某220kV半戶內變電站消防設計淺析

裴 超，鄭建南，黃利波

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西南昌330096）

0 前言

近年來，隨著我們國家經濟的不斷發展，大量的變電站也陸續建成并投入運行。變電站作為重要的電力設施，其安全運行直接關系著我們的國計民生。可靠的變電站消防系統是變電站安全生產的重要保證，在進行變電站消防設計時應遵照“預防為主、防消結合”的方針，針對其火災特點，從全局出發，統籌兼顧，做到安全適用、技術先進、經濟合理。為了進一步提升變電站的消防安全，國家頒布了新的消防設計標準，即《火力發電廠與變電站設計防火標準》（GB50229—2019）和《建筑設計防火規范》（2018年版）（GB50016—2014），提高了變電站的消防設計要求。本文依據新的規程規范要求，從站區建（構）筑物防火、站區總平面布置、主變水消防系統、火災報警系統、消防供電、電纜防火等方面對某220kV半戶內變電站消防設計方案進行了論述分析，可為類似變電站的消防設計提供一定的參考。

1 工程概述

該工程站址位于某經濟開發區內，用地面積為84.80m×81.50m，具體工程規模如表1所示，根據工程規模及用地條件，本工程設計成半戶內變電站，站區設置兩棟配電綜合樓，即220kV配電綜合樓和110kV配電綜合樓。根據電氣專業布置要求，220kV配電綜合樓布置在站區的西北側，220kV朝西北出線。110kV配電綜合樓布置在站區的東南側，110kV朝東南出線，兩棟綜合配電樓之間設置3臺主變。進站道路位于站區東側，站區道路為環形布置，并與進站道路相連接，供大件設備運輸并兼消防通道。整個站區功能分區明確，布置緊湊。

表1 工程規模

220kV配電綜合樓為地上兩層框架結構，建筑總面積為1772m2，建筑總體積為11375m3。平面呈“一”字形南北朝向布局，長為60.60m，寬為18.00m，一層電容器室層高為4.80m，二層220kVGIS室層高為9.30m。一層布置有電容器室、電纜通道、消防水泵房、雨淋閥間，二層布置有220kVGIS室。

110kV配電綜合樓為三層框架結構，地下一層，地上二層，建筑總面積為2028m2，建筑總體積為9383m3。平面呈“一”字形南北朝向布局，長為58.30m，寬為11.30m。地下一層電纜層層高為3.0m；地上一層層高為4.8m，主要房間有：10kV開關室、電抗器室、電纜通道、蓄電池室、門廳、安全工具間、警衛室、衛生間、樓梯間；二層110kVGIS室層高為8.70m，二層其余房間層高為4.50m，主要房間有：二次設備室、資料室、會議室。

2 站區建（構）筑物

2.1 建（構）筑物火災危險性分類及耐火等級

本工程包含的建（構）筑物有：220kV配電綜合樓、110kV配電綜合樓、事故油池、主變等，各建（構）筑物火災危險性分類及耐火等級見表2所示。

表2 建（構）筑物火災危險性分類及耐火等級

同一建筑物或建筑物的任一防火分區布置有不同火災危險性的房間時，建筑物或防火分區內的火災危險性類別應按火災危險性較大的部分確定。在本工程中，220kV配電綜合樓火災危險性為丙類，110kV配電綜合樓火災危險性均為丁類，防火等級為二級。

2.2 建（構）筑物及設備的防火間距

在進行站區平面布置時，需要考慮站區建（構）筑物之間的防火間距要求，當不滿足要求時需考慮設置防火墻，本工程各建（構）筑物之間的防火間距如表3所示。

表3 建（構）筑物及設備之間的防火間距要求m

2.3 建（構）筑物的安全疏散和建筑構造

220kV配電綜合樓長度為60.60m，寬度為18m，包括電容器室、消防水泵房、雨淋閥間、電纜通道、220kVGIS室等房間，其中電容器室、220kVGIS室房間建筑面積超過250m2，因此考慮在該兩房間兩端各設置1個疏散門，同時滿足室內任何一點到疏散門的直線距離小于30m。對于消防水泵房、雨淋閥間、電纜通道，面積均小于250m2，均考慮設置1個直通室外的安全出口。

