換流變壓器閥側(cè)套管防火墻洞口封堵研究

曹豫巖，徐 晴，馮 宇，樊世濤

1.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021

2.南通世睿電力科技有限公司，江蘇 南通 226000

1 項目背景

在直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器和換流閥共同作為交流和直流系統(tǒng)的接口設(shè)備[1]，完成交流與直流電路之間的轉(zhuǎn)換。將換流變本體布置在閥廳外，閥側(cè)套管穿過閥廳防火墻洞口與閥廳內(nèi)部閥組連接，閥廳防火墻為換流變閥側(cè)套管預留的洞口，待設(shè)備就位后需要進行封堵。

換流變發(fā)生火災時，防火墻洞口封堵成為整個防火系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。絕緣油達到燃點會引發(fā)烴類燃燒，與纖維素燃燒相比，烴類燃燒具有爆發(fā)快、溫度高的特點，可在極短時間內(nèi)達到1100℃，極易造成防火封堵材料性能的快速衰減，同時防火封堵系統(tǒng)連接部位也存在著極高的火災蔓延風險。自直流工程投運以來，換流站內(nèi)閥廳火災事故時有發(fā)生，換流變閥側(cè)套管防火墻洞口封堵被燒穿，破壞了內(nèi)部閥組，造成了重大經(jīng)濟損失，因此需要對洞口封堵材料的耐火極限及封堵結(jié)構(gòu)提出更高的要求：防火封堵材料要具有相應的防火、防煙、隔熱性能[2]，封堵結(jié)構(gòu)必須穩(wěn)固。

2 封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

為了保證換流變閥側(cè)套管防火墻洞口封堵滿足實際需求，封堵設(shè)計需要考慮整體耐火性能和強度要求，同時要滿足電磁屏蔽性能，避免渦流發(fā)熱。在設(shè)計防火封堵系統(tǒng)時，其支撐構(gòu)件、緊固件以及連接件等應該具有相應的耐火性能和力學穩(wěn)定性能；其自身與防火墻、套管交界處必須做好密封處理，避免發(fā)生火災時，出現(xiàn)熱短路現(xiàn)象或竄煙現(xiàn)象；所用的材料至少滿足碳氫火燃燒3h的耐火要求，在正常使用或發(fā)生火災時，材料不脫落、移位和開裂；所用的金屬材料選用無磁不銹鋼材料，避免運行時產(chǎn)生渦流發(fā)熱。

國家電網(wǎng)公司特高壓建設(shè)部、國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)公司、國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院聯(lián)合設(shè)計院和廠家一起研究探討各種材料的耐火性能，并在北京、上海、四川等地進行了多次大尺寸洞口封堵耐火試驗（帶模擬導管貫穿物），在試驗基礎(chǔ)上組織規(guī)劃院專家審查，最終在2020年1月15日形成了一個初步封堵標準化設(shè)計方案，對防火墻洞口尺寸、封堵結(jié)構(gòu)抗風壓性能等做出了明確要求。

2.2 封堵結(jié)構(gòu)

之前的封堵系統(tǒng)主要材料選用了單層結(jié)構(gòu)巖棉復合防火板（150mm厚的Paroc板）[3]，該單層結(jié)構(gòu)巖棉復合防火板（以下簡稱巖棉板）以0.6mm厚的金屬板（大部分為304不銹鋼，少部分為普通彩鋼板）作為面板，中間復合填充了巖棉芯材。相關(guān)廠家根據(jù)防火封堵的最新要求，繼續(xù)深入研究此系統(tǒng)，設(shè)計了“多層次防火封堵”系統(tǒng)。該封堵系統(tǒng)分為剛性封堵、包邊封堵與柔性封堵三部分。

（1）剛性封堵。閥廳外側(cè)采用80mm×50mm×6mm的不銹鋼角鋼固定，角鋼內(nèi)側(cè)采用100mm厚的不銹鋼面硅酸鋁復合板，中間層采用龍骨加空氣層結(jié)構(gòu)，確保封堵系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)強度，不銹鋼面硅酸鋁復合板與龍骨接觸部位采用防火板進行隔離，閥廳內(nèi)側(cè)采用100mm厚的不銹鋼面巖棉復合板，雙層復合防火板通過不銹鋼燕尾釘與不銹鋼龍骨連接，該結(jié)構(gòu)既可保證小封堵的防火封堵距離，又可解決由板材質(zhì)量和施工質(zhì)量分散性、板材拼縫熱短路等導致的局部高溫問題。剛性封堵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 剛性封堵結(jié)構(gòu)圖

