室外油浸式變壓器滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)研析

倪中華， 徐建楠， 秦麗， 戴夢(mèng)楠

（軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院， 北京 100036）

大型油浸式變壓器作為工礦企業(yè)、 電廠和重特大試驗(yàn)廠房等能源動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部位， 發(fā)生火災(zāi)后會(huì)給生活、 生產(chǎn)和科研試驗(yàn)造成極其嚴(yán)重的后果。雖然變壓器火災(zāi)事故率低， 但因運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)、 雷擊等不確定性因素引起變壓器火災(zāi)案例時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)其滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究十分必要［1－2］。目前， 此類(lèi)工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在采用滅火措施標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一； 有漏項(xiàng)、 甩項(xiàng)、 計(jì)算不嚴(yán)謹(jǐn)和相關(guān)專(zhuān)業(yè)配合不到位等情況； 一些設(shè)計(jì)圖紙往往只交待需由專(zhuān)業(yè)廠家深化， 或者套用廠家圖紙僅滿足招標(biāo)要求深度， 給工程質(zhì)量帶來(lái)較大隱患。 本文結(jié)合正在承擔(dān)的某試驗(yàn)廠房設(shè)計(jì)任務(wù)， 重點(diǎn)就規(guī)范依據(jù)、 系統(tǒng)計(jì)算、 自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制， 以及施工圖審查時(shí)易提問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)， 以供同行參考。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）》［3］規(guī)定， 單臺(tái)容量在40 MV·A 及以上的廠礦企業(yè)油浸變壓器， 單臺(tái)容量在90 MV·A 及以上的電廠油浸變壓器， 單臺(tái)容量在125 MV·A 及以上的獨(dú)立變電站油浸變壓器， 應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)， 并宜采用水噴霧滅火系統(tǒng)。 設(shè)置在室內(nèi)的油浸變壓器可采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。 條文說(shuō)明中解釋對(duì)于缺水或嚴(yán)寒、 寒冷地區(qū)、 無(wú)法采用水噴霧滅火系統(tǒng)的電力變壓器和設(shè)置在室內(nèi)的電力變壓器， 可采用二氧化碳等氣體滅火系統(tǒng)和自動(dòng)噴水－泡沫聯(lián)用系統(tǒng)、 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)等。 GB 50229—2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》［4］規(guī)定： 220、 330、 500 kV 獨(dú)立變電所， 單臺(tái)容量為125 MW 及以上的主變壓器應(yīng)設(shè)水噴霧滅火系統(tǒng)， 并應(yīng)具備試噴的條件。 當(dāng)采用水噴霧滅火系統(tǒng)有困難時(shí)， 可采用其他滅火設(shè)施。 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 5027—2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》［5］規(guī)定： 變電站（換流站）單臺(tái)容量為125 MV·A 及以上、 火電廠包括燃機(jī)電廠單臺(tái)容量為90 MV·A 及以上、 水電廠室內(nèi)油浸式主變壓器和單臺(tái)容量12.5 MV·A 以上的廠用變壓器應(yīng)設(shè)置固定自動(dòng)滅火系統(tǒng)。 固定自動(dòng)滅火系統(tǒng)可采用水噴霧滅火系統(tǒng)、 排油注氮滅火裝置和泡沫噴霧滅火裝置。

2 室外油浸式變壓器現(xiàn)有自動(dòng)滅火系統(tǒng)

