抗爆型變壓器泡沫噴霧滅火系統設計與試驗

陳寶輝，劉毓，周天念，李波

(1.國網湖南省電力有限公司防災減災中心電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室，湖南 長沙 410129；2.湖南防災科技有限公司，湖南 長沙 410129)

0 引言

油浸式變壓器內部含有大量可燃烴類變壓器油，發生內外部故障后極易起火甚至爆炸，燒毀變壓器及相鄰建筑物，引起大面積停電，造成人員傷亡，產生惡劣的社會影響[1-9]。近年來，隨著電網建設的高速發展，我國變壓器火災頻發，已成為嚴重威脅電網安全運行的重大災害。

泡沫噴霧系統是一種應用廣泛的固定式變壓器滅火裝置[10-12]。傳統的泡沫噴霧滅火系統采用預混式設計，利用氮氣鋼瓶為動力源，驅動預混的泡沫滅火水劑滅火，依據的設計規范為GB 50151—2021《泡沫滅火系統設計規范》，針對變壓器的保護強度為8 L/(min·m2)[13]。

該系統在長期的工程應用中暴露了若干問題，給電網等用戶單位帶來了較大的困擾[14]:1)該系統噴頭圍繞在變壓器四周，離變壓器本體近，如圖1所示，起火時部分管道和噴頭易因局部爆炸或高溫損壞，降低了泡沫噴霧滅火系統的滅火性能，抗爆能力較差；2)預混式泡沫噴霧滅火系統采用氣體驅動，如圖2所示，動力氣瓶開啟后難以停止，日常調試不易，而變電站要求設備按周或按月定期調試，難以滿足運維要求；3)預混式泡沫噴霧滅火裝置將泡沫滅火劑與水預混，放置在儲存罐中，但低濃度滅火劑易變質，使用壽命僅4年；4)由于泡沫噴霧系統滅火流量較小，采用傳統的安裝方式噴頭數量較多，單個滅火噴頭的孔徑較小，在西北等風沙地區易堵塞噴頭，影響滅火性能。

圖1 傳統泡沫噴霧滅火系統管網

圖2 預混式泡沫噴霧滅火系統

針對傳統預混式泡沫噴霧滅火裝置存在的問題，本文設計一套抗爆型變壓器泡沫噴霧滅火系統，并搭建試驗平臺，評價其滅火性能，為變壓器火災的安全可靠防治提供指導和建議。

1 抗爆型變壓器泡沫噴霧滅火系統設計

抗爆型變壓器泡沫噴霧滅火系統主要包括水箱、泵組、控制柜、滅火劑混合裝置、分區控制閥、抗爆噴頭等。該系統在接到火災信號后，自動現混泡沫滅火劑，滅火劑混合比為3%或6%；系統供液時間不低于30 min；變壓器保護強度依照GB 50151—2021《泡沫滅火系統設計規范》，滅火系統如圖3所示。

圖3 現混泡沫噴霧滅火系統

典型設計中，該系統采用8個抗爆噴頭，布置在變壓器四周，其中噴頭設計安裝在防火墻上。噴頭離帶電部位的最小安全凈距同時滿足行業標準DL/T 5352《高壓配電裝置設計技術規程》的規定[15]。這些噴頭由于緊貼防火墻，不易因變壓器起火時局部爆炸損壞，因此抗爆能力強。布置方式有兩種，分別如圖4和圖5所示。圖4是在變電站建設時就將滅火管道布置在防火墻的背面，再將噴頭穿過防火墻安裝。該方案只有滅火噴頭在防火墻內，變壓器發生局部爆炸時很難損壞管網，抗爆能力強。圖5為變電站建設完成后，滅火管道布置在防火墻的背面，再將一小段消防管和噴頭掛在防火墻上并固定安裝。該方案暴露在變壓器爆炸區域的管道少，因此抗爆性能好。

圖4 嵌入墻體的抗爆型泡沫噴霧滅火系統管網

圖5 掛在墻體上的抗爆型泡沫噴霧滅火系統管網

2 滅火試驗

2.1 試驗平臺

以110 kV真型變壓器為模型，搭建模擬滅火試驗平臺。變壓器器身長5.2 m、寬2.5 m、高2 m，油枕面積為4.3 m2。采用圖3設計的現混式泡沫噴霧滅火系統進行滅火，系統最不利點壓力為0.35 MPa。根據GB 50151—2021《泡沫滅火系統設計規范》，當保護變壓器時，保護面積按變壓器油箱本體水平投影且四周外延1 m計算確定，泡沫混合液供給強度大于8 L/(min·m2)。依據該標準，試驗模型滅火流量需大于259 L/min。

2.2 兩種試驗方法的對比滅火試驗

2.2.1傳統噴頭布置方法

傳統方法布置的泡沫噴霧滅火管網共采用14個噴頭保護，噴頭的布置方式如下:變壓器前后各采用4個噴頭，兩側各采用2個噴頭，變壓器油枕采用2個噴頭。噴頭型號為ZSTWB 23/90，系統在滅火工況下的總流量為602 L/min。噴頭布置后開展噴霧包絡試驗，保證變壓器器身、油枕及集油坑全部被泡沫噴霧覆蓋。

