變電站鋼結構防火性能化設計與關鍵技術應用

王曉湧

摘? ? 要：隨著我國經濟的發展，基礎設施建設速度也大大增加。電力系統作為支持城市運轉的重要基礎設施，其安全穩定性不僅關系自身的發展和運營，同時也具有非常廣泛的社會意義。隨著近年來鋼結構建筑技術的成熟，被廣泛的應用在變電站建設中。由于變電站火災發生風險較高，鋼結構在火災抵抗能力上略有不足，因此，變電站鋼結構防火性能化設計成為了人們研究的重要課題。本文通過對變電站火災類型及防火特點分析，說明變電站火災對鋼結構的影響。分析變電站鋼結構在火災作用下發生破壞的特征，從而為鋼結構防火設計提供參考。通過采取相應的設計措施提高變電站鋼結構防火能力，為變電站鋼結構防火性能化設計提供支持。

關鍵詞：變電站;鋼結構;防火性能化;設計;關鍵技術

1? 前言

變電站是城市供電的樞紐，一旦發生故障就會給城市運行造成巨大的影響。由于變電站電氣設備和線纜較多，如果防火性能不夠，極易發生火災風險。當前，大多數變電站采用鋼結構建筑，在高溫作用下，鋼結構會發生破壞，引發更為嚴重的事故。導致變電站無法正常工作，帶來經濟損失的同時，影響電力系統的正常運行。因此，變電站鋼結構需要具備較高的防火性能，能夠抵抗一定的火災和高溫侵蝕，為社會發展提供穩定的能源供應。

2? 變電站火災類型及特點分析

2.1? 火災類型及發生原因分析

（1）變電站線纜發生火災。在變戰中存在大量的線纜，一些線纜由于服役時間過長，早期線纜防火技術不完善，就會導致變電站線纜發生火災。通常情況下，變電站的線纜位于線纜管溝中，一旦發生火災就會引燃其他線纜，造成火勢蔓延，而且由于部分線纜隱蔽在地下或者保護裝置中，失火后難以進行有效控制。其中大部分變電站線纜都處于運行狀態，電纜發生火災后在電流作用下會迅速蔓延擴大，產生其他的起火點，帶來更加難以控制的火情。

（2）變電站電氣設備發生火災變電站中的電氣設備也是火災風險發生率較高的部位。由于變電站電氣設備非常精密，隨著使用時間的增加，設備就會老化，在工作中可能發生故障。一旦電氣設備發生故障，可能出現短路打火的情形，如果沒有及時發現并且處理，非常容易引發火災。當出現一個著火點后，就會對變電站電力系統整體的平衡性造成影響。電壓電流的劇烈變化會導致其他設備損壞，產生火災或者其他事故。由于大部分電氣設備帶有高壓，因此火災發生后難以有效控制，嚴重威脅電力系統的安全。

2.2? 變電站火災特點

（1）危害大。變電站發生火災事故最大的特點就是危害大，由于變電站存在大量的電力線路和設備，這些儀器設備往往價值非常高，發生火災事故之后，必然會給電力設備造成嚴重的損壞，帶來巨大的經濟損失。而且變電站發生火災后，對城市的電力供應就會中斷，電能作為驅動城市運行的重要基礎能源，這種情況下城市斷電區域就會無法正常運行，產生的間接經濟損失將會更加龐大。因此，變電站必須要做好火災防控，避免火災事故的發生。

（2）風險高。常規火災發生后產生的高溫和濃煙會威脅人們的生命安全。變電站發生火災后，其風險程度會成倍增加。不僅會產生高溫和濃煙，變電站中一些電力材料在高溫作用下會發生化學反應，生產有毒優化物質，帶來更加嚴重的威脅。而且變電站設備和線纜中存在著高壓電流，在火災發生后，線路暴露出來，常規的滅火方式不能有效阻止火災蔓延，其中存在的高壓電流還會時刻威脅人們的生命安全。所以，高風險是變電站火災的顯著特點。

（3）影響大。變電站發生火災后會造成巨大的影響。首先，變電站作為城市供電的樞紐，火災發生后城市一些區域會發生斷電，給城市運轉帶來影響。而且變電站火災造成設備損壞，損壞設備的維修恢復難度大，長期電力供應中斷就會造成城市運轉癱瘓，給民眾造成恐慌，甚至產生一些不良言論。其次，變電站發生火災后，會導致城市供電網絡運行受到干擾，造成城市用電設備的損壞，這些設備的損壞不僅會造成經濟損失，也會影響人們對電力企業的信任，造成的損失難以估量。

