应急响应：美国底特律水电站火灾灾后恢复的经验教训

美国·David M.Bardy，Thomas Voldbaek，Harley Grosvenor，David C.Shank

（美国陆军工程师兵团）

应急响应：美国底特律水电站火灾灾后恢复的经验教训

美国·David M.Bardy，Thomas Voldbaek，Harley Grosvenor，David C.Shank

（美国陆军工程师兵团）

底特律水电站火灾响应暴露了应对突发事件时可用数据和遵循程序的不足之处，灾后恢复过程中总结的经验教训可供每一个水电工程业主借鉴。

经过底特律水电站电气火灾，美国陆军工程师兵团波特兰区域工作人员在确定事故发生的根本原因、制定适当的应急响应措施等方面积累了许多宝贵经验。

火灾发生于2007年6月18日，造成厂房下廊道两个13.8 kV断路器、限流电抗器及相关总线的损坏。浓烟和烟尘颗粒充满了厂房，后续清理和现代化改造耗资2 500万美元。

底特律水电站；应急响应；火灾；经验教训

1 事件背景

美国陆军工程师兵团波特兰区运营着俄勒冈州威拉米特河流域上13座大坝，每座大坝都有助于水资源管理系统，发挥着洪水风险管理、发电、水质改善、灌溉、鱼类和野生动物栖息地和威拉米特河及其支流的休闲娱乐等效益。

底特律大悬崖工程（Detroit-Big Cliff Project）由底特律大坝及其厂房、大悬崖大坝及装机20 MW的发电厂房组成，工程位于North Santiam河上。底特律大坝位于俄勒冈州塞勒姆东南40英里处，大悬崖大坝是个远程运行的反调节工程，位于底特律大坝下游约2.8英里处，在底特律电站峰值发电期泄水时控制河流水位。这些工程于1953年开始运行。

两个电厂所发电量通过Bonneville电力局（以下简称BPA）的底特律开关站以230 kV向外送出。大悬崖电站与底特律厂房13.8 kV厂用电系统通过一个13.8 kV输电线连接。火灾发生前，开关站由电站13.8 kV的电力及两个电站连接线上13.8 kV辅助架空电源供电。底特律工程为BPA变电站提供站用电力。2004年安装了新的13.8 kV站用开关断路器、避雷器、电容器和相关的高压电缆。

底特律水电站事故发生时，一家承包商正在现场重绕1号发电机。这台机组由于重绕而停止运行，挂了标识。底特律电站2号机组和大悬崖电站唯一的机组在运行，控制室有人值守。

厂用电系统通过内部载荷和服务BPA开关站的升压变压器连接底特律电站2个50 MVA主机组和大悬崖电站20 MVA机组。这是一个采用总线支撑结构和金属壳开关柜的三线不接地三角形接线制。从2007年4月开始，电厂工作人员就发现了一系列间歇性接地故障警报，但没有一个能触发发电机组的接地故障保护。针对这一问题做了许多努力，但没有成功。

就在火灾发生前，13.8 kV系统由于接地故障启动了报警和保护电路。XJ2、XJ3、XJ31和XJ5断路器跳闸，大多数13.8 kV总线断电，底特律电站的2号机组跳闸脱机。这个问题后来被确定为底特律-大悬崖线BPA变电站辅助架空馈电线上一个15 kV绝缘体受损。

接地故障发生90 min后，底特律电站控制室操作员重启了输电系统，试图验证接地故障是否仍存在。在这个过程中，XJ5断路器被关闭。安装于2004年的避雷器灾难性地失事，造成一个开关柜起火，进而导致整个底特律电站停止运行。由于火灾发生时没有发电机组在运行，13.8 kV总线不接地，接地故障仍然存在，造成全电压偏移，处于非故障相。后来，调查委员会确认厂用电开关柜中的避雷器和电缆仅额定为相电压，它们在13.8 kV时迅速、灾难性地失事。

虽然设计者没有预见到设备故障，但已经注意到这个区域潜在的电气故障，提供了四个层面的保护：主机组接地、大悬崖机组接地和13.8 kV总线接地检测及主变压器差动保护。

正常运行期间发生避雷器故障导致线路接地故障，造成所有三个接地探测系统的继电器启动。故障区安装了两套避雷器，无论哪一套出现故障都会导致变压器差动继电器运行：机组接地和变压器差动继电器通过打开XJ断路器来自动清除故障。差动器也会打开BPA开关站的断路器。

保护系统在首次故障发生时按预期启动。由于机组没有回到线上，在电力恢复时，接地检测系统的两部分不可用。13.8 kV的总线接地检测系统运行并发出信号。第二次发生故障时，接地信号仍然活跃，但操作人员没有采取手动断开断路器的纠正措施。为进行1号机组的重绕，关闭了第四级保护。