水噴霧滅火系統(tǒng)是室外大型變壓器通常采用的一種消防設(shè)施， 技術(shù)較為成熟， 在國(guó)內(nèi)外均有較為廣泛的應(yīng)用。 智會(huì)強(qiáng)等［6］對(duì)國(guó)內(nèi)外油浸變壓器火災(zāi)案例歸納分析， 將變壓器火災(zāi)分為初期絕緣子根部爆裂火災(zāi)、 油箱局部爆裂火災(zāi)和油箱整體爆裂火災(zāi)3 類(lèi)模式。 固定滅火系統(tǒng)能夠撲救的火災(zāi)為絕緣子根部爆裂火災(zāi)與變壓器油沿油箱外壁流向集油池的變壓器油箱局部爆裂火災(zāi)， 油箱整體爆裂火災(zāi)是各種固定滅火系統(tǒng)無(wú)法保護(hù)的。 并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于變壓器內(nèi)部和外部未形成良好通風(fēng)條件的初期火災(zāi)， 水噴霧可以有效滅火， 而當(dāng)多處絕緣子同時(shí)爆裂， 內(nèi)、 外部易形成良好通風(fēng)條件時(shí)， 水噴霧系統(tǒng)可有效控火， 但難以滅火。 汪文超［7］介紹了排油注氮消防系統(tǒng)機(jī)理和工作原理， 并就水噴霧滅火系統(tǒng)和排油注氮系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較， 得出水噴霧方案更為安全、 可靠、 實(shí)用、 經(jīng)濟(jì)。 當(dāng)條件不允許， 在征得了消防監(jiān)督部門(mén)同意的前提下， 也可采用排油注氮消防系統(tǒng)。 孫海林［8］從節(jié)省投資和減少維護(hù)工作量出發(fā)， 得出變電所主變壓器消防設(shè)計(jì)上應(yīng)積極考慮采用排油注氮滅火系統(tǒng)或“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)。 豫電運(yùn)維〔2019〕58 號(hào)要求， 到2020年底國(guó)網(wǎng)河南省電力公司在運(yùn)變電站（換流站）火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、 變壓器固定自動(dòng)滅火系統(tǒng)配置率達(dá)到100%， 并針對(duì)電網(wǎng)企業(yè)特點(diǎn)， 組織開(kāi)展高壓細(xì)水霧在室外環(huán)境的應(yīng)用， 開(kāi)創(chuàng)了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于室外油浸式變壓器的先河。

3 室外油浸式變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和室外油浸式變壓器現(xiàn)有固定自動(dòng)滅火系統(tǒng)對(duì)比分析， 結(jié)合正在承擔(dān)的某試驗(yàn)廠房工程項(xiàng)目特點(diǎn)， 室外有多處超過(guò)40 MV·A 油浸式變壓器， 水消防系統(tǒng)按一處火災(zāi)采用區(qū)域消防泵站設(shè)計(jì)。 綜合安全穩(wěn)妥、 后期運(yùn)維和工程造價(jià)等因素， 經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審后， 本廠房室外油浸式變壓器采用水噴霧滅火系統(tǒng)。

3.1 工程概況

某試驗(yàn)廠房根據(jù)工藝要求， 室外設(shè)置4 臺(tái)75 MV·A 油浸式變壓器， 貼臨廠房南北兩側(cè)成對(duì)稱布置。 變壓器主要外形設(shè)備尺寸及室外下方油池布置如圖1 所示。

圖1 室外單臺(tái)油浸式變壓器尺寸Fig. 1 Dimension of single outside oil immersed transformer

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［9］中規(guī)定的相關(guān)參數(shù)， 采用《兆龍電力變壓器消防設(shè)計(jì)計(jì)算軟件GB》對(duì)此變壓器水霧噴頭進(jìn)行布置設(shè)計(jì)（結(jié)果如圖2 所示）， 確保水霧噴頭可以包絡(luò)變壓器任何部位。 變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)圖和計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖2 室外單臺(tái)油浸式變壓器噴頭包絡(luò)圖Fig. 2 Nozzle envelope of outside single oil immersed transformer

圖3 室外單臺(tái)油浸式變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)圖和計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig. 3 System and calculation diagram of water spray fire extinguishing system for outside single oil immersed transformer

主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表1， 計(jì)算結(jié)果顯示編號(hào)77 的噴頭為系統(tǒng)最不利點(diǎn)， 最不利點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算壓力為350.26 kPa， 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為12.06 s， 集油坑采用流量系數(shù)為K16 的噴頭， 噴霧強(qiáng)度為10.2 L／（min·m2）， 變壓器本體和油枕采用流量系數(shù)為K42.8 的噴頭， 設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度分別為25.17 L／（min·m2）和27.22 L／（min·m2）， 符合規(guī)范要求。

表1 油浸式變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Design parameters of oil immersed transformer

