特高壓換流變壓器主動排油滅火技術的研究

劉廷堃

(國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著特高壓直流輸電技術的高速發展與應用，越來越多的特高壓換流站和直流輸電線路相繼建成投運。特高壓換流變壓器設備是特高壓換流站內的核心設備之一，換流變壓器設備的運行工況可直接影響到整個直流輸電系統的安全與穩定。換流變壓器采用油絕緣方式，單臺換流變壓器內部絕緣油存量約為120 t。當一臺換流變壓器設備運行過程中出現內部放電等原因造成設備爆炸甚至火情時，變壓器設備內的一百多噸變壓器油轉變為火災燃料，導致火情迅速擴大，甚至可能會牽連同一閥組的其他五臺換流變壓器及閥廳內部設備同時著火。自2018年3月以來，全國特高壓輸電系統陸續出現換流變壓器設備爆炸事故;同時，因變壓器絕緣油燃燒外溢造成火災事故擴大，均造成重大直接經濟損失。因此，換流變壓器設備的配套消防滅火能力對于換流站設備在運行過程中的突發應急情況處理及降低火災造成的直接經濟損失方面有著非常重要的意義。

1 特高壓換流變壓器的消防系統配置

2019年前，國內特高壓換流變電站換流變壓器設備配置的消防系統為水消防配合泡沫消防滅火[1]。水消防和泡沫消防滅火均具備全自動、半自動和聯動方式啟動觸發滅火系統[2]，觸發后依靠配置在換流變壓器四周的噴淋泵進行滅火，但受到水源及泡沫液存量的限制無法及時將現場火勢撲滅。特高壓換流站內的換流變壓器均安置在密封式隔音室內，著火時消防隊無法直接進入內部滅火，僅能采取遠距離噴射滅火，無法對火災根源處進行有效滅火。

基于上述問題，各換流站針對特高壓換流變壓器設備滅火消防系統陸續開展了一系列整改措施，包括消防水池擴容、泡沫容量提升、拆除換流變壓器BOX-IN頂部蓋板以及自備消防隊、配備消防車等舉措提升特高壓換流站的消防滅火能力，但是滅火方式僅限于外界干涉式滅火，并非從源頭進行治理，一旦變壓器內部絕緣油溢出，即刻成為火勢蔓延的燃料。若要有效解決此問題，可采用本體設備加裝排油閥門的方法進行滅火，即排空變壓器設備內部存油。變壓器絕緣油流動方向為變壓器設備內部→變壓器下方的事故油池→集油坑內，起到將可燃物、助燃劑和火源隔離的效果，以阻止變壓器油作為火災燃料導致火災蔓延的風險。

2 變壓器排油速率實驗

為研究變壓器發生火災后采用排油方式進行滅火，開展了變壓器靜態冷油排油實驗及動態熱油排油實驗，實驗采用一臺報廢的110 kV變壓器。通過實驗可知DN150口徑排油管的平均排油速度為1.65 t/min，放100 t油所需時間約為60 min，DN80管的平均排油速度為0.66 t/min，放100 t油所需時間約為150 min[3]。熱油狀態下的排油速度較冷油狀態下的排油速度快36%。熱油狀態下(油溫為70 ℃左右)DN80管的平均排油速度為0.900 t/min，放100 t油所需時間約為110 min[4]。

根據試驗結果可知，換流變壓器應采用大于等于DN100口徑的排油閥門，在含有120 t變壓器油的換流變壓器發生火災時，可確保2 h以內完成變壓器排油工作。

3 換流變壓器排油滅火技術要點

3.1 換流變壓器本體排油閥門的選擇

換流變壓器本體均配置注放油閥門，口徑從DN50到DN150不等，可選擇變壓器本體底部靠近冷卻器側的注放油閥門，無需在變壓器箱體上重新開口設計新閥門(見圖1)。根據各型號變壓器出廠情況的不同，可選用一個DN150的閥門或者兩個DN50的閥門并聯的方式進行改造。換流變壓器火災爆發區域一般位于套管升高座部位或者有載分接開關部位，故本體排油閥門需選擇換流變壓器BOX-IN降噪板外側的閥門或者管路進行改造，避免火災發生時產生的爆炸或明火等極端狀況影響電氣線路和排油閥門，造成排油裝置操作失能并導致可燃物排出失敗。

圖1 換流變壓器一次安裝側視

3.2 換流變壓器冷卻器系統排油

換流變壓器在出現故障跳閘后，冷卻器停止運行，導致對應潛油泵停止運行，冷卻器內部管路有一定存油。若發生火災，除進行本體設備排油外，冷卻器裝置內部的變壓器油也需同時排空，避免冷卻器輸油管路內存油成為可燃物導致火勢向變壓器外側蔓延。

3.3 現場技術實施

以特高壓靈州換流站雙極高端換流變壓器為例，現場可采用位于換流變壓器本體冷卻器側下部靠近降噪板側的DN50排油閥門(見圖2)進行改造，用于排出冷卻器內部存油。選用1個冷卻器下方DN100彎管(見圖3)改造成三通管(見圖4)，并增加DN100閥門合并接至DN150排油管道，用于排出變壓器本體絕緣油。本體排油管路與冷卻器排油管路并聯后接至DN150管路及DN150電動球閥(見圖5)，排油出口連接到應急排油管口。在應急排油管口采用電動球閥作為最終出口，連接管路至變壓器集油坑內，電動球閥的控制線路沿電纜隧道直接通往主控室集中控制。

