330kV及以下变电站消防设计技术差异化应用*

2021-10-18张佳庆杨若松

科技创新与应用 2021年29期

应捷，王晖，张佳庆，汪伟，杨若松，刘睿

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安710075；2.国网经济技术研究院有限公司，北京102209；3.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥230601；4.电力火灾与安全防护安徽省重点实验室，安徽合肥230022；5.国家电网公司输变电设施火灾防护实验室，安徽合肥230022)

由于建设规模、站址条件的不同，330kV及以下电压等级变电站在消防设计技术上存在一定的差异。而随着消防系统对变电站安全运行的重要性不断提高，部分投运较早的变电站在消防系统设计上存在缺陷，已不满足国家颁布的《火力发电厂及变电站消防设计标准》(GB50229-2019)的要求。本文调研了330kV及以下电压等级的变电站消防设计技术的应用现状，分析不满足现有消防设计标准的共性问题，为今后消防提升提供参考意见。

1 330kV变电站消防设计技术应用现状

目前，330kV变电站消防设计主要差异体现在主变消防方式及消防系统控制。330kV变电站主变固定消防系统大致可分为：水喷雾灭火系统消防、泡沫喷雾灭火系统消防、排油注氮灭火系统消防等方式。由于电压等级较低，部分变电站投运时间较早，消防设计已无法满足现有国家标准。

1.1 水喷雾灭火系统

采用水喷雾灭火系统的330kV变电站，大多在水源充足地区。较早投运的此类变电站，站内一般设有消火栓系统，但消火栓管网呈支状布置，部分管道与绿化浇洒合用；部分变电站还存在生活、消防管道合用的情况。

以西安地区某330kV户外变电站为例，该站于1989年4月投运。3台主变压器均已安装主变固定水喷雾灭火系统，型号均为NCA型智能火灾报警控制器和水喷雾灭火系统装置，生产厂家为美国NOTIFIER公司，消防系统于1996年5月8日投入运行。

因该消防系统建成较早，水喷雾系统控制阀为电磁阀，响应时间超过60s。现行国家标准《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219-2014)表3.1.2规定：“油浸变压器水喷雾灭火系统的响应时间不应大于60s”；第4.0.3条：“响应时间不大于120s的系统，应设置雨淋报警阀组。”故根据现行规范要求，消防系统控制阀及响应时间均无法满足要求[1]。

另外，通过对国内变压器火灾案例进行调研，发现变压器起火后，最易从绝缘套管部位开裂[2]。现行国家标准《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219-2014)第3.2.5条：“当保护对象为油浸式电力变压器时，水雾喷头的布置应符合下列要求：变压器绝缘子升高座孔口、油枕、散热器、集油坑应设水雾喷头保护。”因此，进出线绝缘套管升高座孔口设置单独的喷头保护有利于灭火可靠性。而本工程水雾喷头保护范围未覆盖绝缘子升高座孔口，不满足现行规范要求。图1为水喷雾消防系统工作流程图。

图1 水喷雾消防系统工作流程图

同时，由于规范调整，所有投运较早的变电站事故油池有效容积基本按照储存油量最大单台设备的60%设计，不满足贮存100%油量的要求。

在消防系统控制方面，投运较早的变电站通常采用1套感温电缆布置在330kV主变本体上，与《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-2013)中第7.2.10条：“装有联动装置、自动灭火系统以及用单一探测器不能有效确认火灾的场合，宜采用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器(同类型或不同类型)的组合。”不符，应采用两路不同型号的缆式线型感温火灾探测器[3]。

同时，绝大多数投运较早的站内水消防系统无灭火系统电源指示、装置启动指示、消防水泵状态、雨淋报警阀状态、消防蓄水池液位状态、电动控制阀状态、主备电源状态、检修锁定等信号，需要设备升级后接入变电站监控系统。

对于水喷雾灭火系统的设计，还应注意在雨淋阀下游管道最低处设置放空点，以免管道积水造成严重腐蚀。为防止雨淋阀组因堵塞造成的误动作，在阀组入口处应设置Y型过滤器，降低阀组误动风险[4]。

1.2 泡沫喷雾灭火系统

采用泡沫喷雾灭火系统的330kV变电站，普遍在水源较为缺乏的地区。此类变电站消防系统设计较为简单，采用由压缩氮气驱动储罐内的泡沫预混液经泡沫喷雾喷头喷洒泡沫到防护区，大多不设置泡沫消火栓，也无水消防管网，站区其他区域的消防主要依靠化学灭火器及其他移动消防设施。

