500 kV地下变电站主设备火灾场景模拟

李帆，张雪梅，钱艳园，吴玲华

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海　200080；2.国网上海电力设计有限公司，上海　200080）



500 kV地下变电站主设备火灾场景模拟

李帆1，张雪梅2，钱艳园2，吴玲华2

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海200080；2.国网上海电力设计有限公司，上海200080）

摘要：地下变电站的消防安全是全站安全工作的重要组成部分。如何针对我国大型电站设备设计管理的实际需求，制定消防安全应对策略，切实保障地下变电站的防火安全，是实现变电站与其他建筑结合建造的关键问题。以上海某500 kV地下变电站设计为例，对主变压器室、电抗器室采用火灾动力学模拟模型（FDS）软件模拟典型火灾场景，得到火场发展的主要参数，为合理的消防设计提供依据。

关键词：地下变电站；火灾；FDS模拟

Project Supported by National High-tech Research and Development Progran（863 Program）（2015AA50203）.

近年来，城市建设飞速发展，城市用电负荷持续迅猛增长。城市用电负荷中心往往与城市建设的核心相重合，但对于上海这样的国际化大都市，核心区域的商业规划十分紧凑，建设地下变电站是大势所趋，对变电站消防设计提出了前所未有的高要求[1-3]。但在技术层面上，国内没有关于地下变电站消防系统方面的规范。针对上海某在建500 kV地下变电站中重要危险源，即设备中大量含油的主变压器室和电抗室，利用火灾模拟软件对各种不利场景进行模拟，得出模拟结果和建议。

1　地下变电站火灾情况

地下变电站火灾属于受限空间类型火灾，室内燃烧存在通风控制和燃料控制2个阶段。在起火初期，火场大小与受限空间的大小相比很小，有足够的O2供应，室内燃烧状况由可燃物数量和分布情况决定，即燃料控制阶段；火灾继续发展，火区面积增大，热解出的可燃气体越来越多，受限空间内的O2不足以维持燃料完全燃烧，燃烧速率转由流进室内的空气速率控制，即通风控制阶段。通风控制燃烧是受限空间的开口大小处在一定范围、火灾发展到一定规模时出现的现象。通常认为，室内火灾热释放速率（HRR）达到最大值的时刻，为燃料控制燃烧与通风控制燃烧的分界点[4-5]。

对于地下变电站，主要火灾危险区域为主变压器室和电抗器室。当火灾发生时，在消防控制系统作用下，关闭进风百叶和排风风阀，房门均处于常闭状态，整个火灾发生过程将迅速从燃料控制阶段转化到通风控制阶段，最终因O2缺乏而快速熄灭[6-9]。本文针对上海某500 kV地下变电站中重要危险源，即设备中大量含油的主变压器室和电抗室，运用火灾动力学模拟模型（fire dynamics simulator，FDS）模拟软件进行火灾的计算机模拟[1-3]。依据“可信最不利原则”，选取6种火灾场景，即小油池火、大油池火、油枕火、散热管火、小油池火+油枕火、大油池火+散热管火，比较得出最不利场景并加以分析。

2　火灾模拟软件FDS

FDS是由美国NIST（national institute of standards and technology，NIST）开发的一种场模拟程序，它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序的开放性，其准确性得到了大量实验的验证，因此在火灾科学领域得到了广泛应用[4-5]。

该软件根据建筑和火灾的特性，以简单直观的形式，动态显示出火灾发展全过程，并通过计算获得较为准确的火灾信息的相关参数，可以模拟三维空间内空气的温度、速度和烟气的流动情况等。

3　模型试验方案设置

3.1开门时间及设定

为预防500 kV地下变电站的回燃，根据对各场景火灾的预模拟，设定的开门时间分别为：

1）对变压器室，小油池火的开门时间为500 s；大油池火的开门时间为500 s；油枕火的开门时间为500 s；散热管火的开门时间为400 s；小油池火+油枕火的开门时间为500 s；大油池火+散热管火的开门时间为400 s。

2）对电抗器室，6种火灾场景的开门时间都为400 s。

3.2热电偶设定

为及时获取房间温度分布情况，在房间高度方向每隔0.5 m设置热电偶。在进风百叶和排风防火阀处，各设置一个热电偶，以检测阀门处温度情况。

3.3各场景模拟时间设定

根据多次试模拟结果分析，各场景模拟时间设定为：

1）对变压器室，小油池火的模拟时间为800 s；大油池火的模拟时间为600 s；油枕火的模拟时间为700 s；散热管火的模拟时间为600 s；小油池火+油枕火的模拟时间为700 s；大油池火+散热管火的模拟时间为600 s。