110kV配電綜合樓長度為58.30m，寬度為11.30m。110kV配電綜合樓為三層框架結構，半地下一層，地上二層。半地下層為電纜層，電纜層建筑面積為675m2，超過250m2，因此考慮在電纜層兩端各設置1個疏散門，同時滿足電纜層室內任何一點到疏散門的直線距離小于30m，考慮到電纜層的建筑面積小于1000m2，依據文獻[1]中11.2.6條，可以不設置防火分區。在本工程中，地下室與地上層共用樓梯間，為了滿足防火要求，考慮在地上首層采用耐火極限不低于2h的不燃燒隔墻和乙級防火門進行分隔，并設置了消防標志。110kV配電綜合樓地上部分包含的房間有10kV開關室、電抗器室、電纜通道、蓄電池室、門廳、安全工具間、警衛室、衛生間、樓梯間、110kVGIS室、二次設備室、資料室、會議室等，其中10kV開關室、110kVGIS室房間建筑超過250m2，因此考慮在該兩房間兩端各設置1個疏散門，同時滿足室內任何一點到疏散門的直線距離小于30m；其余房間建筑面積均小于250m2，均考慮設置1個直通走廊的安全出口，出口設置為乙級防火門，向走廊方向開啟。

在建筑物構造上，依據文獻[1]中11.2.1條可知，當建筑物與油浸變壓器或可燃介質電容器等電氣設備間距小于5m時，在設備外輪廓投影范圍外側各3m內的建筑物外墻上不應設置門、窗、洞口和通風孔，且該區域外墻應為防火墻，當設備高于建筑物時，防火墻應高于該設備的高度；當建筑物墻外5~10m范圍內布置有變壓器或可燃介質電容器等電氣設備時，在上述外墻上可設置甲級防火門，設備高度以上可設防火窗，其耐火極限不應小于0.90h。當工藝需要油浸變壓器等電氣設備有電氣套管穿越防火墻時，防火墻上的電纜孔洞應采用耐火極限為3.00h的電纜防火封堵材料或防火封堵組件進行封堵。在本工程中，由于場地尺寸的限值，110kV配電綜合樓與主變設備的間距不能滿足防火距離，考慮與主變相鄰的墻體設置為防火墻，不開設門窗洞，對于該處的10kV穿墻套管，考慮用耐火極限為3.00h的防火封堵材料進行密封。在室內裝修上，除衛生間采用鋁扣板吊頂、墻面采用瓷磚墻面做法外，兩棟配電綜合樓的其余房間頂棚均考慮涂料頂棚、墻面采用涂料墻面，耐火等級為A級，蓄電池室考慮耐酸性。

3 站區總平面布置

根據電氣專業布置、站區用地尺寸及站區建（構）筑物之間的防火間距要求，本工程的220kV配電綜合樓布置在站區的西北側，110kV配電綜合樓布置在站區的東南側，兩棟綜合配電樓之間設置3臺主變。220kV配電綜合樓與110kV配電綜合樓、主變的間距均大于10m，滿足防火間距要求；事故油池與220kV配電綜合樓、110kV配電綜合樓及主變的間距均大于5m，滿足防火間距要求；110kV配電綜合樓與主變的間距小于5m，考慮將110kV配電綜合樓臨近主變側的墻體設計為防火墻，不開設門窗洞；主變設備之間的距離小于10m，考慮主變之間設置防火墻。進站道路位于站區東側，站區設有4m寬的環形消防道路，消防道路距離建筑物外墻邊緣均大于5m，消防道路轉彎半徑均為9m，并與進站道路相連接，滿足消防車通行的要求。

4 主變壓器消防系統

主變壓器中含有大量的絕緣材料和變壓器油。變壓器中的絕緣材料都是可燃性物質，主要包括電纜紙、黃漆布帶以及電工絕緣紙板、絕緣筒等。變壓器油是變壓器的絕緣和冷卻用介質，是用石油加工成的油制品。在高溫或電弧作用下，變壓器油會分解出大量輕質的碳氫化合物，如瓦斯、氫氣等易燃性氣體。這些易燃氣體與空氣混合，達到一定濃度時，形成爆炸性氣體，遇高溫就會發生爆炸，因此變壓器油是變壓器火災爆炸事故的根源，其消防是變電站消防的重要部分。

