变电站消防设计浅谈
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作者: 陈世颜
摘要：从技术、经济角度，对变电站常用的各种灭火系统进行了分析及比较。提出了目前变电站消防设计中主变灭火系统、消火栓及其他消防设施配置的原则。
关键词：变电站消防；水喷雾；泡沫喷雾；排油充氮；消火栓；灭火措施
1 前言
为了确保变电站的消防安全，预防或减少火灾危害，保障人身、生产和财产安全，消防设计贯彻“预防为主，防消结合”的原则，严格执行有关消防设计规程规范，针对不同对象采用技术先进、经济适用、安全可靠的消防手段，预防火灾的发生和蔓延。变电站的消防设计主要包括以下几方面：主变压器灭火系统、消火栓系统、气体灭火系统及消防器材的配置。
2 主变压器灭火系统
根据《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）第11.5.4款规定，单台容量为125MV・A及以上的主变压应设置水喷雾灭火系统、合成型泡沫喷雾灭火系统或其他固定式灭火装置。相应的条文说明中明确了可采用排油注氮灭火装置。目前在变电站主要采用这三种灭火系统。
现有变压器消防以采用水喷雾灭火系统居多，近些年来，在部分地区变电站已经较多地采用了合成型泡沫喷雾灭火系统和排油充氮装置。而在火力发电厂由于已经有水消防系统，在主变周围已布置有消防管网，变压器采用水喷雾灭火系统仅需增加雨淋阀和管网部分，所以绝大部分变压器采用水喷雾灭火系统，也有少量采用排油注氮灭火装置。
2.1油浸电力变压器火灾的特点
油浸式变压器线圈绝缘材料，铁芯的支架和衬垫有可燃材料，同时其内部贮有闪点在130～140℃，重量可达几十甚至上百吨的绝缘油。当线圈老化，接触或接地不良，严重过载或短路，绝缘套管损坏，可燃物受高温或电弧作用而分解、膨胀以致汽化，使变压器内部压力骤增，易造成高压套管爆炸喷油燃烧，火焰垂直上升，大量的油外溢造成火灾蔓延，直接威胁变压器乃至全站的安全运行。
变压器火灾既是油类火灾，也是电气火灾，一旦发生险情，一般极易形成爆炸。如短路火灾中，一旦短路发生，变压器油箱内在极短的时间内（有的不到1s）便形成一个高温高压的空间，并随即爆炸起火。
2.2水喷雾灭火系统
水喷雾灭火系统的灭火机理主要是表面冷却、窒息、乳化和稀释等作用。当变压器发生火灾时，缆式感温电缆将火警信号传至主控室消防控制盘，火灾报警控制器报警，送出报警信号，通过判断，打开对应的雨淋阀，并联动投入消防水泵，喷头开始喷水灭火。
水喷雾灭火系统由水源、水泵、管道、雨淋阀组、过滤器、水雾喷头、火灾探测、自动报警和控制系统组成。当主变台数较多时，可以多台雨淋阀集中设置在一个小间内。
采用水喷雾灭火系统，需有水源保证，一般情况能连续补水4-5m3/h就能满足消防水量要求。设计喷雾强度：变压器除下底面以外的5个面（当低面距地面较高时仍计入底面）、冷却器表面和油枕表面20L/min・m2，油坑6 L/min・m2，火灾持续时间为0.4小时。按主变计算消防用水量需再考虑变压器室外消火栓水量10L/s（火灾持续时间为2小时）。水喷雾与消火栓系统合并设置水泵，按同时满足主变灭火系统和建筑物消火栓系统的水量、水压确定水泵参数，水泵一般设置两台，一用一备，并设置稳压泵系统。根据统计，单台消防主泵电机功率一般在90~132kw。消防水池有效容积应通过计算确定，变电站同时发生火灾按一次考虑，大多变电站为250~300m3，部分户内站可能达到400 m3。为防止生活水水质变坏，消防水池和生活水池宜分开设置。部分用户变电站由于本身所处的工矿企业已有消防水系统，当消防水量和水压都能满足时直接从工矿企业引接消防水，可以节省泵房和水池的投资。
水喷雾灭火系统总造价包括变压器水喷雾管网系统及火灾报警装置、消防水泵房、消防水池和室外消防给水管网四个部分组成。按500kV变电站最终规模为3台主变，主变采用三相分体式；220kV变电站最终规模为3台主变；按变电站变压器台数，泡沫喷雾灭火系统投资情况见表1（以下各种灭火系统投资假定条件同）。