故障逐渐从避雷器室扩大到XJ5断路器隔间，再到相邻的XJ9隔间，最终通过一小段总线到限流电抗器。那时，BPA开关站继电器检测到故障，并清理了线路。

2 即时响应：6月18日

火灾造成的浓烟充满了多层厂房和控制室。按照既定政策，电厂运行人员和其他机组人员撤离厂房，清点所有人员，拨打911求助，并通知管理部门。消防部门赶到后，确定了没有明火。由于已经清点了所有人员，所以没有必要进行救援行动，也不需要进入厂房。

控制室工作人员开启底特律大坝溢洪道闸门，保持下游所需流量。当厂用电系统中断时，应急柴油发电机会自动启动，为大悬崖电站供电。观测到河流流量有一些波动，但没有对下游造成显著的影响。

3 灾后第一天：6月19日

由工程师、安全专家、第一响应者和支持人员组成的团队在早晨聚齐，陆军工程师兵团启动了事故指挥机构（Incident Command Structure），实行标准化、现场化、覆盖所有风险的灾害事件管理办法，有利于确保火灾响应的有序进行。

事件指挥官明确了团队负责人来处理各方面的响应，包括运行、物流、公共信息、安全、水资源管理（流量、渔业等）和技术等方面。事故指挥机构团队为每天工作开始和结束前的会议建立了一个标准的操作程序。

进入厂房是当务之急，但由于尚不知晓烟雾和烟尘的特性，首先要确保电站是安全的。在处理火灾的同时，保持水流流量、监测溶解氧含量等渔业关注的问题也很重要，以确保陆军工程师兵团的环境管理任务。

在与Marion县消防局局长讨论后，陆军工程师兵团同意消防人员进入电厂评估状况。带着安全和方位简报，火灾调查员携带自给式呼吸器进入厂房。他们检测了氧气和一氧化碳的浓度，并确定了火灾的大体位置。调查认为主发电机楼层和上层办公室的氧气和一氧化碳浓度可以携带空气过滤面罩进入。但是厂房低楼层的一氧化碳浓度超过可接受的限度，需要携带自给式呼吸器进入。消防人员利用这些设备进入厂房，获取图纸、无线电设备和关键设备的钥匙，并查看控制室仪器，以评估其状态。

团队讨论了电厂低楼层的通风选择，打开了外部门和顶部舱口。1号机组由于重绕处于未充水状态，有希望通过其压力管道进行低楼层的通风。在其压力管道顶部放置了一个风扇，通过打开的导流管和蜗壳门通风。

波特兰地区缔约互助小组发起了几项行动，包括动员第一响应承包商启动保障电站稳定的初步阶段，承包商需要有专业知识、设备和训练有素的人员进入工厂，评估危险性，监测空气质量和收集烟尘样品。西北消防获得了这一合同，合同还包括提供移动式厕所、洗涤设施、饮用水、灯、办公拖车和应急发电机。

区域安全人员与西北消防一起重新评估厂房内的空气后确认，经过几个小时的通风，一氧化碳含量已经下降到足以让受过训练的响应者进入厂房的较低楼层。项目安全人员和承包商共同确定工作人员的个人防护装备的类型和等级。个人防护装备包括全面罩呼吸防护罩、Tyvek防护服以及适当的净化程序。

烟尘和悬浮空气颗粒的组成尚不知晓。由于隔间内部的设备已被烧毁，假定其组成中含有汞和其他重金属。

调查人员发现厂房集水井内充满了水。幸运的是，几年前已经安装了潜水泵。从另一个厂房运来了一个60 kW便携式柴油发电机为水泵供电。尽管有泵，集水井内水位仍继续上升，1英尺深的水外溢进入电厂，淹没了较低的廊道。工作人员发现，排水管道存在问题，停止了泵排水，之后情况得到纠正。

现场也发现由于缺少速控压力、导叶松弛，2号机组转速接近同步转速。工作人员关闭了进水闸，阻止水流，但几个小时后机组仍未停止转动，这可能是由于伺服活塞环泄漏，导致油流回调速器，这反过来又导致执行器罐最终失去压力，溢流到调速器。

4 灾后第二天：6月20日

区域指挥官和事故指挥机构团队成员抵达底特律电站听取了简要汇报，成立了调查委员会，以记录状况并确定事故的根本原因。导致失事的主要原因尚未排除，需要查明主要和其他可能的原因。

