±800 kV特高壓換流變壓器CAFS自動控制系統設計研究

袁 泉，張 瑞，張 紅

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

特高壓直流輸電技術在中國已經廣泛應用[1～3]，截至2020年，中國已經建成了14回特高壓直流輸電工程。目前在運的特高壓±800 kV換流站中，曾發生多起換流變壓器故障引發嚴重火災的事故。在運換流變壓器的消防多采用水噴霧或者泡沫噴霧[4～6]，現有消防設施難以滿足特高壓換流變壓器的消防需求，容易造成火災范圍擴大，增加災后損失。

壓縮空氣泡沫滅火系統(compressed air foam extinguishing system，CAFS)是指水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮氣三者通過精準配比，在獨立混合室中混合后產生均勻帶壓泡沫滅火劑，并由消防管道釋放至著火點的系統。國家電網有限公司與天津消防研究院等多家單位先后成功開展多次壓縮空氣泡沫炮撲救全尺寸特高壓換流變壓器實體火試驗。為特高壓換流站的CAFS設計提供了有力的技術支撐[7]。

本文首次開展了CAFS在±800 kV換流站內工程應用設計研究。結合變電站計算機監控系統的配置方案[8]，給出了特高壓換流變壓器CAFS自動控制系統方案設計要點，以期對后續特高壓換流站的CAFS設計應用提供參考。

1 換流變壓器CAFS設備配置

某±800 kV換流站工程換流變壓器分區為4組，每組換流變壓器分區安裝6臺換流變壓器。每臺換流變壓器同時設置噴淋系統及消防炮進行滅火保護。噴淋系統用于火災時自動啟動，對換流變壓器形成全方位包絡；每組換流變壓器分區設置7門消防炮，安裝于防火墻挑檐上方，保證每臺換流變壓器都對應有2臺消防炮保護。

圖1為換流變CAFS設備配置，設置1套CAFS產生裝置，同時供給消防炮和噴淋系統。CAFS從裝置出口總管設置4個分區閥分別供給至4個換流變壓器分區。每個分區建設選擇閥室1座，在選擇閥室內設置13個選擇閥，分別供給6路噴淋系統和7臺消防炮[9]。

圖1 換流變壓器CAFS設備配置

2 換流變壓器CAFS控制系統

2.1 系統結構

CAFS控制系統采用開放、分層分布式結構，整個控制系統由兩層設備和一層網絡組成。

站控層設備由CAFS系統主機和CAFS控制系統運行工作站組成，是CAFS系統設備監視、測量、控制、管理的中心，提供站內運行的人機聯系界面，通過網絡傳輸，接收間隔層設備采集的開關量、模擬量信息，并發送控制命令，實現管理控制間隔層設備等功能，通過通信設備與站內消防自動化系統進行數據通信。

間隔層設備包括I/O 測控裝置、與站控層網絡的接口和其他智能設備接口裝置等；I/O 測控裝置完成CAFS系統設備狀態和故障信息等采集及控制輸出功能。兩層系統結構模式為站控層網絡與間隔層網絡直接采用以太網連接。兩層系統結構的CAFS自動控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 CAFS自動控制系統示意圖

2.2 系統配置

2.2.1 站層設備配置

CAFS控制主機是站控層數據收集、處理、存儲及網絡管理的中心。主機采用多核服務器，其性能應能滿足整個系統的功能要求，主機的處理能力、存儲容量應與變電站的規劃容量相適應。為了提高CAFS控制系統的運行可靠性，CAFS的控制主機采用雙機冗余配置。

CAFS控制系統運行工作站需要單獨配置。運行工作站是站內控制系統的主要人機界面，人機界面采用統一的圖形用戶界面，用層次化、生動豐富的畫面，將系統和各子系統總貌圖、流程圖、趨勢圖等顯示出來。運行人員可通過運行工作站對CAFS系統各類設備進行運行監測和操作控制。運行工作站滿足運行人員操作時直觀、便捷、安全、可靠的要求。

