气体灭火系统在地下变电站的应用探讨

田 珍，田 会，刁怀亮，李 燕

（山东电力工程咨询院有限公司，济南 250100）

近年来，为配合城市景观及节约土地，城市变电站常常采用全地下形式。由于变压器等含油电气设备都布置在地下变电站，因此地下站的消防不同于常规地上站，有其特殊要求。由于传统水灭火系统用水量巨大，排水存在问题，造成泵站面积较大和埋深较大，从而导致投资增加。由于灭火时地下站各设备房间应全封闭，所以固定式全淹没气体灭火系统是最为经济合理的灭火系统，因此被地下变电站消防设计采用。

气体灭火系统的灭火剂为化学气体，系统包含化学气体和火灾探测报警系统。水灭火系统常用于固体可燃物的火灾，但是气体火灾、液体火灾及电器火灾没有能力灭除，气体灭火系统弥补传统水灭火系统的缺点，具有灭火高效、高速且不损坏物体、无污染的特点。

1 常用气体灭火系统的优缺点分析

1.1 二氧化碳灭火系统

该灭火系统是应用最早的气体灭火系统，其灭火机理是物理方式（窒息、冷却）。二氧化碳气体灭火系统是目前仅有的可用于全淹没灭火系统和局部应用灭火系统的气体灭火剂。

1.1.1 主要优点

灭火快速、不损坏保护设备且空间淹没性好。若为高压二氧化碳灭火系统，二氧化碳气体在常温状态下可以液态存储，具有结构简单、高安全性能及低运行费用等优点。

1.1.2 主要缺点

一是CO2具有低毒性，致人死亡的浓度为20%，而系统灭火的最低浓度为34%（电子机房设计最低浓度为40%），因此对人身伤害的风险较大。尽管实际应用中采取延时30 s等措施来疏散防护区人员，但国内意外发生的事例仍屡见不鲜。二是CO2喷射时，汽化时吸热，冷冻效应较强，会影响磁记录设备的正常运行。三是因为CO2属三原子分子结构，属于温室气体，是造成地球“温室效应”的元凶之一。

1.2 惰性气体灭火系统

该灭火系统的灭火剂是由氮、氩和二氧化碳，按一定比例组合而成的，其中氮气成分占52%，氩气成分占40%，二氧化碳成分占8%。该系统采用全淹没灭火方式，是一种物理方式，通过释放惰性混合气体，使防护区空气中的氧气浓度降低，阻止燃烧从而将火灾扑灭。

1.2.1 主要优点

一是灭火剂由自然气体组成，无毒、无腐蚀性分解物产生，是一种绿色环保型气体，灭火使用浓度喷放不会人体造成伤害。二是存储方式为高压储存，气态输送保护半径较大。三是可采用组合分配系统用于防护区较分散的工程。

1.2.2 主要缺点

储存方式为高压储存，储存压力高。

1.3 七氟丙烷灭火系统

七氟丙烷是一种人工合成的灭火剂。七氟丙烷灭火系统（FM-200）是一种洁净气体自动灭火系统，灭火机理是当FM-200灭火气体释放到全淹没式系统环境时，会发生一系列的物理和化学反应，短时间内有效地消除热能，从而阻止火灾的发生。

FM-200的物理反应表现为在七氟丙烷分子汽化阶段能迅速吸收大量的热量，冷却火焰温度，并且在化学反应中会释放游离基，阻止燃烧的连锁反应。

1.3.1 主要优点

一是灭火效率高，尤其是单一的保护空间，灭火剂用量少。二是灭火剂人身安全性高。三是灭火剂为低压存放，安全性好。四是占地少，投资省[1]。

1.3.2 主要缺点

一是保护区之间高差大或输送距离长，不宜采用该灭火系统。二是使用范围较小，仅适用于500 m2以下及2000 m3以内的防护区。三是灭火过程中产生的酸性气体，会对人及保护对象有害，但其浓度较低，不会对电子仪器及精密仪器和贵重物品产生损害。四是药剂使用成本高，约为1301药剂的2.5倍。

