添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

陳寶輝，劉毓，周天念，吳傳平，李波

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心(電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 湖南 長沙 410129； 2. 湖南省防災(zāi)科技有限公司，湖南 長沙 410129)

0 引言

油浸式變壓器是電網(wǎng)重要的核心電工裝備之一。油浸式變壓器內(nèi)部含有數(shù)十至上百噸可燃烴類變壓器油，變壓器內(nèi)、外部故障極易引燃變壓器油，觸發(fā)火災(zāi)。變壓器正常運(yùn)行時(shí)溫度達(dá)90℃以上，起火后火勢發(fā)展快，難以滅火[1-5]?；馂?zāi)燒毀變壓器及周邊設(shè)備，造成惡劣的社會(huì)影響。2016年，陜西某變電站發(fā)生火災(zāi)，燒毀多臺(tái)變壓器，造成8萬多戶停電。2018—2019年，我國發(fā)生多起特高壓換流變壓器火災(zāi)，已成為嚴(yán)重威脅我國電網(wǎng)安全運(yùn)行的重大災(zāi)害。水是最經(jīng)濟(jì)的滅火介質(zhì)，水噴霧滅火系統(tǒng)是最傳統(tǒng)的變壓器滅火系統(tǒng)，也是目前應(yīng)用最廣的變壓器滅火系統(tǒng)之一。水噴霧滅火系統(tǒng)由水池、水泵組、雨淋閥、管網(wǎng)、噴頭等組成。依據(jù)GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，變壓器本體的水霧保護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為20 L/(m2·min)，集油坑的水霧保護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為6 L/(m2·min)[6]。雖然水噴霧滅火系統(tǒng)的水流量大，但是從近幾年發(fā)生的幾起大型變壓器火災(zāi)事故案例的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有水噴霧滅火系統(tǒng)對變壓器的火災(zāi)保護(hù)能力存在明顯不足，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：水與油接觸后分層，難以滅油火，只能起到降溫作用；變壓器油火溫度高達(dá)1 200℃以上，水噴霧滅火系統(tǒng)噴頭、管網(wǎng)離變壓器較近，容易被高溫油火燒熔或者因熱脹冷縮造成管網(wǎng)破壞。因此亟需提升變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)的滅火能力，保障變壓器火災(zāi)安全，提升電網(wǎng)本質(zhì)安全水平。

近年來，國家電網(wǎng)有限公司聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所開展技術(shù)攻關(guān)[7-14]，開展了系統(tǒng)變壓器油火防治技術(shù)研究工作。針對目前變壓器滅火系統(tǒng)存在的防火問題，提出了兩條技術(shù)路線：一是開發(fā)防爆能力和滅火能力均更強(qiáng)的滅火系統(tǒng)，如空氣壓縮泡沫滅火系統(tǒng)[15]和泡沫細(xì)水霧渦扇炮系統(tǒng)[16]；二是對傳統(tǒng)水噴霧滅火系統(tǒng)滅火性能和防火防爆能力的改進(jìn)提升[7，17-18]。本文針對第二條技術(shù)路線，提出基于水噴霧滅火系統(tǒng)滅火能力及防火防爆能力全面提升的成套方案，并搭建真型變壓器模型滅火試驗(yàn)平臺(tái)，將具有純水噴霧和添加水系滅火劑的水噴霧滅油火的性能相對比，驗(yàn)證后者的滅火性能，為變壓器火災(zāi)的可靠防治提供指導(dǎo)。

1 添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火 系統(tǒng)

針對水噴霧滅火系統(tǒng)存在的滅火效率低及噴頭和管道易損壞的問題，提出一種添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)，主要包括供水設(shè)備、滅火劑比例混合裝置、雨淋閥、水噴霧管網(wǎng)等，如圖1所示。

該方案針對滅火劑添加、消防管網(wǎng)防火和防爆增強(qiáng)的說明如下：

1)采用比例混合裝置現(xiàn)混水系滅火劑滅火。比例混合裝置可以選擇壓力式比例混合裝置、平衡式比例混合裝置、機(jī)械泵入式比例混合裝置、計(jì)量注入式比例混合裝置中的一種。對于滅火劑使用量小于10 m3的系統(tǒng)，建議采用壓力式比例混合裝置，具有更好的經(jīng)濟(jì)性；對于滅火劑用量在10 m3以上的系統(tǒng)，可采用平衡式比例混合裝置、機(jī)械泵入式比例混合裝置、計(jì)量注入式比例混合裝置中的一種。

2)滅火劑采用混合比為3%或6%的水系滅火劑或者泡沫滅火劑。其中水系滅火劑滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17835—2008的要求，滅火能力不小于55B；泡沫滅火劑滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15308—2006的要求，滅火性能級別應(yīng)為Ⅰ級，抗燒水平不應(yīng)低于C級。選擇絕緣性能好的滅火劑，研究發(fā)現(xiàn)絕緣性能好的滅火劑可以更加安全地保護(hù)變壓器高壓套管等帶電部位，避免電氣擊穿和沿面閃絡(luò)，即使滅火系統(tǒng)誤噴，也能保障變壓器安全[19-20]。