220kV主變壓器的油量約為65t，需考慮設置油坑及事故油池。油坑容積按設備油量的20%設計，油坑尺寸大于設備外廓每邊各1m，并能將事故油排至總事故貯油池。總事故貯油池的容量應按其接入的油量最大的一臺設備按100%油量確定，并設油水分離裝置。在本工程中，設計了13.00m×10.40m的油坑，油坑內鋪設了500mm厚φ50~φ80的干凈卵石，事故油池體積按主變100%油量確定，即75m3。

依據文獻[1]中11.5.4條可知，對于單臺容量為125MVA及以上的油浸變壓器、200Mvar及以上的油浸電抗器應設置水噴霧滅火系統或其他固定式滅火裝置。本工程主變容量為240MVA，需考慮設置固定式滅火裝置。因站區建筑物需要設置水消防，故本工程考慮采用水噴霧滅火系統，具體論述詳見下文第5節。

5 站區水消防系統

變電站的規劃和設計，應同時設計消防給水系統[3]。當變電站內建筑物滿足耐火等級不低于二級，體積不超過3000m3，且火災危險性為戊類時，可不設置水消防。本工程中220kV配電綜合樓為丙類、110kV配電綜合樓火災危險性均為丁類，耐火等級均為二級，體積均超過3000m3，故需設置水消防系統。另考慮到變壓器主變容量大于125MVA，主變消防需采用固定式滅火裝置，為了與建筑水消防統一，故選用水噴霧消防系統。

5.1 站區建筑物水消防系統

站區建筑物水消防系統包括室外消火栓系統和室內消火栓系統，因站區周邊無市政消防管網，但有市政自來水管網，建筑物的室內外消防用水均由消防水池提供，其消防用水量如表4所示。

表4 站區建筑物消防用水

站區建筑物室外消火栓系統布置成環形管網，采用DN200鍍鋅鋼管，在站區四周均勻布置4個室外消火栓，環形消防管網與消防水泵出水管相接。每棟建筑物的室內消火栓系統均通過兩路管網與室外環形管網連接，管徑采用DN100，室內消火栓系統亦形成環形且每層均設置2個室內消火栓，另每棟建筑室外附近各設置2個水泵接合器，保證消防用水可靠。

5.2 主變水消防系統

水噴霧滅火系統是變壓器中廣泛使用的一種滅火系統，主要由水源、消防泵、供水管道、雨淋閥組、過濾器和水霧噴頭等部分組成。水噴霧滅火系統的開啟和關閉由雨淋閥控制。雨淋閥是一種消防專用的水力快開閥，能夠滿足水噴霧滅火系統的自動控制、手動控制和應急操作三種控制方式的要求。除雨淋閥外，閥組尚要求配套設置壓力表，水力警鈴和壓力開關，水流控制閥和檢查閥等，以滿足檢查水噴霧滅火系統的供水壓力，顯示雨淋閥啟閉狀態和便于維護檢查等要求。啟動水噴霧滅火系統，可以通過自動、手動或者是應急控制三種方式。水噴霧滅火系統的正常運行，需要依靠高壓水與變壓器周圍的霧化噴頭。高壓水經過霧化噴頭變成霧狀的水流再噴射出來，而水粒平均粒徑保持在0.1～0.7mm的霧狀水流將會直接噴射到變壓器的外表面上，可迅速使變壓器主體表面冷卻降溫，另一方面使燃燒物和空氣隔絕，產生窒息環境而起到滅火作用。噴出的水霧能吸收熱量，尤其是一部分水滴霧化為水蒸汽，更能吸收大量的汽化熱，起到迅速降溫的作用。另外，水霧在受保護的變壓器四周形成包絡火焰的水蒸汽，隔絕了空氣，對火災起到窒息作用，同時也隔離了火焰的輻射熱，限制了火災向外蔓延的勢頭。