3? 變電站鋼結構防火性能化設計的必要性分析

鋼結構是當前大空間建筑中常用的結構形式，不僅具有較高的穩定性和強度，同時還能提供非常巨大的室內空間，相較鋼筋混凝土結構的建筑，在工廠廠房、體育場館等需要較大室內空間的設施中應用非常廣泛。變電站由于大型電器設備較多，所以多會采用鋼結構建筑形式。雖然鋼結構建筑優點眾多，但是鋼結構建筑存在一個較大的缺點，鋼結構的高溫穩定性不足，抗火性能差。鋼材受熱之后會發生膨脹，而且高溫會導致鋼材屈服，使鋼結構穩定向下降。不僅如此，鋼材的導熱性能非常好，熱量會在鋼結構體系中傳遞，影響結構整體承載能力，最終發生破壞，造成嚴重的事故。通過實驗表明，鋼結構在400度左右的強度只有常溫下的一半左右，當溫度達到600度之后，鋼材的強度和剛度基本完全喪失。變電站發生火災后，其溫度遠遠高于這個數值，對于鋼結構建筑的穩定性威脅巨大。

3.1? 鋼結構防火設計存在缺陷

變電站鋼結構防火設計存在一定的缺陷。通常狀況下發生火災后延緩建筑倒塌速度，為疏散爭取時間是建筑設計的關鍵內容。但是在鋼結構設計中，其防火等級是根據建筑類型確定的，通過耐火等級來選擇耐火極限符合要求的鋼結構設計形式。但是我國建筑工程發展迅猛，尤其是鋼結構建筑推廣普及非常迅速，規范所劃定的鋼結構耐火性能和指標已經無法適應當前建筑的防火需求。尤其是在變電站中，作為電力的樞紐機構，對于各方面的要求都非常高，按照鋼結構耐火規范設計的變電站建筑在防火上具有較大的弊端，加之變電站火災防控難度較大，一旦發生火災難以滿足實際需要。因此變電站鋼結構防火性能化設計非常重要。

3.2 鋼結構防火性能化設計優勢明顯

鋼結構防火性能化設計具有非常明顯的優勢。防火性能化設計的目的就在于提高變電站鋼結構建筑的耐火等級，使其發生火災后具備更好的抵抗能力，能夠長時間在高溫和電流破壞下保持結構穩定。因此，通過防火性能化設計能夠使變電站鋼結構建筑更加安全，給火災的處理爭取更多的時間。由此可見，變電站鋼結構防火能力的提高能夠間接降低變電站火災的損失，對于變電站火災后的維修重建工作有著非常巨大的作用。

4? 鋼結構防火設計方向及火災下發生破壞分析

4.1? 鋼結構防火設計方向分析

鋼結構防火性能設計主要是通過對鋼結構建筑的結構優化和施工工藝改進，提高鋼結構構件的高溫穩定性，從而降低鋼結構建筑在火災中的損壞程度，使其在火災中能夠堅持更久的時間，為火災的處理和人員的疏散爭取更多的時間。從鋼結構高溫變化的特征來看，鋼結構防火設計可以從以下兩個方面入手。其一，隔絕高溫與鋼結構的接觸，從而使其在火災中堅持更久的時間。其二，降低溫度在鋼結構中的傳到速度，防止溫度傳遞造成鋼結構整體穩定性降低。通過提高鋼結構防火性能，能夠為鋼結構建筑開拓更大的應用空間。

4.2? 鋼結構火災下發生破壞分析

鋼結構在高溫下穩定性會急劇衰減，然后發生破壞。根據鋼結構設計形式的不同，其發生破壞的特征也會存在一定的區別，通過對其破壞情況的分析，能夠為鋼結構防火性能的優化提供參考，使其具備更好的耐火性，從而在變電站發生火災時具備更加穩定的性能，為火災的處理和后期的恢復創造有利環境。