柴油发电机容量有限，要将可用的电力用于照明、排水泵以及为电站蓄电池充电的电动机发电机组，难度很大。工作人员试图通过厂用电系统供电，但失败了。显然，将继续通过各种延长电线为各种设备供电，独立于电站总线。

工作重点再次集中在2号机组。隔离执行器罐，在通过柴油发电机向调速泵提供临时电力后，迫使闸门关闭。这样关闭了该机组，启动了手动伺服锁。工作人员发现进水闸下限开关设置不正确，在门槛以上约1英尺。6月20日对此进行了纠正，但机组持续转动到那天，导致轴承过热。

随着工作的推进，HSE人员更新了安全计划，包括净化程序、进入现场的合适程序、工作/休息周期及适当的个人防护装备。他们将覆盖在厂房表面的烟灰样品送检，以确定其组成，确保工作人员使用足够防护等级的防护用品。

在确保电站安全的同时，团队其他成员讨论和审查了水资源管理问题。North Santiam河为各种鱼类和野生动物提供栖息地，因此，需要关注由于流量变化引起的下游水温和总溶解氧浓度的问题。在与部落、州和联邦机构协调后，实施了一些措施来缓解这些问题，并监测和抵消产生的影响。例如，为了保护鱼类，利用大坝不同的出口尝试影响水温及溶解氧，并部署人员监测下游栖息地。

另有团队专注于维护其余的设施，包括柴油发电机、溢洪道闸门，以及大悬崖大坝的运行。采取了人员计划、燃油供应、下游监测和设立临时控制室等措施。

截至6月20日下午5时，已确保电站安全，工作的重点集中在清理、改善工作条件（包括照明和净化）以及为关键系统提供临时电力。团队也开始着手进行长期修复工作，如下文所述。

5 恢复阶段

在接下来的几周里，开展的工作由应急响应转向设备状况评估和电站修复规划。需要进行以下几项工作，使电站恢复到原先的工作状态：

（1）恢复厂用电总线部分；

（2）恢复变压器氮气层；

（3）获取更大容量的柴油发电机；

（4）设置临时控制室；

（5）为员工办公提供活动房间；

（6）改善临时照明；

（7）利用大悬崖大坝恢复电力。

显然，恢复厂房所需进行的工作超出了原先应急响应承包商的能力。在5周内，与肖恩环境公司签署了第二份合同，来完成电厂的净化和清理工作。净化工作始于7月，一直持续到9月11日。承包商员工用手擦或手洗了所有内部建筑物表面、设备、控制板和许多系统组件。承包商没有进行大规模净化工作，而是清除和处理了空调管道和设备、被污染的办公家具和隔音墙。这么做的原因是，比起更换这些设施，这样的处理方法更便宜或更安全。在电气设备的清理中使用了特殊的清洁溶剂，防止漏电，进而导致故障。

同时也开展了设计和规划工作，恢复部分厂用电系统总线，并修建临时总线支撑结构，以便从大悬崖厂房引电。这需要建造总线、开关柜及继电器保护，这可以为厂用电系统提供双电源，通过主变压器从大悬崖电站或BPA线供电。底特律电站在9月18日恢复供电。

底特律电站1号机组的发电机必须完全拆卸，以将线圈、轴承表面和其他发电机系统中的金属烟尘清除。重绕承包商美国国家线圈公司雇用一家消除石棉和铅的分包商完成了这项工作。

在恢复阶段，资源管理人员与陆军工程师兵团在努力获取工作所需的资金。BPA提供了约200万美元直接资金用于继续恢复工作。对几个已有的子协议进行了修订，以涵盖总共需要耗费约1 300万美元的附加工作。此外，一份约1 000万美金的火灾恢复协议获得资助，使资本和费用资金的结合成为可能。

一旦厂用电系统总线恢复，就可以开始电厂其余部分的恢复或升级工作，包括13.8 kV开关柜的现代化改造、升级厂用电系统总线和电站电池、继续1号发电机组重绕，以及加快改善空调和消防系统合同的推进（火灾发生时正在进行中）。

与Metal Benders公司签署的电厂消防和空调系统合同解决了火灾期间确定的几个关键项目，包括烟雾屏障、控制室加压、自动防火门、防火和烟雾报警器、防火板、分割厂房以限制烟雾穿过电厂、烟雾探测器及其他保护工作人员的系统。因此在陆军工程师兵团所有安装了消防系统的电站中，底特律电站的系统是最全面的之一。它将作为陆军工程师兵团所辖的其他设施的一个模板。