3.3 自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制

水噴霧滅火系統(tǒng)應(yīng)采用自動(dòng)控制、 手動(dòng)控制和應(yīng)急操作3 種控制方式。 自動(dòng)控制涉及到電氣專(zhuān)業(yè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。 李亮［10］建議大型油浸式變壓器探測(cè)報(bào)警設(shè)備既要考慮雨、 雪、 煙霧、 溫度等氣候變化對(duì)探測(cè)效果的影響， 還要考慮變壓器運(yùn)行時(shí)， 向空間輻射電磁干擾等因素， 可在變壓器周邊增設(shè)具有室外抗“日光盲”功能的火焰或視頻火災(zāi)探測(cè)器確認(rèn)變壓器的初起火災(zāi)。 因新修訂的GB 50219—2014 增加了變壓器絕緣子升高座孔口設(shè)置噴頭要求， 為防止誤噴造成不利影響， 本工程采用2 個(gè)獨(dú)立探測(cè)器的冗余設(shè)置方案。 線型感溫火災(zāi)探測(cè)器采用正弦波方式、 分層次（變壓器的上、中、 下3 層）接觸式安裝于變壓器外表面， 視頻火災(zāi)探測(cè)器采用架空安裝方式安裝在油枕附近。

3.4 其他需要注意的問(wèn)題

（1） 排油管管徑和事故油池容量需校核消防設(shè)計(jì)流量。 由于火災(zāi)情況存在泄油和水噴霧系統(tǒng)同時(shí)作用， 事故排油管除需保證排油要求外， 還要充分考慮消防排水量， 經(jīng)校核事故排油管選用管徑為DN 350 mm 的球墨鑄鐵管， 按5‰坡度坡向事故油池， 事故油池應(yīng)具備油水分離功能。 本工程事故油池做法如圖4 所示。

（2） 水噴霧滅火系統(tǒng)組件和管材選型。 油浸式變壓器火災(zāi)類(lèi)型為液體火災(zāi)和電氣火災(zāi)， 水霧噴頭應(yīng)選用離心霧化型； 雨淋報(bào)警閥前管道應(yīng)設(shè)置可沖洗的過(guò)濾器， 過(guò)濾器與雨淋報(bào)警閥之間及其后的管道應(yīng)采用內(nèi)外熱浸鍍鋅鋼管、 不銹鋼管或銅管， 考慮到室外防腐和管道連接安裝時(shí)對(duì)鍍鋅層的破壞，本工程采用316 L 不銹鋼管。 同時(shí)， 由于規(guī)范要求此類(lèi)火災(zāi)的響應(yīng)時(shí)間不大于60 s， 雨淋閥室的位置到變壓器最不利噴頭距離不宜大于50 m。

圖 4 室外事故油池設(shè)計(jì)詳圖Fig. 4 Detailed drawing of outside emergency oil pool of the project

4 結(jié)論和建議

（1） 結(jié)合現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、 規(guī)范， 室外油浸式變壓器火災(zāi)應(yīng)優(yōu)先采用水噴霧滅火系統(tǒng)， 確有困難時(shí)經(jīng)當(dāng)?shù)叵辣O(jiān)督部門(mén)及建設(shè)主管部門(mén)認(rèn)可的情況下， 可采用其他有效的自動(dòng)滅火設(shè)施。

（2） 為提高初期火災(zāi)滅火效率， 水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)變壓器絕緣子根部宜有專(zhuān)門(mén)的噴頭覆蓋。

（3） 由于變壓器不規(guī)則外形導(dǎo)致局部面積的布水重疊， 基于保護(hù)面積和噴水強(qiáng)度得出的流量再乘以一定的安全系數(shù)（往往是經(jīng)驗(yàn)值， 隨意性較大）作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量在方案與初步設(shè)計(jì)階段可行， 施工圖階段還應(yīng)采用專(zhuān)業(yè)消防計(jì)算軟件確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和壓力。

（4） 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)控制要與電氣專(zhuān)業(yè)充分溝通， 結(jié)合項(xiàng)目所在地環(huán)境特點(diǎn)綜合考慮，確保系統(tǒng)設(shè)置科學(xué)有效。 為防止誤噴造成不利影響， 建議火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用2 個(gè)獨(dú)立探測(cè)器的冗余設(shè)置方案。

（5） 變壓器水噴霧管道安裝完畢后， 要做包絡(luò)試驗(yàn)。