消防控制琴臺將安裝在換流變壓器現場各處的前端，消防炮的狀態信號及控制信號集中控制，實現泡沫消防炮的角度調節、預置位功能和視頻信號傳輸顯示。

2.2.2 間隔層設備配置

CAFS產生裝置控制模塊主要控制CAFS產生裝置的啟停，將水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮氣三者通過精準配比，在獨立混合室中混合后產生均勻帶壓泡沫滅火劑。同時需要采集產生裝置內主要部件反饋信號，支持接收外部控制信號并可將相關信號對外送出。

就地測控裝置具有狀態量采集、交流采樣及測量等功能，對CAFS系統運行設備的信息進行采集、處理和傳送，配置有 “就地/遠方”切換開關。

閥門操作機構箱是存放分區選擇閥門、噴淋閥門、消防炮閥門的機械傳動部件，可以實現分區選擇閥門、噴淋閥門、消防炮閥門的操作。

消防炮就地操作裝置是存放消防炮頭的機械傳動部件，能實現消防炮的角度調節、預置位功能。

2.2.3 網絡設備配置

網絡通信設備包括網絡交換機、光電轉換器、接口設備和網絡連接線、電纜、光纜等。CAFS控制系統的站控層網絡采用國際標準推薦的以太網，具有良好的開放性，網絡拓撲結構采用星形。

2.2.4 CAFS控制系統組網

CAFS系統以CAFS噴淋系統為主，以CAFS消防炮系統為輔。兩套滅火系統共用一套CAFS產生裝置和相關管路。

CAFS噴淋控制系統的站層設備包括CAFS控制系統運行工作站和控制主機柜；間隔層設備包括CAFS設備間的CAFS產生裝置控制模塊、CAFS設備間及各選擇閥室就地測控裝置，各選擇閥室的噴淋閥門就地操作機構。站層設備與間隔層設備之間采用光纖通信。

CAFS消防炮控制系統的站層設備包括消防控制琴臺，間隔層設備包括各選擇閥室的消防炮就地操作裝置、消防炮頭和無線遙控器。消防炮就地操作裝置與消防炮控制琴臺采用光纖通信，消防炮就地操作裝置與消防炮采用網線通信。

消防控制琴臺與CAFS控制主機采用光纖通信。

2.3 系統功能

2.3.1 數據側采集和處理功能

CAFS控制系統通過就地測控裝置采集數字量信號、模擬量信號(如4～20 mA)，支持通過網絡和串口通信對下采集信息；如果無法通過通信接口輸出的設備運行狀態信號和報警信息等采用硬觸點的方式采集。對于重要的開關量和模擬量信號，具備三重化的輸出接點。重要的信號包括：電動閥門位置信號(硬接點)、CAFS產生裝置控制模塊運行/停機反饋信號(硬接點)、主控制柜故障反饋信號(硬接點)、泵故障反饋信號(硬接點)、液位信號(4～20 mA)、管道流量信號(4～20 mA)。

控制系統對上預留數據通信接口；CAFS主控制柜將相關信息以數據通信的方式(如IEC61850)接入消防自動化系統和站內SCADA系統。

2.3.2 信息多元展示功能

控制系統將采集到的信息在監控后臺上進行全面展示，展示內容包括閥門開關狀態、產生裝置設備運行狀態、裝備故障告警信息、液位、流量等。

a.人機界面采用統一的圖形用戶界面，用層次化、生動豐富的畫面，顯示系統和各子系統總貌圖、流程圖、趨勢圖等。

b.對多步操作的每一步，人機界面通過文字信息來提供操作結果的反饋，同時還通過文字提示下一步動作的建議。

c.人機界面對報警、事件進行分層展現，通過報警的過濾，在多級報警出現時，系統優先、明確、有主次地處理關鍵的報警信息。

2.3.3 操作控制功能

CAFS控制系統控制模式分為自動控制模式、手動控制模式和就地操作模式。

a.控制系統具有自動控制模式。與火災報警系統聯動，控制系統接收火災報警主機的聯動信號(采用硬接點方式)，發出聲光報警信號，判斷火災信號位置，判斷滿足啟動條件后，則自動啟動CAFS產生裝置和泡沫噴淋系統進行滅火；消防炮控制系統在接收到由CAFS控制主機給出火災聯動信號，能夠根據火災位置信號，按人工預置位自動調整炮頭角度，待人工確認如消防炮選擇正確、消防炮角度已調整到位，手動一鍵投入消防炮滅火。

b.控制系統應具有手動控制模式。自動控制中所有的控制信號，均可從消控室人工手動發出。在手動模式下，控制系統接收報警主機的火災聯動信號，發出聲光報警信號，判斷火災信號位置(需要火災報警系統提供發生火災位置信息)，判斷滿足啟動條件后，給出操作提示，由運行人員通過手動控制啟動CAFS產生裝置和釋放裝置。手動模式可以選擇一鍵投入式也可以選擇進行分步操作。