水噴霧消防用水量依據文獻[4]確定，油浸式電力變壓器的設計噴霧強度為20L/（min·m2），持續噴霧時間為0.4h；油浸式電力變壓器的集油坑的設計噴霧強度為6L/（min·m2），持續噴霧時間為0.4h；電纜的設計噴霧強度為13L/（min·m2），持續噴霧時間為0.4h。采用水噴霧滅火系統的保護對象，其保護面積應按其外表面面積確定。當保護對象外形不規則時，應按包容保護對象的最小規則形體的外表面面積確定；變壓器的保護面積除應按扣除底面面積以外的變壓器外表面面積確定外，尚應包括油枕、冷卻器的外表面面積和集油坑的投影面積；分層敷設的電纜的保護面積應按整體包容的最小規則形體的外表面面積確定。具體計算結果如表5所示。

表5 主變消防用水量

5.3 消防水池設計

在確定變電站最大消防用水量時，按火災時一次最大室內和室外消防用水量之和計算，本工程中建筑物最大室外消防用水和室內消防用水之和為486m3，主變最大消防用水量為293m3，考慮到變電站同一時間的火災次數為一次，因而消防用水量按486m3考慮，本站需設計有效容積為486m3的消防水池。考慮到站區用地尺寸限值，消防水池設置在220kV配電綜合樓架空平臺下部，尺寸為36×6×2.5m，其剖面圖見圖1。消防水池的進水管根據有效容積和補水時間確定，補水時間不宜大于48h，因此本工程進水管直徑選為DN150。

圖1 消防水池剖面圖

消防水池應設置就地水位顯示裝置，并應在消防控制中心或值班室等地點設置顯示消防水池水位的裝置，同時應設置最高和最低報警水位。本工程消防水池設置了液位儀，液位儀監控的水位包括最高水位、最低水位、溢流水位、停泵水位、開閥水位、關閥水位等，液位儀傳遞的各項信號可以與主控室的監控設備相連，對消防水池水位進行實時監控。

5.4 消防水泵及配套設備的選擇

本工程采用水消防系統，構成全站水消防系統的設備包括消防水泵、穩壓泵、穩壓罐、室外消火栓、室內消火栓、雨淋閥組、水噴霧噴頭等，其中消防水泵、穩壓泵、雨淋閥組均考慮一用一備。

在消防水泵設備選擇上，需要確定的主要技術參數為流量、揚程及功率。根據表4和表5可知，消防水泵最大流量為143L/s。在確定消防水泵的揚程時，需綜合考慮消防水泵的位置標高、消防用水最高點標高、出水口管口壓力以及管道水頭損失等因素，本工程選用的水泵揚程為70m。依據最大流量、水泵揚程及廠家參數可以確定消防水泵的功率為135kW。

在選擇穩壓泵時，其設計流量宜為消防給水系統設計流量的1%～3%，啟泵壓力與消防泵自動啟泵的壓力差宜為0.02MPa，穩壓泵的啟泵壓力與停泵壓力之差不應小于0.05MPa。本工程選擇的穩壓泵設計流量為3L/s，設計揚程為85m，功率為15kW。

在選擇穩壓罐時，穩壓罐的調節容積按穩壓泵啟泵次數不大于15次/后計算確定，穩壓罐的最低工作壓力應滿足任意最不利點的消防設施的壓力要求。本工程選擇的穩壓罐調節容積為800L，調節壓力為1MPa。

6 其他消防設計要求

6.1 采暖、通風與空氣調節設施防火

為了滿足電氣設備房間通風、降溫、排煙的要求，在設計時會考慮給各設備房間設置軸流風機、空調，軸流風機與空調均需增加遠程控制模塊，能夠進行遠程智能操作。當火災發生時，空調及軸流風機能夠被切斷電源停止工作，待火災撲滅后，軸流風機啟動，對房間進行排煙。

6.2 火災探測報警及消防控制系統

本站配置一套具有消防聯動功能的火災探測報警系統[5]，火災探測區域主要包括220kV配電綜合樓、110kV配電綜合樓、主變區域、電纜層區域、電纜溝區域。火災報警系統由煙感、溫感探頭、感溫電纜、手動報警盒、警鈴火災報警控制器等組成。火災報警控制器設在變電站主控室內，以便集中控制和管理火災報警信息，并通過通訊接口將信息送至計算機監控系統。