2）对电抗器室，6种火灾场景的模拟时间都为600 s。

4　模拟结果分析

利用火灾模拟软件FDS，分别对主变压器及电抗器火灾进行模拟，模拟结果分析如下。

4.1着火与灭火

模拟中构筑物及设备大小采用设计尺寸，设备喷射火的流动速率取8 L/min，油滴喷射速度为10 m/s，喷射角取60°。模拟得到各场景下的热释放速率HRR （heat release rate，HRR）曲线（以大油池火、大油池+散热管火HRR曲线为例，见图1、图2），变压器与电抗器火灾最大HRR时间及熄火时间见表1和表2。

图1　大油池火HRR曲线Fig. 1 HRR curve of the fire beneath the large pool

图2　大油池+散热管火HRR曲线Fig. 2 HRR curve of the large pool+radiator pipe fire

根据表1、表2所列的HRR最大值发生时间和火灾熄灭时间，对于主变压器和电抗器来说，最大HRR值发生的时间和最短的火灾熄灭时间，均发生在“大油池火+散热管火”场景下。故应针对该场景发生的可能因素，从着火源上降低其发生的概率，主要措施包括：

表1　变压器火灾最大HRR时间及熄火时间汇总Tab. 1 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the transformer fire

表2　电抗器火灾最大HRR时间及熄火时间汇总Tab. 2 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the reactor fire

1）加强主要设备（变压器、电抗器等）的质量，不但要符合制造厂及国家相关规范的技术要求，而且安装前要进行绝缘测试，并仔细检查设备的各个部件是否满足要求，确认后方可安装。

2）变压器、电抗器在外电路系统设计上，应考虑各种安全防火措施（诸如：设有熔断器或继电保护装置），用以保护变压器或电抗器在短路和过负荷时不致造成线路着火；设备外壳与接地网连接，可靠接地；引入线应装设避雷器，且注意日常检查，防止雷击起火等。

3）在变电站建筑及其他辅助专业设计上，应充分考虑地下变电站的特点，采取相应的有助于防止火灾发生的措施（诸如：设备房间通风良好，以保证环境温度低于允许温度）；主要含油设备（变压器、电抗器等）下设有泄油收集池，在火灾时，迅速将燃油排至安全区域；设置水喷雾灭火系统。

4）设备正常运行后还要按照规程的规定，定时进行检修；若设备严重超负荷，应予以更换或启用备用设备，得到缓和。

4.2阀门安全性

4.2.1主变压器室通风阀门安全性

根据该变电站施工图设计，通风阀门、防火百叶位置如图3、图4所示。

图3　通风阀门平面位置图（单位：mm）Fig. 3 Plane location map of the ventilation valve

依据通风主阀BF1-5-15、BF1-5-16在火灾场景中的温度-时间曲线（以大油池火场景阀门为例，见图5、图6），将最高可能温度汇总，见表3。

图5　大油池火场景阀门BF1-5-15处温度Fig. 5 Temperature at valve BF1-5-15 scenario in the pool fire scenario

由表3可知，最不利情况出现在“小油池＋油枕火”场景。在该场景下，通风主阀BF1-5-15、BF1-5-16温度均超过原设计70℃熔断的条件，故选择该阀门时，除满足70℃熔断条件外，同时材质厚度等应均能耐受180℃（取最高可能温度+20℃）以上高温，以防止防火阀失效[6-7]。

图6　大油池火场景阀门BF1-5-16处温度Fig. 6 Temperature at valve BF1-5-16 scenario in the pool fire scenario

表3　通风主阀最高可能温度汇总表Tab. 3 Summary table of the highest possible temperatures at the main ventilation valve　　℃

防火百叶在火灾场景中的最高可能温度汇总见表4。

表4　防火百叶最高可能温度汇总表Tab. 4 Summary table of the highest possible temperature at the anti-fire shutter　　℃

由表4可知，防火百叶1最不利情况出现在“大油池＋散热管火”场景。在该场景下，防火百叶1温度超过225℃。防火百叶2最不利情况出现在“大油池火”场景。在该场景下，防火百叶2温度超过155℃。故2处防火百叶材质及厚度等应均能耐受245℃（取最高可能温度+20℃）以上高温，以防防火百叶失效。

4.2.2电抗室通风阀门安全性

依据通风主阀BF2-2-22在火灾场景中的温度-时间曲线（以大油池火场景阀门为例，见图7），将最高可能温度汇总，见表5。

图7　大油池火场景阀门BF2-2-22处温度Fig. 7 Temperature at Valve BF2-2-22 in the pool fire scenario