當泡沫噴淋系統和消防炮系統在控制系統失效時，運行人員可以在火災報警系統多線盤上手動操作控制分區選擇閥門、泡沫噴淋閥門、消防炮閥門和CAFS產生裝置。

c.就地操作模式。CAFS產生裝置應具備就地操作功能，在控制系統失效時，運行人員可以在CAFS產生裝置設備間通過就地手動啟動產生裝置；就地手動啟動泡沫泵、空壓機等設備，實現將CAFS系統投入滅火作業。

當泡沫噴淋系統和消防炮系統在控制系統失效時，運行人員可以在分區選擇閥室通過就地操作控制分區選擇閥門、泡沫噴淋閥門和消防炮閥門。

2.3.4 防誤閉鎖功能

CAFS控制系統具備防誤判斷，啟動時必須判斷換流變壓器已斷電，防止誤操作；控制系統不設置單獨的遠方停止按鈕，正常工作運行時，如需停止須就地操作。

2.4 設備布置

CAFS控制主機組屏安裝在CAFS控制主機柜內，柜體布置于換流站主控樓三樓的站控制保護設備室內。

CAFS控制系統運行工作站布置于換流站主控樓三樓的主控室內。

CAFS產生裝置控制模塊組柜安裝在CAFS控制柜內；CAFS產生裝置的測控裝置組柜安裝在設備間子機柜內；CAFS控制柜、設備間子機柜、分區閥的機構箱，均布置于某±800 kV換流站CAFS產生裝置設備間內。

極1低端閥室測控裝置組柜安裝在極1低端閥室子機柜內；極1低端閥室子機柜，極1低端選擇閥機構箱布置于某±800 kV換流站極1低端選擇閥室內。

極1高端閥室測控裝置組柜安裝在極1高端閥室子機柜內；極1高端閥室子機柜，極1高端選擇閥機構箱布置于某±800 kV換流站極1高端選擇閥室內。

極2低端閥室測控裝置組柜安裝在極2低端閥室子機柜內；極2低端閥室子機柜，極2低端選擇閥機構箱布置于某±800 kV換流站極2低端選擇閥室內。

極2高端閥室測控裝置組柜安裝在極2高端閥室子機柜內；極2高端閥室子機柜，極2高端選擇閥機構箱布置于某±800 kV換流站極2高端選擇閥室內。

3 與火災報警系統接口

3.1 特高壓換流變壓器火災探測器配置

每臺換流變壓器本體配置感溫火災探測器感溫電纜2套，纏繞在換流變壓器本體。

每臺換流變壓器配置火焰探測器3臺，其中2臺布置在換流變壓器box-in內部，1臺布置在box-in外部，根據某換流站高、低端換流變現場的實際情況，每臺換流變安裝的3只紅紫外火焰探測器主要監測閥側套管、網側套管、中性點套管以及分接開關。

特高壓換流變固定消防啟動跳閘邏輯如圖3所示[10]。

圖3 火災報警啟動消防邏輯圖

3.2 CAFS系統與火災報警系統接口

火災報警主機通過硬接點信號，將換流變壓器固定消防啟動邏輯送至CAFS消防系統主機柜。火災報警系統設置多線控制盤，火災報警系統多線控制盤通過硬接線，可以遠方手動控制控制分區選擇閥門、泡沫噴淋閥門、消防炮閥門和CAFS產生裝置。

4 結語

結合國內首個±800 kV換流站壓縮空氣泡沫滅火系統示范應用工程，闡述了特高壓換流站CAFS的設備配置，CAFS控制系統的系統結構、系統配置、系統功能，給出了CAFS控制系統的設備布置等設計要點，對后續特高壓工程壓縮空氣泡沫滅火系統應用、設計等提供借鑒及技術支持。