圖2 降噪板側1個DN50排油閥

圖3 冷卻器下方DN100彎管

圖4 管路改造后的三通管

圖5 本體及冷卻器排油管路并聯

3.4 技術實施過程要點

換流變壓器開展排油滅火改造工作，安裝閥門及管路改造相當于一次結構性改造。變壓器整體排油改造后，重新注油需嚴格控制油品質量并靜置120 h，靜置后需進行變壓器局放試驗，改造代價大，工程耗時長，因此，在新增電動閥及管路改造的位置前后均設置閥門，可在相應閥門關閉的情況下僅對局部進行改造工作，將一個“大型換血手術”縮減為“局部小型微創手術”。新增排油閥門系統部分與本體開閥連通過程中管路存在空氣，直接開閥將導致氣體進入換流變壓器本體。為不影響本體油質及空氣氣隙造成變壓器內部放電，需要在新設排油管路中設置放氣塞，改造完成后重新打開閥門，進行新增管路抽真空工作，避免變壓器本體內部油補充該管路絕緣油時，出現空氣倒灌至本體內部的情況。

3.5 檢漏裝置

新增管路及閥門的設計涉及密封和設備質量問題，如果密封性差或電動球閥質量不佳導致設備漏油，均可能成為設備運行的重大隱患。

因此，在新增的電動球閥出口處，應裝設檢漏裝置。檢漏裝置可采用物理擋板監測裝置或者紅外探頭設備。

物理擋板檢漏裝置是簡易的半弧形擋板，安裝在水平位置的排油管道內部下半部分，當主動排油閥門出現漏油的情況時，變壓器油在擋板前部累積，達到一定油量后從擋板下部流出并翻動擋板，從而觸發排油裝置漏油告警，并將信號上報至運行后臺；紅外探頭設備與換流變壓器油枕內部的漏油探頭原理相同，通過紅外信號監測漏油情況并將信號上傳后臺。檢漏裝置可方便運行人員通過后臺監視以掌控排油滅火系統的密封情況，運行人員收到告警信號后立即到達現場進行檢查處理，可及時關閉對應漏點的上級閥門以避免影響設備正常運行的情況出現。

3.6 啟動方式

主動排油滅火裝置的啟動關鍵在于電動球閥的動作，啟動方式可以采用全自動、半自動及手動開啟的方式[5]。全自動啟動功能可采用類似跳閘出口動作的方式，通過采集變壓器非電量重瓦斯保護跳閘信號、換流變壓器進線開關跳閘信號、感溫電纜故障信號和煙感或者紫外火警信號同時出現觸發系統，現場可根據實際情況設置自動啟動條件[6]。半自動可采集自動動作信號外加后臺人工確認信號的方式啟動。手動方式通過人工確認火災后直接手動啟動電動球閥進行排油，可用于排油滅火裝置自動啟動失效情況下的緊急啟動方式，如圖6所示。

圖6 排油滅火系統的啟動邏輯

排油滅火裝置的啟動方式可根據政策及安全性需求自由選擇，“安全可靠”是該裝置的首要運行原則。一旦裝置啟動，該變壓器所在換流閥組將會閉鎖停運，產生一定的經濟損失。因此，后臺操作位置應設置緊急停止或關閉功能，避免排油電動球閥出現誤啟動動作造成的損失。

4 換流變壓器排油滅火技術的特點

4.1 實用性

換流變壓器設備發生故障引起爆炸甚至火災時，變壓器絕緣油轉為可燃物。在火情當中，大量的變壓器油作為可燃物無法及時排出，火災現場的泡沫消防和水消防系統滅火效果有限，且存量有限，無法持續滅火，易造成火勢擴大。配置排油滅火閥門后，可在2 h內將變壓器絕緣油排空，即可在2 h的黃金滅火時間內隔離可燃物。同時，配合泡沫消防和水消防系統壓制明火達到及時、高效的滅火效果。

4.2 經濟性

在應用換流變壓器排油滅火技術時，費用主要用于管路改造、電動閥門設備采購和管線路敷設等。增設換流變壓器排油閥門及管路的技術路線無需對換流變壓器本體整體結構進行大改造，只需利用現有閥門進行新增外接。項目價格預計為一整臺換流變壓器生產制造費用的1.5%。特高壓換流變壓器發生火災時，該排油滅火技術可將大量可燃物及時排出，從根本上提升滅火效果，防止火災事故持續擴大蔓延，避免對相鄰換流變壓器及閥廳設備造成影響，具有較高的性價比。

5 結 論

特高壓換流變壓器排油滅火技術通過對換流變壓器進行排油閥門的增設及管路改造，能夠緊急排出變壓器油，從而具備隔離火源和可燃物的功能。在火情發生時，該功能配合特高壓換流站內配置的水消防及泡沫消防系統等措施可安全、及時、高效、可靠地控制并消除火情，降低直接經濟損失，兼具實用性和經濟性。綜合考慮，特高壓換流變壓器排油滅火技術是一種確保特高壓換流站核心資產在突發火災時減小損失的消防應急技術。