（1）門式剛架結構火災下的破壞。在鋼結構建筑中，門架式鋼結構屬于應用廣泛的典型平面結構形式之一。這種結構類型在變電站建筑中應用也非常多。所以在發生火災時，研究門架式鋼結構破壞的特征具有非常大的實際意義。以結構形式最簡單的單層門架式鋼結構為例，在火災高溫的作用下，門架式鋼結構鋼架梁連接點豎向位移值變化呈現出先大后小在劇烈增加的情況，造成這一情況的原因是由于鋼結構在高溫作用下發生膨脹，隨著溫度逐漸升高，當達到一定程度時，鋼結構呈現出屈服的特點，導致鋼結構的塑性增加，發生較大的變形，而且溫度在鋼材中傳導造成鋼材屈服部位擴大，變形更加劇烈。最終導致結構整體受力發生變化造成破壞。

（2）預應力柔性結構火災下的破壞模式。預應力結構與普通的剛性連接結構不同，預應力柔性結構的剛度主要依靠預應力鋼索提供。此結構在正常使用狀態下，能夠為鋼結構的提供更好的穩定性，受力由預應力索承擔能夠改變鋼結構受力形式，使鋼結構能夠承受不同情況下的荷載。以索網結構為例，在不同荷載作用下，預應力索受到的力也是不同的，受力的鋼索會繃緊，而不受力的會松弛。當火災發生后，鋼索在高溫的影響下會與產生與鋼材同樣的變化，先是膨脹，然后屈服。由于鋼索主要承受拉力，所以會造成鋼索松弛失去應有的工作性能，造成鋼結構失穩。當溫度達到一定程度后，鋼結構鋼材與鋼索都失去強度，建筑就會徹底被破壞。

5? 變電站鋼結構防火性能化設計關鍵技術

能否增加再增加1點？關鍵技術只有2點好像有點奇怪，比如說：針對電氣火災特點制定防火分區，區別傳統型水噴霧或噴淋設施。使用無水基滅火裝置等等。

5.1? 應用防火涂料

當前，變電站鋼結構防火性能化設計的主要技術形式就是采用防火涂料對鋼結構進行防火處理。防火涂料涂刷在鋼結構的表面后，其在高溫的作用下會發泡。膨脹發泡之后的防火涂料會形成結構密實耐高溫的海綿狀結構，內部產生空心泡沫層將熱量隔離。這種結構能夠有效降低鋼結構對溫度的吸收，而且隨著火勢蔓延，其他區域的防火涂料也會隨之發泡，形成全方位的防護。根據防火涂料噴涂厚度可以分為不同的防火等級。而且防火涂料本身也分為高溫膨脹和高溫不膨脹兩類，從其效果上看，膨脹的防火涂料性能要更好一些。

5.2? 增加構件尺寸

增加鋼結構建筑的截面尺寸能夠有效提高其耐火能力。鋼結構截面尺寸越大，其耐火能力就越好。而且在鋼結構建筑設計過程中，可以根據鋼結構的受力形式，對其受力較大的節點進行強化設計，通過涂抹保護層、耐火材料和防火板材包裹等形式，提高關鍵節點的耐火能力，使鋼結構能夠具備更好的高溫穩定性，為變電站發生火災時爭取更加充裕的時間。

5.3? 防火分區設置

變電站火災發生后風險遠超常規火災，不僅存在高溫和有害氣體，高壓電對于火災的搶救工作造成了巨大的障礙，常規滅火方式不僅效果不佳，而且可能威脅人們的生命安全。所以在變電站鋼結構建筑中，需要針對其使用功能設計針對性的防火措施。根據高壓線路和設備功能和結構設置為單獨防火分區，滅火方式采用無水基滅火，能夠避免短路和水侵蝕造成設備二次損壞。防火分區之間設置相應的防火隔離帶，能夠有效減緩火災蔓延速度，為火災的施救爭取時間，降低損失。

6? 結束語

綜上所述，變電站作為電力系統的重要樞紐，必須具備極高的防火性能。鋼結構作為變電站中應用較為廣泛的建筑形式，高溫穩定性差是非常嚴重的缺陷。為了提高變電站鋼結構建筑的耐火性能，防火性能化設計非常必要。通過對火災特點、鋼結構高溫破壞形式和鋼結構防火性能提升設計的探討，能夠為鋼結構防火性能化設計提供參考，促進其防火技術的發展進步。

參考文獻：

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