3)采用不銹鋼等耐高溫材質(zhì)的噴頭。不銹鋼的熔點(diǎn)可達(dá)1 200℃以上，高于銅質(zhì)材料的1000℃，可以顯著提升噴頭的抗燒能力，不銹鋼噴頭經(jīng)變壓器油火灼燒后仍可正常工作。

4)對消防管網(wǎng)特別是對卡箍連接處進(jìn)行防火處理。在管網(wǎng)及其連接件部分刷涂多層室外超薄型防火涂料，可顯著提升防火能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣在變壓器油火下灼燒3 min，未涂防火涂料的卡箍，內(nèi)部橡膠墊圈幾乎被完全燒毀，刷涂6層防火涂料的卡箍內(nèi)部墊圈完好無損。

5)改進(jìn)水噴霧滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)。設(shè)計(jì)長射程噴頭，緊貼防火墻安裝，避免消防管網(wǎng)因變壓器局部爆炸而損壞；此外，針對消防管網(wǎng)接頭等容易損壞的部位做防爆加強(qiáng)處理，提升系統(tǒng)整體的防爆能力。

6)對于添加滅火劑的水噴霧滅火系統(tǒng)，水霧保護(hù)強(qiáng)度仍然可以設(shè)置為本體20 L/(m2·min)，集油坑6 L/(m2·min)；也可適當(dāng)降低保護(hù)強(qiáng)度，但需依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50219—2014經(jīng)滅火試驗(yàn)確定。

傳統(tǒng)水噴霧滅火系統(tǒng)抑制變壓器油火需要滿足兩個(gè)條件：一是水必須成霧，才能通過對變壓器油火的擾動(dòng)滅火；二是水霧必須完全覆蓋火場才能滅火。而變壓器表面極不規(guī)則，在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，常常難以保證所有區(qū)域均有直射水霧的保護(hù)。本方案在添加滅火劑后，滅火水劑本身具有強(qiáng)的滅火能力，即使系統(tǒng)局部破壞失壓不能成霧也能滅油火，并且滅火水劑即使未能完全覆蓋變壓器，也可通過擴(kuò)散覆蓋滅火，因此滅火能力和可靠性較傳統(tǒng)水噴霧系統(tǒng)顯著提升。通過對管網(wǎng)的防火、防爆加強(qiáng)處理，可以顯著提升水噴霧滅火系統(tǒng)的防火、防爆能力。

2 滅火驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

以110 kV真型變壓器為模型，搭建模擬滅火試驗(yàn)平臺(tái)。變壓器器身長5.2 m、寬2.5 m、高2 m，油枕面積為4.3 m2。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50219—2014的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)總流量的基礎(chǔ)上放大1.1倍，最終的系統(tǒng)總流量為1 322 L/min，系統(tǒng)最不利點(diǎn)的壓力為0.35 MPa。采用3種噴頭，ZSTWB34/90(15個(gè))、ZSTWB23/90(4個(gè))、 ZSTWB21/120(5個(gè))，以上24個(gè)噴頭采用兩排主管道圍繞在變壓器周圍。變壓器器身的前方和后面各采用7個(gè)噴頭，其中第一排3個(gè)噴頭，第二排4個(gè)噴頭；變壓器器身左右兩側(cè)各采用4個(gè)噴頭，每排2個(gè)噴頭；油枕采用單獨(dú)的2個(gè)噴頭保護(hù)。噴頭布置后開展水噴霧包絡(luò)試驗(yàn)，保證變壓器器身、油枕及集油坑全部被水霧良好包絡(luò)。

試驗(yàn)共采用9個(gè)油盤火模型，其中變壓器頂部2個(gè)，尺寸分別為4 200 mm×2 500 mm×40 mm和900 mm×2 500 mm×40 mm，模擬高壓套管等破裂后流淌到變壓器頂部的油火；變壓器前方設(shè)置4個(gè)油盤，尺寸分別為φ1 000 mm×200 mm、φ700 mm×200 mm、500 mm×1 800 mm×200 mm、1 000 mm×1 000 mm×200 mm，模擬變壓器油流淌到不同部位的油火。變壓器后方設(shè)置2個(gè)長方形油盤，尺寸都為2 500 mm×600 mm×200 mm，模擬集油坑的油火。變壓器側(cè)面設(shè)置1個(gè)圓形油盤，尺寸φ1 700 mm×200 mm，模擬變壓器器身側(cè)面破壞后流淌的油火。油盤的俯視圖如圖2所示。

圖2 變壓器油盤布置俯視圖

2.2 試驗(yàn)方法

首先在各油盤中加入變壓器油，其中頂部2個(gè)油池的加油量為260 L，變壓器前方4個(gè)油池的加油量為100 L，變壓器后方兩個(gè)油池的加油量為120 L，變壓器側(cè)面油池的加油量為60 L，以上共計(jì)540 L。然后在各油盤中澆入少量的汽油手動(dòng)引燃，等所有油盤中油火都蔓延開后開始計(jì)時(shí)，預(yù)燃2 min 30 s，開啟系統(tǒng)滅火，記錄試驗(yàn)結(jié)果。如果油火無法撲滅，采用添加水系滅火劑的移動(dòng)式消防車進(jìn)行滅火。