本工程根據保護對象火災燃燒過程中的特點，選擇安全可靠的火災探測器，以保障變電站的安全，減少事故損失。對火災初期有陰燃階段，產生大量的煙和少量的熱，很少或者沒有火焰敷設的場所，選擇光電感煙探測器，如在二次設備室、資料室、會議室、辦公室、值休室等。蓄電池室采用防爆型感煙探測器，電抗器室、電纜豎井、活動地板下、電纜溝道這些電纜密集的場所設置纜式線型感溫火災探測器。

對采用水噴霧滅火系統的主變壓器，采用兩路不同型號的纜式感溫探測器。當兩類不同型號的探測器均報警時，水噴霧滅火系統自動啟動。消防聯動的控制方式為手動、自動控制，本工程聯動控制主要是消火栓系統、水噴霧系統及排煙風機的聯動，可實現對消火栓系統、水噴霧滅火系統的監視及控制，并接收相應的反饋信號。此外，火災報警控制系統應聯動變電站輔助設備監控系統，以滿足迅速確認火災和應急處置的要求。變電站輔助設備監控系統應具備收到火災報警信號時聯動變電站視頻監控、門禁及燈光控制等功能。

6.3 消防供電、通訊和電纜防火

6.3.1 消防設備供電

消防水泵的供電負荷為一級負荷，消防水泵電動機由380V站用電系統供電，采用來自不同母線的雙回路供電，具有很高的供電可靠性。火災報警控制裝置采用交流不停電供電。

6.3.2 事故照明

本工程所有事故照明電源采用交直流自動切換系統。事故照明系統的正常供電為交流，當正常供電消失后，即切換到直流系統（220kV蓄電池組）供電。6.3.3 消防通訊

火災報警系統自身配置消防電話系統功能，可在全區域布置插孔電話，同時還在消防泵房等布置有消防報警固定電話，提高了通訊的可靠性。

6.3.4 電纜防火設計

為防止電纜著火延燃，本工程設計按《電纜防火措施設計和施工驗收標準》（電力行業標準DLGJ 154－2000）并采取下列防火措施：

1）動力電纜和控制電纜均采用阻燃型電纜。

2）電纜溝進入室內的入口處（如主控樓、綜合泵房、繼電器室、站用電室等）、電纜溝與電纜豎井連接處均需用阻火包、防火隔板、軟質防火堵料封堵。

3）對LCP柜、控制屏、保護屏、配電屏、端子箱、檢修箱等底部開孔處和戶外電纜溝開孔埋管處等應采用防火堵料進行封堵，防火隔離采用防火隔斷。

4）電纜保護管在電纜穿管敷設完畢后，保護管兩端應用防火堵料封堵。

5）靠近帶油設備的電纜溝蓋板應封堵嚴實，以防設備故障時油滲入。

6）所有封堵材料的耐火極限不應低于1h。防火隔墻和穿墻埋管兩側的電纜各1m范圍內涂刷防火漆。

7）在電纜豎井及靜電地板下敷設電纜處同時敷設感溫探測電纜。

6.4 移動式滅火配置

除了設置固定式滅火系統，依據規范內要求還需配置移動式滅火器材。對站區的各個建筑物，均按文獻[6]及文獻[7]的要求，設置不同類型的移動式滅火器。

滅火器分別成組設置，門廳、樓梯間、走道、重要場所（配電綜合樓的電纜夾層間、蓄電池室、主控室、繼電器室等）等明顯和便于取用的地點均設滅火器箱，要求按規范設置，有明顯標記和說明，滅火器箱的設置不得影響交通和安全疏散。每組滅火器箱內的滅火器不得少于2具，也不得多于5具。在主變附近設置推車式滅火器，并配置砂箱、消防鏟、消防斧、消防桶等器材。

7 結語

變電所的消防系統可采用的滅火系統是多種多樣的，本文結合新的消防規程規范要求，從站區建（構）筑物防火、站區總平面布置、水消防系統、火災報警系統、消防供電、電纜防火等方面對某220kV半戶內變電站消防設計方案進行了論述分析。在整個設計過程中，消防設計貫徹始終，需要與建筑、結構、電氣、給排水、采暖空調等各個專業共同配合，這樣才能設計出安全可靠、經濟合理、滿足強制性規范要求的消防系統，為變電站的安全運行打下良好的基礎。