2.2.2抗爆型管網布置方法

抗爆型泡沫噴霧滅火管網總計采用8個噴頭，噴頭采用圖5的布置方法:防火墻的每個角落均布置兩個噴頭。噴頭型號為ZSTWB 45/90，系統在滅火工況下的總流量為598 L/min，和以上采用傳統方法布置的試驗系統流量(602 L/min)基本相同，可保證試驗結果的可比性。通過調節噴頭的角度，保證變壓器器身、油枕及集油坑全部被泡沫噴霧覆蓋。

試驗共采用9個油盤火模型，其中變壓器頂部兩個，尺寸分別為4.2 m×2.5 m×4 cm和0.9 m×2.5 m×4 cm，模擬高壓套管等破裂后流淌到變壓器頂部的油火；變壓器前方設置4個油盤，尺寸分別為φ1 000×2 000 mm、φ700×200 mm、0.5 m×1.8 m×20 cm、1 m×1 m×20 cm，模擬變壓器油流淌到不同部位的油火；變壓器后方設置2個長方形油盤，尺寸均為2 500 mm×600 mm×200 mm，模擬集油坑的油火；變壓器側面設置1個圓形油盤，尺寸為φ1 700×200 mm，模擬變壓器器身側面破壞后流淌的油火。油盤的俯視圖如圖6所示。

圖6 變壓器油盤布置俯視圖

2.3 試驗步驟

首先在各油盤中加入變壓器油，其中頂部2個油池的加油量為260 L，變壓器前方4個油池的加油量為100 L，變壓器后方兩個油池的加油量為120 L，變壓器側面油池的加油量為60 L，以上共計540 L。然后在各油盤中澆入少量的汽油，手動引燃汽油，等所有油盤中油火都蔓延開后開始計時，燃燒180 s后，開啟系統滅火，記錄試驗結果。

試驗所用的泡沫滅火劑是電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室開發的絕緣型3%AAAF水成膜泡沫滅火劑，該滅火劑具有滅變壓器油火效率高、絕緣性能好的優點。對比滅火試驗在同一天開展，環境條件基本相同，試驗時環境溫度為15～20℃，環境濕度為50%～60%。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

采用傳統噴頭布置方法布置的泡沫噴霧滅火時，在15 s內泡沫噴霧撲滅了變壓器上部、后方、側面范圍內的油火，但前方的余火直至38 s時才完全撲滅。

采用抗爆型管網布置方法布置的泡沫噴霧滅火時，僅用11 s泡沫噴霧就完全撲滅了變壓器所有位置的油火。

3.2 結果分析

從滅火試驗可以看出，采用傳統設計的泡沫噴霧滅火管網和抗爆設計的泡沫噴霧滅火管網都能有效滅火，但采用抗爆型泡沫噴霧滅火管網的滅火系統完全滅火時間更短，原因在于:1)采用抗爆設計的滅火噴頭布置位置高，且都是斜向下噴射，噴霧霧滴的動量大，更容易剝離變壓器油火滅火，且較大的霧滴動量可對燃油起到更好的攪動作用，有利于滅火；2)變壓器極不規則，采用傳統布置方式，噴頭橫向噴射，雖然也能覆蓋變壓器，但是由于變壓器自身不規則部位的阻擋，局部保護強度較小，降低了整體滅火能力。

4 結語

針對傳統變壓器預混式泡沫噴霧滅火系統存在的管網抗爆能力較差、不易調試、滅火劑使用壽命短、孔小易堵塞噴頭的四大問題，改進設計了一套采用大孔徑遠距離噴射噴頭的抗爆型變壓器泡沫噴霧滅火系統，該系統滅火高效、經濟實用、運維簡單，為變壓器火災的可靠防治提供指導，為變壓器消防改造與建設提供參考。

該系統具體優勢如下:

1)將管網嵌入墻體或搭建在防火墻上，并采用長射程噴頭，通過遠距離滅火將暴露在變壓器爆炸區域的管網降到最少，極大提升了泡沫噴霧滅火系統的抗爆能力；對于暴露在變壓器周圍的少量管網，還可以通過擋板等抗爆增強手段進一步提升抗爆性能；有效解決了傳統泡沫噴霧滅火系統抗爆能力差的問題。

2)該系統采用現混方式混合泡沫滅火劑，火災發生后自動混合滅火劑，應用簡單，系統可隨時開啟和關閉，可隨時添加和更換滅火劑，因此可方便地開展變電站日常運維和調試，避免了傳統預混式泡沫噴霧滅火系統不易調試和日常維護的問題。

3)由于系統現混滅火劑，平時滅火劑以原液而非預混液的方式保存，滅火劑的使用壽命更長，有利于降低變電站的綜合運維成本。

4)系統采用長射程大流量噴頭，噴頭孔徑更大，不容易堵塞，更適合在北方風沙較大的地區應用，解決了傳統預混式泡沫噴霧滅火系統噴頭易堵塞的問題。

同時，建議抗爆型泡沫噴霧滅火系統采用絕緣型滅火劑，可以避免系統滅火或誤噴時，滅火劑噴射到變電器帶電部位，導致變壓器高壓套管絕緣破壞或閃絡；對于設有降噪板的特高壓變壓器，通過增加噴頭，保證變壓器的全覆蓋。