高壓直流輸電工程換流閥設備現場防護滅火劑的選擇

摘要：近年來，換流站閥廳內部的固定滅火裝置內部一直采用干粉滅火劑，其滅火效率不高、對人身傷害大，尤其是滅火后在換流閥閥塔上遺留大量的滅火劑殘留物，清潔工作量極大，甚至需要拆除閥塔予以清除。因此，亟需針對換流閥的運行特性和結構特點，開展新型滅火劑的專項研究，確保采用的滅火方法高效、環保，對換流閥設備不造成二次損壞。

關鍵詞：換流站閥廳；滅火劑；全氟己酮

中圖分類號：TU892" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）12-0016-03

目前，高壓直流輸電工程是國家電網公司重點建設的項目。隨著工程的建設，運行的換流站也越來越多，高壓直流換流站由于運行電壓高、電流大，最高運行額定電壓可達1100kV、額定電流已達6250A，換流站的防火問題越來越突出，特別是換流閥設備，由于換流閥結構緊湊，材料種類多，電磁場環境復雜，是換流站火災隱患之一，尤其是±1100kV高端閥廳內主設備換流閥閥塔距離地面高，一旦著火，滅火工作較為困難，有必要對±1100kV高端閥廳火災防火措施開展專項研究[1]。

1 閥廳內常見的起火原因

目前，我國常規雙極運行的換流閥中普遍裝載不少于30t的專用絕緣油，且閥廳內部的工藝材料普遍具有較強的可燃性，在我國高壓直流輸電工程正常運轉過程中，各類火災事故大多與換流閥材料自燃有關。然而，針對閥廳內部的工藝材料的專項研究相對較少，換流閥發生火災事故后，短時間內即可引發立體火災事故。由于換流閥及閥廳的投資幾乎占到換流站全站投資的1/4，一旦起火，不僅會影響正常的生產工作，還會對生命財產造成威脅。閥塔火災絕大多數是由其內部元件起火導致，通過對以往工程中換流閥火情的統計分析，總結起火的主要原因有以下幾個方面：

1.1" 元器件設計缺陷

換流閥內可能會因某單一元器件缺陷導致其運行溫度偏高或存在異常放電情況，而高溫、電弧的存在容易引發火災事故。在早期的換流閥火災事故原因分析中，就有由于未充分考慮到電容防爆設計、材料阻燃等級、板卡防松動措施等導致的火災事故，均屬于元器件設計缺陷[2]。

1.2" 元器件故障過負荷

由于換流閥內部存在復雜的電氣設計和數量龐大的元器件，任一元器件的故障都可能會引起與其相關聯的電路或元器件過負荷，尤其是板卡類元件。當出現過負荷時，電路中的電流短時間內超過電路荷載，同時瞬間產生高溫并向周邊空間釋放大量熱量，隨著裝置內部絕緣層在高溫作用下發生燃燒熔融，裝置內部的金屬元件也會同步短路放熱，進而引發裝置周邊各類易燃、可燃物的燃燒，最終導致火災事故的發生[3]。

1.3" 放電閃絡導致產生火花

在高壓設備中，放電是一種常見的缺陷或隱患，而換流閥設備的電氣原理和結構設計復雜，與其他設備相比，更易發生放電現象。換流閥設備放電現象主要包括光纖之間或光纖與光纖槽之間因電壓差導致的放電、內冷水滲漏降低絕緣距離導致的閃絡等。

閥塔光纖槽長期在高壓直流場強下，性能逐漸劣化，在場強集中處會產生樹枝狀爬電，爬電產生的小電弧會引燃光纖及扎帶，繼而引發火災。閥塔內冷系統如果出現滲漏水情況，去離子水在流經閥組件時，由于水中混入了少量原本附著在閥組件表面的污穢和灰塵，會導致其電導率增加。電導率的增加會增加內冷水的導電性能，相當于降低了閥內不同電位間的絕緣距離，繼而產生閃絡現象，當閃絡持續擊中可燃物時，就可能引發火災。

1.4" 接觸電阻過大導致發熱異常

電連接在電力系統中普遍存在，載流電阻包括兩端導體的電阻，載流接觸面之間的電阻。其中，導體本身的電阻一般很小，且在實際工程運行中很少出現導體本身發熱的情況，都是載流接觸面產生發熱現象，而載流接觸電阻過大是導致發熱的根本原因。一旦接觸電阻過大，由于熱傳遞的存在，導體表面及附近可燃物的溫度會逐漸升高，當可燃物的溫度上升到一定程度時，就可能會形成點火源，繼而引發火災。