2.3合成型泡沫喷雾灭火系统
合成型泡沫喷雾灭火系统是采用速灭阻燃灭火剂作为灭火药剂，在一定压力下通过专用的水雾喷头，将灭火剂喷射到灭火对象的上表面，使之迅速灭火。该系统吸取了水喷雾灭火与泡沫灭火的特点，籍助水雾和泡沫的冷却、窒息、乳化和隔离等综合作用实现迅速灭火的目的。目前国内已有多个生产厂商提供该灭火装置。
泡沫喷雾灭火系统由储液罐、合成泡沫灭火剂、启动源、氮气动力源、控制阀、水雾喷头和管网等组成。每台或每相主变设置一台控制阀控制相应的管网。除水雾喷头和管网外，其他组件放置在泡沫设备间内，设备间尺寸一般为长×宽×高＝6m×5m×4m。
目前泡沫喷雾尚无国标，按行业标准《合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程》设计喷雾强度为4L/min・m2，连续供给时间为10分钟。参照水喷雾相关规范，主变油坑也是保护对象，计算泡沫灭火剂设计用量的面积建议按油坑面积（保护对象的水平投影面积）计算，喷头的布置应确保按泡沫能覆盖变压器顶面和油枕。
泡沫喷雾灭火系统总造价包括泡沫灭火装置及其附件（含变压器泡沫喷雾管网、火灾报警装置、储液罐及灭火剂等）和泡沫设备间两个部分组成。按照变电站变压器台数，泡沫喷雾灭火系统投资情况见表2。
2.4排油充氮装置
灭火机理：当变压器内部发生故障，油箱内产生大量可燃气体，引起气体继电器动作闭合触点，使断路器跳闸，此时若变压器油箱压力继续增大，超过压力释放和压力控制器设定值，则启动防火灭火程序，打开排油阀排油卸压，防止变压器爆炸起火。同时，断流阀动作，自动切断油枕到变压器箱体的补油油路，杜绝高位油枕的“火上浇油”。排油３秒后，压力氮气从变压器箱体底部注入，搅拌变压器油，强制冷却故障点及油温，并形成氮气保护层，隔绝氧气的进入。
排油充氮装置由灭火箱、氮气瓶、开启瓶、注氮管路、排油管路、快速排油阀、探测器、关闭阀和控制箱等组成。每台或每相主变设置一套排油充氮装置，布置在变压器的旁边，不需设专用设备间，不需要额外占地。
排油充氮装置造价与变压器台数成正比，详见表3。
2.5 主变压器灭火系统的选择
水喷雾系统因为要设置水泵房和水池，因此占地较大，设备用电负荷也较大，水池还需要定期换水，运行维护较麻烦。由于变电站一般不设专门的水务管理人员，且投资较大，在广西等一些地方最近几年的变电站工程中已很少使用，但从全国范围来说仍然是使用最广泛的灭火系统。当变电站为用户变电站时，由于变电站所处的厂区已经有水消防系统，可以节省泵房和水池投资，此时采用水喷雾灭火系统有一定的优势。
泡沫喷雾灭火系统因其占地较少，投资介于排油注氮和水喷雾灭火系统之间，设备简单，安装、操作、维护都很方便，在国内已经得到广泛的使用。目前泡沫喷雾灭火系统方面因为尚无国标，一般参照行业标准《合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程》（CECS 156：2004）执行。由于是新产品正处于发展中，有不断完善的过程，目前正在审定中的国家标准《泡沫灭火系统设计规范》对泡沫喷雾灭火系统做了新的规定，泡沫系统有三种可选择：1） 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（目前使用的就是这种型式）；2） 由耐腐蚀泵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；3） 由压力水通过泡沫压力比例混合器输送泡沫混合液经泡沫喷雾喷头喷洒泡沫到防护区（云南省有少量变电站采用）。其中值得注意的是，泡沫混合液（或泡沫预混液）供给强度由4 L/min・m2改为不应小于8 L/min・m2，连续供给时间由10min改为不应小于15min，保护面积明确为按变压器油箱本体水平投影且四周外延1m计算确定。这些参数的修改将意味着，将来那些采用此系统的变电站扩建主变时很多都需要跟换更大的泡沫装置。此外泡沫液每隔5年左右也需要更换，更换的费用也不低。