虽然大部分工作已于2010年完成，但恢复工作仍在继续。在底特律电站安装临时总线后，大悬崖电站机组于2007年9月恢复。在两个机组完成重绕后，底特律电站1号和2号机组分别于2008年4月和2009年3月恢复工作。电站总线、开关柜和消防系统的现代化改造工作让底特律电厂和大悬崖电厂跻身陆军工程师兵团最现代化电站的行列。

6 经验教训

经过底特律水电站火灾和随后的恢复工作，陆军工程师兵团收获了许多可供其他项目参考的经验。

6.1 根本原因

更新图纸。在许多情况下，图纸没有反映现场实际情况。这导致运行人员在清理其他设备时，无意间关闭保护系统。

改进检验和调试程序。在以前的工作中，设备安装不符合相关规程或标准。当遇到初始接地故障的情况，设备失事，引发火灾。陆军工程师兵团加强了调试和测试要求。

改进故障排除程序。工作人员没有充分理解发生接地故障继电器保护动作后中压系统激励的差动。需要充分理解通电前的测试程序。

就新设备提供培训和操作维护手册。电厂运行人员就新设备的操作没有获得足够的培训。旧手册没有更新关于新设备的内容，因此很少使用。

重新评估保护方案。虽然原来的设计提供了足够的保护，但没有实施基于新技术的加强保护。定期检查所有厂房保护计划十分重要。

6.2 响应行动

确保可获取关键设备的图纸和钥匙。对重要设备图纸及运行该设备所需的关键工具、钥匙的可获取性十分重要。其中一部分工具和钥匙存放在控制室，疏散电厂时无法获取。

聘请知识和经验丰富的安全人员。允许安全人员进入电厂，确保员工安全。没有他们的专业知识，进入电厂将十分危险，并可能造成长期影响。工作条件艰苦、疲劳和过热是重要的问题。安全人员制定的计划解决了这一问题。

随身携带便携式发电机和电源线。可获取便携式电源和配送电力的手段是一个关键因素。

建立事件应急指挥机构。这一机构可以让陆军工程师兵团在混乱的事件中保持秩序，有助于引进正确的资源，在知晓其他区域已经适当缓解后，可以使这些资源专用于特定的区域。这可以实现让一个人监督一项大型复杂的操作。

通讯至关重要。在最初的响应中有良好的通讯条件很重要。因为无法使用固定电话线，使用手机特别重要。

提供基本设施，满足人员需求。有一群人专注于提供现场物资和满足基本需求非常重要。这可以使工作人员和响应者专注于他们的职责范围。

确定环境后果。重要的是，不仅要着眼于厂房，也要关注对水流的影响。有一个团队专注于下游水质、溶解氧和水温，可有助于减轻两个电厂发电损失的影响。

制定疏散程序。有合适的疏散计划并演习对保证员工安全是至关重要的。幸运的是，火灾发生在晚上，大多数工作人员已下班，承包商也不在现场。如果该事件发生时有人员在低廊道内，将极有可能发生伤亡事故。

测试调速器。当调速器长时间断电时，测试液压系统保持闸门关闭的能力是很重要的。虽然这一事件很少发生，但它可能导致闸门松动，进而可能造成机组失控。

定期维护。在应急运行前，应将验证闸门能否完全封闭作为定期维护的一部分。在没有进行验证前，永远不要假定它可以正常工作。

应急训练。对工作人员及承包商进行应急计划的培训和协调至关重要，应将其纳入疏散演习中。

应急设备使用培训。需要记录应急泵和管道安装方法，所有的人员都要接受正确操作的培训。■

Emergency response：lessons learned during recovery from a fire in the Detroit powerhouse

David M.Bardy,Thomas Voldbaek,Harley Grosvenor and David C.Shank//U.S.Army Corps of Engineers

The response to a fire in the 100-MW Detroit powerhouse brought to light several inadequacies in data available and procedures followed during emergencies.The lessons learned during the recovery process are valuable for every hydro project owner.

As a result of an electrical fire at the 100-MW Detroit hydro project,personnel with the Portland District of the U.S.Army Corps of Engineers learned many valuable lessons with regard to determining the root cause of the incident and formulating proper emergency response actions.

The fire,on June 18,2007,resulted in the destruction of two 13.8-kV breakers,current limiting reactors and associated bus in the lower gallery of the powerhouse.(A sustained feed of this magnitude is equivalent to lifting a 3 000-pound car 140 miles in 2.5 minutes or driving an average-sized car more than 3 300 miles.)Heavy smoke and charged soot particles filled the powerhouse and led to a$25 million cleanup and modernization effort.

Detroit powerhouse;emergency response;fire;lessons

TV697.1

B

1671-1092（2017）03-0070-05

2017-04-27

文献来源：HYDRO REVIEW

编译：邱祥兴

校核：许传桂