2 換流站閥廳固定消防設施常用滅火劑優缺點比較

目前，換流站閥廳固定消防設施滅火系統主要為三氟甲烷滅火系統、七氟丙烷滅火系統、IG-541滅火系統、干粉滅火系統和熱氣溶膠滅火系統。

2.1" 三氟甲烷滅火系統

三氟甲烷滅火系統的滅火效果和環保性能介于七氟丙烷和IG-541系統之間，其密度相對較小，效率高于二氧化碳，其滅火劑合成比較容易。然而，該系統管道耐壓力等級高，導致管道造價高，每年需對管道、噴嘴用壓縮空氣（或氮氣）進行一次吹除，后期檢測維護成本較高。

2.2" 七氟丙烷滅火系統

近年來，七氟丙烷作為一種新型氣態滅火劑，普遍應用于高壓直流輸電工程的防護區域。七氟丙烷滅火劑普遍采取人工遠程及自動噴放兩種形式。事故發生后，滅火劑噴射后能夠在短時間內通過自然通風或排風系統及時排出，由于該滅火劑在使用過程中不含各類固體粉塵，對起火裝置的破壞相對較小。但是，作為氣體滅火裝置，七氟丙烷在工作過程中極易出現由于壓力泄漏、瓶體爆裂等危險情況，且滅火過程中會同步釋放微量的氟化氫氣體，因此，滅火實戰處置過程中該類滅火劑仍然存在一定的局限性。

2.3" IG-541 滅火系統

IG-541屬于惰性氣體滅火劑，相比于目前市售的各類氣體滅火劑，其環保性能相對最優，對較為精密的設備裝置以及貴重財物具有良好的保護性能。然而，在實戰處置過程中，IG-541滅火劑的工作壓力高達15～17.5MPa。此外，IG-541滅火系統的造價在國內常用固定消防滅火裝置中相對較高，噴射裝置最為精密，后期檢測維護成本也較為高昂。

2.4" 干粉滅火系統

干粉滅火劑的應用較為普遍，由于其價格低廉、儲存便捷，在使用過程中滅火人員經過簡單培訓即可熟練使用干粉滅火器及相關專用滅火設備，對火勢實施有效壓制。然而，在低溫條件下，干粉滅火劑無法發揮其實際滅火效能，由于干粉滅火劑主要以磷酸二氫銨為填充物，長期振動后藥劑容易板結且易受潮失效。此外，使用干粉滅火劑滅火時，大量粉塵會充斥于起火空間內部，短時間內可能導致滅火人員能見度的下降，甚至對滅火工作的順利實施造成一定的影響。

2.5" 熱氣溶膠滅火系統

熱氣溶膠滅火劑經過燃燒反應，釋放冷卻、凝聚后的細小微粒，這些微粒可以高效吸收燃燒自由基，從而實現化學抑制燃燒，達到滅火效果。熱氣溶膠滅火后會殘留大量的粉末，且由于這些粉塵具有一定的腐蝕性。因此，即使熱氣溶膠對于明火具有良好的壓制效果，但是受保護的電器元件可能會受到不同程度的損壞，使用壽命也大打折扣，此外，氣溶膠滅火裝置無機械應急啟動功能，一旦電子點火裝置失靈，系統將無法工作，其可靠性尚待檢驗。

針對高壓直流輸電工程換流閥火災的特點，實際應用的專用滅火劑普遍存在不同程度的局限性，盡管各類滅火劑對火焰普遍具有良好的滅火效果，但普遍無法有效抑制陰燃現象的發生，且對周邊設施具有不同程度的破壞性，因此，選擇一款綠色環保、滅火效率高且能夠自主噴射的高效滅火劑，對于閥廳設備的安全運轉具有十分重要的意義。

3 閥廳火災滅火機理研究

換流閥閥廳設備包括換流閥閥塔、換流變套管、換流閥與換流變之間的連接管母，換流變套管火災屬于換流變火災研究內容，管母為金屬鋁，不會著火。因此，本項目僅研究閥廳內的主體設備換流閥閥塔的火災及其滅火措施。針對±1100kV高端閥廳內換流閥本體而言，與±1100kV低端閥廳內換流閥以及常規換流閥，并沒有本質區別，主要是閥層與閥層之間、閥塔與地面之間的絕緣距離，以及每個閥塔所含閥組件層數的不同。閥塔內部構造、材質并沒有明顯變化。開展閥廳換流閥火災保護需了解閥塔中材料的特性，換流閥閥塔內無充油器件，絕大部分為鋁、不銹鋼等金屬不可燃材質，火災主要出現在閥內絕緣材料上。

