo)通，迅速排油。電動(dòng)球閥的動(dòng)作條件與泡沫噴淋系統(tǒng)一致，如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)排油裝置如圖5所示。

圖5 排油系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of oil discharge system

經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)計(jì)算所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該站主體變單臺(tái)油重116 t，冷油狀態(tài)時(shí)，排油速率為1.65 t/min，排油時(shí)間約為71 min；熱油狀態(tài)時(shí)，排油速率為冷油時(shí)的1.2 倍，為1.98 t/min，排油時(shí)間約為60 min。變壓器火災(zāi)時(shí)，油溫高、油壓大，同時(shí)也受變壓器破空狀態(tài)因素影響，排油時(shí)間可進(jìn)一步縮短，滿足2 h 排空的設(shè)計(jì)要求。

3.4 配置大容量消防車

為使消防滅火更加機(jī)動(dòng)靈活，達(dá)到全面覆蓋、有效支援的要求，站內(nèi)新增1個(gè)消防戰(zhàn)斗班，定員8人，并配置2 臺(tái)大容量消防車，1 臺(tái)為泡沫消防車，滅火原理與泡沫噴淋系統(tǒng)相同；另1 臺(tái)為泡沫細(xì)水霧渦扇炮智能消防車，主要用于對(duì)著火設(shè)備四周噴灑泡沫細(xì)水霧，用于降低火場(chǎng)周圍溫度，防止對(duì)相鄰設(shè)備造成損壞，如圖6-圖7所示，一旦發(fā)生火情，車輛可迅速開到著火設(shè)備附近，以最佳位置開展滅火工作。

圖6 泡沫消防車Fig.6 Fire-extinguishing foam tanker

圖7 泡沫細(xì)水霧渦扇炮智能消防車Fig.7 Foam fine water mist turbofan intelligent fire engine

泡沫消防車可存儲(chǔ)4 t 水、2 t 泡沫原液，泡沫細(xì)水霧渦扇炮智能消防車可存儲(chǔ)10 t 水、2 t 泡沫原液。根據(jù)燃燒物性質(zhì)的不同，既可以直接用水，也可以用泡沫混合液作為滅火介質(zhì)。無論是單獨(dú)滅火還是與泡沫噴淋系統(tǒng)協(xié)同配合滅火，都能起到有效支援的作用。消防車對(duì)應(yīng)工況數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 消防車工況數(shù)據(jù)表Table 1 Fire truck operating data sheet

4 結(jié)語

特高壓變電站作為電網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其安全運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，確保站內(nèi)一次、二次設(shè)備的消防安全是保證全站可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前的工作重點(diǎn)。本文基于對(duì)在運(yùn)消防設(shè)施的分析，總結(jié)其局限性，提出了多項(xiàng)具有針對(duì)性的消防能力提升措施。對(duì)后續(xù)特高壓變電站消防系統(tǒng)新建工程具有一定的指導(dǎo)意義。