一種大型電力充油設備高壓套管沉浸式滅火系統的研制與應用

國網新疆超高壓分公司 閔凱龍 何文武 李 鑫 周 清 劉俊秀 姚高峰

超高壓變電站主變壓器屬于特別大型的充油設備，單相設備絕緣油重量可達上百噸。變壓器本體高度一般為5m，而高壓套管最高點能夠達到15m左右，高壓套管充油量在幾噸左右。目前，超高壓變電站主變壓器大型充油設備，一般采用泡沫噴淋系統或水噴霧滅火系統進行消防滅火[1]，但是存在以下幾點問題：一是高壓套管高度遠遠超過設備本體高度，處于滅火系統保護范圍之外，高壓套管是消防滅火的盲區。二是高壓套管發生火災后如果沒有被及時撲滅，其火勢會波及變壓器本體引起本體絕緣油燃燒或爆炸。三是超高壓變電站一般修建在無人區，距離消防救援力量較遠，大型充油設備火災后不能及時到場進行救援。四是超高壓輸變電設備作為超高壓電網中及其重要的設備，其火災對于電網的安全穩定運行和可靠供電有重大影響[2-3]。

1 滅火系統組成

本系統主要由氣體滅火裝置、冷卻水循環裝置、液壓缸動力裝置、事故排油裝置和控制裝置等部分組成。

氣體滅火裝置部件主要包括滅火介質進氣管、滅火套筒、滅火介質噴頭以及套筒連接體等。滅火介質進氣管一端安裝在液壓缸動力裝置上，另一端安裝在滅火套筒上；滅火套筒連接體固定安裝在高壓套管底部，其底部設計有可以自動或者手動調節開口大小的油氣排泄口；滅火套筒可以像波紋管一樣折疊或者拉伸；在滅火套筒頂端安裝有多個滅火氣體噴頭，噴頭固定安裝在滅火套筒內側。

冷卻水循環裝置主要包括冷卻水的進水管、水管、取水管等。冷卻水的進水管一端安裝在液壓缸動力裝置底部，其另一端安裝在滅火套筒上；取水管一端與消防水池連接，另一端與水泵房連接；水泵房通過水泵和制冷壓縮裝置使水循環和降溫；水管呈螺旋狀從上至下安裝在滅火套筒內壁夾層，水流從滅火套筒頂部進入最后從底部出口流出。

液壓缸動力裝置主要包括液壓缸缸筒、活塞桿、拉筋和底座等。缸筒采用液壓式的缸筒，其活塞桿由第一活塞桿、第二活塞桿、第三活塞桿和第四活塞桿組成。

事故排油裝置主要包括排油層、排油口、排油管、排氣閥、油氣儲存倉、儲油倉、內排油口和外排油口等。排油層位于排氣層的下方，排油層上部開口，下部封閉，底部設計為高壓套管的排油口；排油管上端和排油口相連接，下端安裝在油氣儲存倉內；油氣儲存倉上半部分是儲氣倉，用于容納滅火介質；排氣閥安裝在儲氣倉頂端出氣口，可通過自動打開以便控制滅火介質在預定的壓力范圍內；油氣儲存倉下半部分是儲油倉，其左側設計有儲油倉進油口，進油口的高度在油氣儲存倉中部水平線以下；進氣管從儲油倉下部進入；進氣口位于儲油倉下部中間位置；內排油口位于儲油倉下部；外排油口的高度與內排油口高度一致，外排油口直接通過管路與事故油池相連接。

2 滅火系統工作原理

本滅火系統主要通過在滅火套筒內持續噴射滅火介質的方式，來使著火高壓套管火災熄滅。在本滅火系統未動作的情況下，動力裝置的液壓缸各級活塞桿處于壓縮狀態，收存在缸筒內。滅火套筒以折疊的狀況停留在高壓套管底部位置，滅火套筒上部有防雨、防塵部件，滅火系統未動作前，防雨防塵部件可保護滅火套筒免受雨水沙塵侵蝕，滅火系統動作后，防雨防塵部件可以瞬間打開。

當大型充油設備高壓套管因故障起火時，本滅火系統可以有效可靠動作，即本系統在設備未發生火災時能夠可靠地保持不動作，在設備發生火災時能夠可靠地立即動作，本系統啟動動作的邏輯條件需要同時滿足三條，分別是大型充油設備高壓側、中壓側、低壓側三側斷路器跳閘，同時高壓套管上兩組非同樣原理（或兩組非同源）的火災探測器動作。本系統動作條件滿足時會收到火災自動控制裝置的控制信號，在消防規范規定的時限內液壓缸各級活塞桿升起，滅火套筒隨液壓缸活塞桿同步升起。

本滅火系統主要針對大型充油設備高壓套管的滅火，假設當前高壓套管發生火災，根據現場經驗其火勢是從下往上的，在著火過程中可能伴隨套管破裂而發生大面積漏油的現象。此時滅火套筒從套管底部升起，滅火套筒上安裝的噴頭會同步開始噴射滅火介質進行滅火，直到滅火套筒在高壓套管周圍形成相對密閉的滅火空間。在滅火套筒上升到形成有效滅火空間的過程，相當于直接給發生燃燒的高壓套管從底部到頂部噴射形成一個由滅火介質包裹的、全方位無遺漏的立體沉浸式滅火空間，在此過程中發生燃燒的高壓套管周圍助燃物會被滅火介質排開，燃燒中的高壓套管表面明火會因瞬間失去助燃物而熄滅，此過程可以撲滅95%以上的火焰。