对于220kV变电站，采用排油充氮装置投资最省，而主变三相分体式的500kV变电站，由于变压器台数较多，排油充氮装置比泡沫喷雾系统投资略大。排油充氮装置优点主要是不需要额外占地，布置在主变油坑旁即可。排油充氮装置对供电要求简单，易于实现，维护方便，因此在国内某些地区也在广泛使用。比如最近几年广西投产的变电站采用此装置比例约为50%。排油充氮装置在变压器发生火灾后，给变压器注入氮气搅拌绝缘油，降低变压器和油表面温度达到灭火目的。由于该装置在动作后会启动快速排油阀和隔离油枕，为了防止误动作，除了由火灾探测器动作启动外，还需变压器断路器跳闸才能启动。一旦发生误动作，则后果较严重。
前述三种灭火系统各有特点，从技术上都可行，在变电站中都有广泛使用，具体采用何种系统，除考虑技术、经济因数外，还需要考虑水源情况和当地消防部门的意见，因地制宜。
3. 消火栓系统
220kV变电站建筑物主要包括主控通信楼、配电室和警传室内等，而500kV变电站还有保护小室。变电站内的建筑物等级都不低于二级，当建筑体积不超过3000m3时，可不设置室内消火栓系统，否则应该设置室内消火栓系统。设置室内消火栓系统时同时设计设计室外消火栓系统。当主变采用水喷雾灭火系统时，主变及建筑物周围都应设置室外消火栓系统。
消火栓系统火灾延续时间为2小时，室内按任何地方有两股水柱同时到达设计。站内的电气设备间一般不允许有水渍危害，消火栓应该尽量避免布置在电气设备间内，南方电网公司亦有规定消火栓不能布置在设备房间内。对于像配电装置室等较长的建筑物采用单栓的室内消火栓基本上满足不了规范要求，此时可采用双口双阀型消火栓，消火栓布置两侧的楼梯间可较好的解决两股水柱覆盖的问题。消火栓箱应配备自救卷盘，设有室内消火栓的建筑，如为平屋顶时，宜在平屋顶上设置试验和检查用的消火栓。
室外消火栓的布置应考虑能覆盖主变及主控楼、配电室、保护小室和警传室等建筑物，各配电区域不考虑设置室外消火栓。室外消防水量超过15L/s时消防管网布置成环状网。
4. 其他灭火措施
4.1 气体灭火系统
户内变电站的电容器室宜设置气体灭火系统，可采用七氟丙烷、气溶胶等灭火系统。当电容器室不超过3间时，可采用预装式气体灭火装置，否则应采用组合分配系统。
4.2 消防器材的配置
变电站消防器材的配置主要按这三本规范执行：《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）、《建筑灭火器配置设计规范》（GB50140-2005）、《电力设备典型消防规程》（DL5027-93）。
DL5027规程附录二各表规定了10kV变电站到500kV变电站各级别变电站的消防设施配置，表中对各部位的灭火级别及保护面积的规定与上述两本国标规定是严重不一致的，主要原因是DL5027规程未及时和国标同步更新的结果。根据笔者多年的经验，主变压器、高抗配置的推车式灭火器和消防砂池，消防斧、消防铲和消防铅桶等设施的配置按DL5027规程执行，其他则按另外两本国标执行。
建筑物的火灾危险种类和危险等级按GB50229表11.5.17执行，灭火器的具体设置则按GB50140执行。办公室、休息间、警传室等场所为A类火灾，变电站内其他场所大多为电气火灾，少量有带油电气设备的场所为B类火灾，由于灭火器灭火级别只有A和B两类，通常电气火灾按B类灭火级别进行计算，变电站配置干粉和二氧化碳两种灭火器即可满足要求。干粉灭火器采用可以灭ABC类火灾的磷酸铵盐类，配5kg/4kg装。按规范规定，主控通信楼火灾危险类别为严重级，如配置二氧化碳类灭火器需配置30kg装的推车式才满足规范要求，而配电装置室等中危险级场所则最低配置7kg的手提灭火器。在很多工程中，业主反映二氧化碳灭火器太重不方便使用，7kg的手提二氧化碳灭火器重约25kg。根据笔者的经验，可以干粉和二氧化碳灭火器同时配置，干粉灭火器按严重/中危险级分别配5kg(灭或级别89B)/4kg(55B)，而二氧化碳灭火器一律配3kg装的（总重小于12kg），总当量不小于灭火场所需要的最小当量即可。
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