3.1" 閥塔絕緣材料燃燒的基本條件

高壓直流輸電工程換流閥設備材料的燃燒，普遍是由于裝置短路所導致的高溫、高熱，此外，裝置內部的絕緣油在高溫聚熱的作用下發生熔融熱解，也是導致起火的主要原因之一。

3.2" 閥塔絕緣材料燃燒的熱理論

火災事故發生的主要原因是高壓直流輸電工程換流閥系統內高溫聚熱，導致熱量無法在短時間內快速散發，同時，裝置所配置的絕緣材料在高溫作用下，材料基體表面氧化反應速度不斷加快，同步釋放出大量的熱量。這些熱量不斷向閥塔周邊區域擴散，導致系統周邊區域溫度升高。當系統無法在短時間內實現熱量平衡，產熱速率大于散熱速率時，一旦超過材料自身的燃點，就會引發不同程度的火災事故。隨著可燃物在高溫作用下逐漸燃燒殆盡，系統內部可供燃燒的氧氣濃度不斷下降，高壓直流輸電工程換流閥系統內的整體溫度也會不斷下降，火災事故會在一定程度上得到抑制。

3.3" 閥塔絕緣材料的鏈式反應理論

閥塔絕緣材料在火災事故發生初期，往往在短時間內迅速燃燒，火勢蔓延速度受材料基體內部自由基數量的影響。隨著火勢的發展，材料基體內部的溫度逐漸升高，自由基的活性逐漸增強，由火災引發的鏈式反應逐漸增強，此時，事故區域內若存在足量氧氣，火勢極易失控。隨著燃燒的持續性，火焰需要更多的氧氣與活性較強的自由基維持燃燒。此時，應用合理的滅火藥劑稀釋事故現場的氧氣濃度，使燃燒產物的燃燒作用得到有效抑制。當事故現場的空氣濃度低于8%時，可有效抑制閥塔絕緣材料的火勢。因此，燃燒區域火災事故處置的主要方向，應在隔絕空氣的基礎上，通過降低起火區域的空氣濃度，最大限度抑制火勢蔓延。

4 適用于閥廳固定滅火裝置的新型滅火劑選型

換流閥主要是精密電子設備，價格高昂，滅火介質不能對換流閥造成二次損害，因此滅火劑需無污染、無殘留。由于滅火操作通常在巡視走道上進行，且快速響應，往往在換流閥斷電但閥廳接地未完成的情況下即對閥塔火災進行撲救，此時，閥塔內的電容可能還有殘留電荷未完全釋放，因此滅火劑需具有較高的絕緣性能。換流閥火災往往由個別元器件放電引發，導致局部溫度升高，因此滅火劑需具有高效的降溫性能。

全氟己酮滅火劑是透明、無色、無臭、絕緣的液態環保潔凈氣體滅火劑，已獲得國際消防界的廣泛認可，應用于全淹沒或局部滅火系統，以及手提式或推車式滅火器。由于全氟己酮滅火劑對環境友好、人員安全、不導電，滅火后無殘留，不會損害設備，滅火性能優良，因此，它是名副其實的綠色環保滅火劑，應用范圍很廣。全氟己酮滅火劑的滅火原理主要是通過消除火源的熱量來進行滅火。滅火劑排放時，全氟己酮氣體會與空氣形成氣態混合物。該混合物的熱容量比單獨的空氣大得多。這意味著該氣體混合物在經過每個溫度變化點時能夠吸收更多的能量（熱量）。在系統設計濃度下，滅火劑/空氣混合物能吸收足夠的熱量，從而破壞燃燒所需的條件。

5 結束語

本文通過研究不同滅火劑的組成、滅火原理和特點，結合換流閥組成、運行特點、起火形式、燃燒機理，初選全氟己酮作為換流閥新型滅火劑。通過分析該滅火劑的滅火特性和效能、對環境的影響、安全特性等方面，進一步確定了全氟己酮作為換流閥首選新型滅火劑的可行性。

參考文獻

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