以陕西榆林某330kV变电站为例，该站处于缺水地区，采用泡沫喷雾灭火系统，较为经济合理。每台变压器的喷头布置方面，泡沫雾喷头的布置覆盖了变压器绝缘子升高座孔口、油枕、散热器、集油坑等。在高压套管升高座位置增加布置ZSTW16/60(90)喷头量，增强了灭火能力。图2为泡沫喷雾灭火系统原理图。

图2 泡沫喷雾灭火系统原理图

但是，较早投运的此类变电站也存在变压器高压套管升高座缺乏泡沫喷雾喷头保护的问题。大多数变电站泡沫喷头仅布置在变压器的两侧上方，根据现行《泡沫灭火系统设计规范》(GB50151-2010)，缺少对阀侧套管、网侧套管升高座孔口的保护，存在安全隐患。现有的站区变压器泡沫喷雾灭火装置按照工程设计时实行的规范执行，对泡沫罐容量的计算参数较小，因此泡沫罐容量偏小。

在消防系统控制方面，部分采用泡沫喷雾消防的变压器高压套管根部无感温电缆保护。还有部分变电站泡沫喷雾消防系统仅采用远方、就地手动控制方式。根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-2013)，正常情况下，变压器固定自动灭火系统应投入在“自动状态”。

根据调研，在工程实际中，预混式泡沫喷雾灭火系统消防效果并不理想，存在喷射强度和保护范围没有达到设计要求的情况。而该灭火方式在《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)第11.5.4条：“单台容量为125MV·A及以上的油浸变压器、200Mvar及以上的油浸电抗器应设置水喷雾灭火系统或其他固定式灭火装置。”中未出现，条文说明也未提及，使用时需承担灭火失败的风险。

值得注意的是，目前已有新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统应用于330kV电压等级的变电站，作为示范性项目案例已经投入运行[5]，其效果有待验证。

1.3 排油注氮灭火系统

采用排油注氮灭火系统的330kV变电站，消防系统设计最为简单，在缺水、寒冷、风沙大的地区使用较为普遍[5]。该系统投资造价最低，年运行维护费用适中。在《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)第11.5.4条文说明中指出：“其他固定灭火系统”主要是指排油注氮灭火装置，其在变电站中的应用也较多，当启动方式可靠时可作为变压器中的消防灭火措施。但排油注氮灭火系统的灭火方式为一次性灭火，在初期未成功灭火的情况下，无后续保障力量[6]。图3为排油注氮灭火系统原理图。

图3 排油注氮灭火系统原理图

投运较早的330kV变电站在采用排油注氮灭火系统作为主变消防方式时，也存在一些问题。以陕西咸阳某330KV变电站为例，该站于2006年4月投运，主变固定式排油充氮灭火系统在“手动控制”位置运行，主变探测器配置不符合《电力设备典型消防规程》(DL5027-2015)表13.7.4中“油浸式变压器(单台容量125MV·A及以上)火灾探测器类型：缆式线型感温+缆式线型感温或缆式线型感温+火焰探测器组合”要求；同时存在注氮阀与排油阀间未设机械联锁阀门；信号接入不全等问题。

发生火灾时，灭火系统未在“自动控制”位置运行，火灾发生时不能快速可靠动作；因信号不全，导致消防系统随主变局放不能及时发现火警。为消除消防隐患，今后消防提升工作中，火灾信号应该具有实时监测功能和“自动控制”功能，在火灾发生时，主变固定式排油充氮灭火系统能快速可靠动作，确保设备安全可靠运行。

同时，该装置许多设计参数采用的是各生产厂家提供的数据[7-8]，与《油浸变压器排油注氮装置技术规程》(CECS187-2005)、《油浸变压器排油注氮消防系统设计、施工及验收规范》(DB43T4)、《油浸变压器排油注氮灭火装置》(GA835-2009)等规范要求不一致，缺乏统一标准。

1.4 其他灭火设施

经调研，大部分早期330kV变电站电缆沟内未加装感温光纤。发生火灾时无法及时灭火，易引发电气火灾事故。为消除消防隐患，确保设备安全可靠运行，需对变电站内电缆沟加装感温光纤；电缆沟内电缆密集处、转弯处安装固定式灭火设施(如超细干粉灭火装置)。