（2）包邊封堵。選用硅酸鋁纖維毯密實填充不銹鋼面硅酸鋁復合板、不銹鋼面巖棉復合板與墻體之間的間隙，在閥廳內(nèi)側(cè)使用高溫硫化硅橡膠板覆蓋防火板材與墻體之間的間隙，避免火災中有煙氣穿過，最后使用不銹鋼包邊進行密封處理。整個包邊結(jié)構(gòu)在邊界處隔絕火焰，避免煙氣竄入閥廳內(nèi)。包邊封堵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 包邊封堵結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.3 柔性封堵

柔性封堵從閥廳內(nèi)側(cè)到外側(cè)設(shè)計成多層結(jié)構(gòu)，既能滿足日常防塵、防水、密封要求，又能在火災發(fā)生時阻止火焰和煙氣傳播。使用硅酸鋁纖維毯密實填充防火板材與套管之間的間隙，使用擋火圈覆蓋間隙，外側(cè)使用硅橡膠板覆蓋，并使用防火密封膠進行邊緣密封。柔性封堵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柔性封堵結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3 封堵系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新點

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過研究發(fā)現(xiàn)，封堵結(jié)構(gòu)的耐火性能和密封性能密切相關(guān)。在火災中，封堵結(jié)構(gòu)的密封失效通常是由于封堵系統(tǒng)防火板材在高溫條件下金屬面發(fā)生變形，破壞密封系統(tǒng)造成的，因此將迎火面設(shè)計為耐火性能和隔熱性能優(yōu)異的不銹鋼面硅酸鋁復合防火板，并對其金屬面企口部位進行密封加強處理，保證企口密封。中間設(shè)計采用不銹鋼龍骨固定，兩層防火板之間的間隙被設(shè)計為容錯層，能夠解決板材質(zhì)量和施工質(zhì)量分散性、板材拼縫熱短路等導致的局部溫度高的問題。經(jīng)過迎火面防火板后，4h后空氣層溫度不超過600℃，可滿足巖棉板的使用溫度（巖棉材料的最高使用溫度約為600～700℃[4]），結(jié)合經(jīng)濟性考慮，封堵系統(tǒng)的第二層防火板設(shè)計為巖棉板。

3.2 不銹鋼面硅酸鋁復合板

封堵系統(tǒng)遇到火災（1100℃左右）時，巖棉板面層金屬很快受熱變形，并拉動卡口變形，導致火從卡扣竄入，防火板材失效。針對板材變形問題，不銹鋼面硅酸鋁復合板由無磁化不銹鋼、鎂質(zhì)防火板、硅酸鋁纖維復合而成。無磁化不銹鋼可避免在變壓器運行時出現(xiàn)封堵渦流發(fā)熱的情況；不銹鋼面板與鎂質(zhì)防火板采用固定間距的固定釘固定，當不銹鋼面板變形時，靠內(nèi)側(cè)鎂質(zhì)防火板的拉力約束面材和卡口變形，保持板材的結(jié)構(gòu)完整性；硅酸鋁纖維最高使用溫度為1200℃[5-6]，巖棉最高使用溫度為700℃，不銹鋼面硅酸鋁復合板能提升封堵結(jié)構(gòu)整體的耐火性和隔熱性。

3.3 可活動擋火圈

柔性封堵部位中間空氣層、背火面使用可活動擋火圈設(shè)計，擋火圈使用防火膠固定于套管上，套管發(fā)生沉降時，擋火圈隨之發(fā)生位移。在日常運行過程中，擋火圈與套管同步震動；在火災發(fā)生時，擋火圈能有效保證小封堵密封性，減少了火災時的空氣熱對流，增強了小封堵及整個封堵系統(tǒng)的隔熱性能，另外可活動擋火圈能起到提升整個封堵系統(tǒng)耐受荷載能力的作用。

3.4 密封結(jié)構(gòu)

在火災條件下，各種材料受高溫影響發(fā)生形變，如果在迎火面做密封，難以保證其密封性，并且會造成材料浪費。防火包邊封堵設(shè)計兩道密封，一道是迎火面板材背面使用鎂質(zhì)防火板防火、隔熱，另一道是在背火面使用高溫硫化硅橡膠密封隔煙，中間層使用硅酸鋁作為隔熱層。柔性封堵在包邊封堵設(shè)計上增加第三道密封，使用硅酸鋁防火板在套管部位中間位置增加一道防火、隔熱層。隔熱層能有效降低背火面溫度，再對背火面閥廳側(cè)小封堵、板縫、板材與墻體間隙做密封處理，有效隔絕煙氣傳播。

4 結(jié)束語

2019年12月30日，“多層次防火封堵”系統(tǒng)在四川消防研究所進行了3h真型耐火試驗（5m×5m，帶模擬雙貫穿物），試驗過程中封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)漏煙現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)符合《防火封堵材料》（GB 23864—2009）中的相關(guān)要求，也滿足現(xiàn)場實際使用需求。目前，該防火封堵結(jié)構(gòu)已經(jīng)投入實際工程中。