進一步的滅火套筒向上伸展到位后，氣體噴頭將持續不間斷噴射滅火介質，在較短時間內即會使事故高壓套管內部殘存暗火、火星等完全熄滅。滅火介質的溫度可以調節到一個較低的溫度，在某種程度上起到降低火災范圍內可燃物溫度，輔助促進燃燒物火焰熄滅的作用。

本滅火系統滅火套筒底部設計有可自動控制或手動控制調節大小的開口，開口的作用是為高壓套管火災撲滅過程中沿燃燒高壓套管從上而下噴射的滅火介質預留的泄壓出口，一方面可以使滅火空間內從上至下源源不斷補充的新的滅火介質有泄壓口；高壓套管周圍包裹的滅火介質具有較好的防止火災復燃的效果，通過此特殊設計的泄壓口可以使其效果更好；另一方面，此泄壓口可以有效分流廢棄的滅火介質和事故油，事故油進一步流入油氣儲存倉進行滅火和排放。

進入泄壓口的油氣混合物一般不會再燃燒，即使遇到最糟糕的情況即進入排氣層的事故油還在燃燒，燃燒的事故油可直接從排氣孔噴射燃燒，此時通過安裝在滅火套筒底部外側的火災探頭啟動相應的滅火系統進行滅火。若高壓套管因著火產生絕緣油泄漏問題，絕緣油可以依次通過排泄口和排氣層，氣體混合物再次通過泄壓口直接排放到環境中，事故油則通過排油層的匯集由排油口流進排油管，然后再流進油氣儲存倉進入中間處理環節。油氣儲存倉內滅火介質會對其進行第二次滅火，直至火焰熄滅；絕緣油經過兩次滅火后，再由儲油倉內排油口和外排油口組成的連通結構排放到事故油池。

本滅火系統可以協同使用現有變電站大型充油設備水噴霧滅火系統的水資源，其利用方式是在滅火套筒內部設計內置于滅火套筒夾層的水管，冷卻水在此過程中可帶走高壓套管火災產生的熱量，間接參與滅火，既延長了滅火套筒的使用壽命，又有效促進了火災的撲救。冷卻水循環系統可選擇性安裝壓縮機幫助冷卻水降溫，以便擁有更好的滅火效果，如圖1、圖2所示。

圖1 滅火套筒滅火效果圖

圖2 滅火系統各裝置效果圖

3 滅火系統的功能和價值

本系統最主要的成果和價值就是能夠在最短時間內撲滅當前大型充油設備滅火盲區內的初期火災，能夠有效阻止火災的進一步發展和范圍的擴大，直接從根源上解決偏遠地區高壓套管火災不易及時撲救的問題。

3.1 創新性

一是獨創性的滅火隔離措施。本系統創造性地設計出特殊材質可折疊的滅火套筒，使在高壓套管外形成相對密閉的空間進行滅火，且密閉空間內滅火介質從上至下持續貫穿補充，巧妙地利用火災發展特點和滅火介質滅火效果來設計滅火裝備，在消除高壓套管滅火盲區的同時也達到了事半功倍的效果。

二是快速可靠的執行機構。本系統在主變壓器相關部件滅火中創造性地使用液壓缸作為滅火系統執行機構，其結構牢固可靠，響應速度快，減少了滅火設備組裝、搬運的過程，精準有效地將套管火災消滅在其發展壯大之前，且日常維保簡單方便，安裝后也不影響設備的安全正常運行，在同領域未見相同技術。

三是安全的防火災蔓延裝置。本成果創造性地設計了套管破裂后事故油收集、滅火及排放的裝置，最大可能性地減小了燃燒事故油四處流淌引起的火災事故蔓延擴大。

四是有效的滅火補充措施。本成果創造性地利用循環水從上至下給滅火套筒進行降溫，帶走部分火災熱量的同時更有效地延長了裝置的使用壽命。

3.2 安全性

本成果源于現場運行人員實際工作經驗，以及對系統內歷次充油設備火災事故進行的學習和思考，結合電力工作現場實際進行的實踐，充分考慮主變壓器安全運行及套管滅火盲區、滅火及時性等問題，其安全性滿足現場安全運行要求。其次本系統可以縮短變電設備火災處理時間，一定程度提高了火災事故處理效率，直接或間接促進了電網運行的穩定性，積極促進了超高壓骨干電網安全運行。

3.3 實用性

一是本系統是現階段消除高壓套管滅火盲區比較切實可行的方法；二是其能夠在最短時間內撲滅高壓套管的初期火災，防止火災引起更嚴重的后果；三是能夠有效解決消防救援力量距離遠的問題，是現場一種實用的火災自救方法；四是本系統能夠共用一些現有消防設施，例如消防控制系統、消防水池等，其自身成本造價低，生產安裝、使用維護簡單，方便現場使用。

3.4 可推廣性

本系統可推廣應用于全國超、特高壓變電站、換流站以及部分供電公司、發電企業的大型充油套管，制造成本低廉，備品備件有較大通用性，方便現場調試、應用和后期維護，可減少人身傷亡事件和設備火災影響程度，推廣應用后有利于行業內充油套管火災救援能力的提升，有良好的社會效益和發展前景。

4 結語

本系統利用簡單可靠的結構和裝置，能夠在高壓套管起火的初期階段將火撲滅，火災過后只須對高壓套管進行拆除和更換，最大限度減少了對設備本體的影響，有效降低了因為連鎖反應而燒毀整臺變壓器或相鄰電氣設備的風險隱患，直接從源頭上減少了意外火災帶來的經濟損失。另外，盡早、及時撲滅火災，能夠防止大型充油設備著火后爆炸帶來的危害，保障了國家一線生產人員、國家財產安全。