超细干粉灭火系统启动方式为电引发启动，启动条件为手动启动和自动启动。其工作流程图如图4所示。

图4 超细干粉自动灭火装置工作流程图

依据国网设备部编制的《变电站(换流站)消防设备设施等完善化改造原则》第4.2.4.9条：“220kV及以上变电站的电缆夹层及电缆竖井内应安装线型感温、感烟或吸气式感烟探测器，缆式线型感温火灾探测器在电缆表面以“S型”缠绕方式敷设。”第4.2.4.10条：“变电站电缆半层、电缆竖井内应设置固定式灭火设施；电缆沟内电缆密集处、转弯处等重点部位可设置固定式自动灭火设施；固定式自动灭火设施宜采用悬挂式干粉自动灭火器。”

针对此类问题的变电站，在今后消防提升中应对电缆沟温度实时在线监测，能显示每个区域温度情况、实时曲线、历史曲线。可方便查询任一时段历史数据；报警数据可在软件中设置，除设置若干个温度值超限报警外，还具有温度变化率超限报警，能够对火情的大小，火势蔓延方向和速度进行实时监测和快速分析[9-10]。在电缆沟安装悬挂式干粉灭火器，安装荧光光纤测温系统，采用绝缘、抗电磁干扰、无源的荧光光纤传感器，对重点发热部分实施温度监测，同时对悬挂式干粉灭火器实施控制(两个启动条件分别来自于两路独立的测温光缆温度信号)，温度达到120℃启动灭火器自动爆破，达到灭火的目的。

2 330kV以下电压等级的变电站消防设计技术应用现状

330kV以下电压等级的变电站，因部分变电站主变容量较小(单台容量小于125MV·A)，根据规范可以不设置固定式灭火装置，变电站内仅采用移动式灭火装置(如灭火器、消防沙箱等)进行灭火。对于半户内变电站，依据《火力发电厂与变电站防火设计标准》(GB50229-2019)中主控通信楼及继电器室的火灾危险性分类提升为丁级，需要设置水消防系统。这导致此类变电站的消防系统设计已不满足现行规范的要求。

2.1 220kV及110kV变电站

220kV及110kV电压等级的变电站，一般是根据变电站建筑体积、设计耐火等级及火灾危险性确定是否需设置建筑室内、外消火栓及其流量[11]。消防水泵房内同330kV变电站，设置消防水泵组，包括消防水泵、消防稳压水泵和气压罐。

主变压器场地及站内各建筑物内按照规范配置了数量和型号适宜的移动式干粉灭火器。主变压器还应配有消防沙箱，同时配消防铲、消防铅桶、消防斧等作为全站公用灭火设备。电缆沟采取防火墙、防火隔板及防火封堵等防火措施。防火墙、防火隔板和防火封堵满足耐火极限不低于1h的耐火完整性、隔热性要求。

站内设置一套火灾报警及控制系统，报警信号上传至地区监控中心及相关单位。

主变压器消防由其容量确定是否需要设置固定式灭火装置。《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)规定，单台容量在125MV·A以上的油浸变压器、200Mvar及以上的油浸式电抗器应设置水喷雾灭火系统或其他固定式灭火装置。经调研，某些偏远地区110kV变电站因主变容量远小于125MV·A，根据规范仅采用移动式干粉灭火器。

而根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)，主控通信楼及继电器室的火灾危险性分类提升为丁级，不满足规范11.5.1“变电站内建筑物满足耐火等级不低于二级，体积不超过3000m3，且火灾危险性为戊类时，可不设消防给水”的要求。可见，大部分未设置水消防系统的变电站已不满足现行规范要求。在后续消防提升中，应补充完善水消防系统的设计。

同时，变电站的电缆沟未设置自动灭火设施，一旦发生火灾，因缺少自动灭火系统，只能被动等待检修人员更换电缆[12]。为消除消防隐患，有条件时，此类变电站的电缆沟重要处可设置固定式灭火设施(如超细干粉灭火装置)。

2.2 66kV及35kV变电站

66kV及以下电压等级的变电站，一般主变容量小于125MV·A，根据规范宜配置干粉灭火器。主变压器配有消防沙箱及50kg推车式磷酸铵盐干粉灭火器，同时配消防铲、消防铅桶、消防斧等作为全站公用灭火设备。

35kV变电站内预制舱火灾危险性类别为戊类，最低耐火等级为二级，体积小于3000m3。可以不设置消防给水，所以此类变电站基本不设置建筑室内、外消火栓系统。站内各建筑物和电力设备按照《电力设备典型消防规程》(DL5027-2015)和《建筑灭火器配置设计规范》(GB50140-2005)规范要求设置不同类型的移动式灭火器。

经调研，由于此类变电站电压等级较低，多数为无人值守站，执行消防规范力度不够，部分变电站对于消防器材的配置和维护未按照国家标准执行。