表5　通风主阀最高可能温度汇总表Tab. 5 Summary table of the highest possible temperature at the main ventilation valve　　℃

由表5可知，最不利情况出现在“油枕火”场景。在该场景下，通风主阀BF2-2-22温度超过原设计70℃熔断的条件，故选择该阀门时除满足70℃熔断条件外，同时材质厚度等应均能耐受160℃（取最高可能温度+20℃）以上高温，以防止防火阀失效。

依据防火百叶F2-2-5在火灾场景中的温度-时间曲线（以大油池+散热管火场景为例，见图8），将最高可能温度汇总，见表6。

图8　大油池+散热管火场景防火百叶F2-2-5处温度Fig. 8 Temperature at the anti-fire shutter F2-2-5 in the large pool+radiator pipe fire scenario

表6　防火百叶最高可能温度汇总表Tab. 6 Summary table of the highest possible temperature of the anti-fire shutter　　℃

由表6可知，防火百叶F2-2-5最不利情况出现在“大油池＋散热管火”场景。在该场景下，防火百叶F2-2-5温度超过95℃，故该处防火百叶材质及厚度等应均能耐受115℃（取最高可能温度+20℃）以上高温，以防止防火百叶失效[8-9]。

4.3壁面安全性分析

4.3.1主变压器壁面安全性分析

在火灾场景下，主变压器壁面最高温度汇总见表7。

表7　主变压器室壁面最高温度汇总表Tab. 7 Summary table of the highest temperature of the main transformer chamber wall

由表7可知，在“小油池＋油枕火”的工况下，主变压器室壁面的温度较高，但最高温度仍低于120℃，远远低于混凝土安全温度250℃[4]。其他场景下温度均比较低。分析原因如下：当火灾发生时，墙壁周围的空气温度比较低，热传导对壁面温度影响较小；又因为火灾后期空间流场比较稳定，热对流对温度增长没有什么作用；而热辐射更弱一些，所以基本不考虑。因此，墙壁处于安全状态。

4.3.2电抗器室壁面安全性分析

在火灾场景下，电抗器室壁面最高温度汇总见表8。

根据表8可知，“大油池＋散热管火”的工况下，壁面的温度较高，但最高温度仍低于75℃，远远低于混凝土安全温度250℃，其他场景下温度均比较低。原因与主变压器室情况同理。因此，墙壁也处于安全状态。

表8　电抗器壁面最高温度汇总表Tab. 8 Summary table of the highest temperature of the reactor wall

5结论

1）对于500 kV地下变电站中火灾危险性比较大的房间，诸如主变压器间、电抗器间，应加强采购设备的质量控制；在电气系统与电气设备设计方面，应设置各种电气保护装置，从源头控制火灾发生。

2）建筑、结构、消防、暖通、弱电等专业设计，应着眼于消防技术原则和策略，从设计开始，全局统筹地下变电站消防安全设计。从FDS数值模拟结果分析可知，房间围护结构，包括建筑隔墙，风管、百叶穿墙等材料选择及节点设计，应满足耐火、防火要求。

3）在建筑施工中，应注意各房间孔洞的封堵处理，使房间尽量处于密闭状态，以便使火灾处于窒息环境，快速窒息熄灭，避免大范围蔓延。

4）通过FDS数值模拟可见，突然开门等动作会致使房间内剩余燃料热释放速率（HRR）出现峰值突变的剧烈回燃，产生高温、高压，具有很大的破坏力，并对灭火人员构成严重威胁，应通过延长水喷雾时间等降温措施尽力避免。

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李帆（1979—），女，本科，工程师，从事电力设计工作。

（编辑董小兵）

Simulation & Analysis of Main Equipment Fire Scenario for 500 kV Underground Substation

LI Fan1，ZHANG Xuemei2，QIAN Yanyuan2，WU Linghua2
（1. State Grid Shanghai Economic Research Institute，Shanghai 200080，China；2. State Grid Shanghai Electric Power Design Co.，Ltd.，Shanghai 200080，China）

ABSTRACT：The fire safety is of great importance in the entire underground substation. How to formulate the fire control safety strategies according to the actual requirement for the design management of China’s large power station equipment and effectively protect the fire safety of the underground substation is crucial in realizing the combination of the substation and other buildings. Taking a 500 kV underground substation in Shanghai as an example，this paper simulates the typical fire scene of the main transformer chamber and reactor chamber by FDS software to find the main parameter of the fire development and provides basic data for the rational design of the fire protection.

KEY WORDS：underground substation；fire；FDS simulation

作者简介：

收稿日期：2015-12-21。

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助（2015AA 50203）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0034- 06

中图分类号：TM63；TU892

文献标志码：A