一共開展3次試驗(yàn)：系統(tǒng)完整下的純水噴霧滅火試驗(yàn)；系統(tǒng)完整的情況下，添加6%水系滅火劑的水噴霧滅火試驗(yàn)；摘除4個(gè)噴頭 (占總噴頭數(shù)的16.7%)后，添加6%水系滅火劑的水噴霧滅火試驗(yàn)。摘除的噴頭為圖2中右下角的4個(gè)噴頭，摘除噴頭的滅火試驗(yàn)?zāi)M變壓器火災(zāi)高溫或爆炸損壞部分噴頭的滅火情況。摘除噴頭后，整個(gè)系統(tǒng)的最不利點(diǎn)壓力從0.35 MPa下降至0.2 MPa，系統(tǒng)總流量增大至1 805 L/min。試驗(yàn)所用的水系滅火劑是自主開發(fā)的S-6-AB水系滅火劑，具有乳化變壓器油等阻燃滅火、滅火效率高、絕緣性能好等特點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1純水噴霧滅火試驗(yàn)

采用純水噴霧滅火的試驗(yàn)過程如圖3所示。純水霧142 s撲滅了變壓器上部、后方、側(cè)面的水霧直射覆蓋范圍內(nèi)的油火；而變壓器前方水霧未直射保護(hù)的兩個(gè)小油盤火在303 s內(nèi)一直不能撲滅，且沒有變小的趨勢，只能手動(dòng)滅火。

(a)0 s時(shí)的狀態(tài)

(b)預(yù)燃90 s，開始滅火

(c)耗時(shí)142 s，撲滅上、后、側(cè)方火災(zāi)

(d)耗時(shí)303 s，前方火災(zāi)無法撲滅

(e)采用人工滅火

3.1.2添加水系滅火劑的水噴霧滅火試驗(yàn)

添加水系滅火劑后，水噴霧滅火系統(tǒng)的滅火效率顯著提升，在42 s內(nèi)撲滅全部油火，試驗(yàn)過程如圖4所示。

(a)0 s時(shí)的狀態(tài)

(b)預(yù)燃90 s，開始滅火

(c)耗時(shí)42 s，撲滅全部火災(zāi)

3.1.3摘取部分噴頭后添加水系滅火劑的水噴霧滅火試驗(yàn)

在摘除16.7%比例的噴頭后，即使變壓器滅火系統(tǒng)的壓力顯著下降，添加油乳化滅火劑的水噴霧滅火系統(tǒng)仍然能在約40 s內(nèi)滅火。試驗(yàn)過程如圖5所示。

(a)0 s時(shí)的狀態(tài)

(b)預(yù)燃90 s，開始滅火

(c)耗時(shí)40 s撲滅全部火災(zāi)

水噴霧滅火試驗(yàn)

3.2 結(jié)果分析

傳統(tǒng)意義上，水和油分層，水噴霧滅火時(shí)水會(huì)迅速沉降至油下方，因此不適合用于滅油火。但是變壓器油屬于偏重油，密度和黏度均較大，因此可以采用水噴霧抑制火災(zāi)甚至滅火。從本文試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，純水噴霧滅變壓器油火的能力很大程度依賴于水霧霧滴的直射動(dòng)能。直射水霧具有的動(dòng)能可有效剝離變壓器油火，并對燃油起到攪動(dòng)作用，有利于降溫抑火。但是從圖3的試驗(yàn)可以看出，純水噴霧無法撲滅噴頭未直射區(qū)域或較隱蔽區(qū)域的變壓器油火，在較長時(shí)間內(nèi)火勢一直無法控制，且沒有變小的趨勢，只能采用人工滅火。

相比較，添加了水系滅火劑后，變壓器油火在短時(shí)間內(nèi)全部被撲滅。這是由于添加水系滅火劑后，滅火水劑本身具有了很好的滅火能力，可以通過滅火劑在變壓器器身上的逐步擴(kuò)散進(jìn)行滅火，因而顯著增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的滅火能力。并且當(dāng)水噴霧系統(tǒng)部分失壓后，添加水系滅火劑的水噴霧滅火系統(tǒng)仍然可以保持較好的滅火能力。

4 結(jié)論

本文提出添加滅火劑的變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，以及滅火系統(tǒng)防火防爆能力增強(qiáng)的方案，可顯著提升水噴霧滅火系統(tǒng)的滅火能力和可靠性。研究滅火劑對水噴霧滅火系統(tǒng)滅變壓器油火性能的影響，為變壓器火災(zāi)的可靠高效防治提供指導(dǎo)。

本文主要結(jié)論為：1)純水噴霧難以撲滅水霧未直射區(qū)域或半遮蔽區(qū)域的變壓器油火；2)水系滅火劑的添加可以顯著提升變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)的滅火性能；3)當(dāng)滅火系統(tǒng)部分失壓后，添加水系滅火劑的水噴霧滅火系統(tǒng)仍然可以高效滅火。