2 地下变电站气体灭火系统的比选

选用洁净气体灭火剂所考虑的指标和技术要求有10项，分别为：蒸发后的残渍，应无残留；灭火的效率；对臭氧层破坏能力（耗损潜能值，ODP）；在大气中存留时间（ALT）；毒性应为低毒或无毒；对温室效应的影响（温室效应潜能值，GWP）；导电性能，应具有良好电绝缘性；储存的安全性能，具有良好的储存性和稳定性；灭火浓度，相对于哈龙1301的灭火浓度；经济合理性，考虑市场价格。根据现有规程规范及各灭火系统的数据，笔者对下述几个方面进行分析比较。

2.1 适用范围

CO2、IG-541灭火系统可以应用于任何空间大小的保护区域，尤其适用于较大的消防工程，工程越大，单位面积的投资越小。FM200灭火系统灭火剂管道输送距离较短，所以只适用于小保护区域。而且天花板高度限制FM200灭火系统喷头的设置，单列喷头的最大长度为3.7 m，当防护区域大于3.7 m时，为了迅速有效地灭火，需另设置一列喷头。

CO2、IG-541、FM200灭火剂均能适用于A、B、C类火灾，所以都可以在地下变电站使用。但是，保护范围有充油电气设备房间、变配电室及电气设备房间等总舵种类的房间，且面积较大，层高较高（如主变压器室，其层高在9 m以上），因此采用IG-541灭火系统和CO2更适合于地下变电站。

2.2 环保指标比较

通常情况下，选用一些绿色环保的灭火剂，灭火剂的ODP值越小，合成物的ALT值就越小，GWP值也越小，对环境破坏越少。三种气体灭火系统的分析比较如表1所示。

表1 三种气体灭火剂环保性能对比

从表1可以看出，CO2和FM-200不破坏臭氧层，但是CO2和FM-200为温室气体，其ALT值较大，大量的CO2和FM-200的使用会影响全球的温室效应，不宜长期使用。IG-541的组成气体为N2、Ar、CO2，制作灭火剂时，三种惰性气体来源于大气，使用后又释放回大气，不影响环境。因此，单从保护环境来看，IG-541的性能优势是毋庸置疑的，电力行业设计应结合实际情况，优先考虑。

2.3 安全性比较

安全性主要是指灭火剂对人员的安全性，主要表现为三个方面：首先是缺氧引起人员窒息，灭火浓度和二氧化碳浓度是人员窒息主要的因素，高灭火浓度导致灭火剂释放后防护区氧浓度低，从而导致人员缺氧。二氧化碳浓度超过10%，就会影响人的正常呼吸，浓度超过25%时就会造成人员缺氧窒息。其次是中毒，药剂自身的毒性或分解物的毒性导致人员中毒。最后是影响逃生，灭火剂喷放后会降低防护区的能见度，从而影响人员逃生。表2主要从灭火剂浓度方面进行分析。

表2 三种气体灭火剂对人体安全性比较

从表2可以看出，CO2系统由于灭火设计浓度高，大大超过了人的致死浓度，危险性极大，故二氧化碳系统不能用于保护经常有人的场所。FM-200气体灭火系统设计浓度、无毒反应与有毒反应浓度非常接近，设计中通过控制灭火设计浓度和喷放时间，可将对人员的毒害降至低于安全浓度。而IG-541的有毒与无毒反应浓度均较高，在IG-541环境中，氧气浓度较高，缺氧引起人员窒息的风险大大降低。从对人体安全性而言，IG-541灭火系统及FM-200灭火系统优于CO2系统。

2.4 运营维护比较

两种气体灭火系统均需按各地的规定定期检验，由于各地的情况和要求不一样，所以产地不同，运营维护也不一样。气体灭火系统的综合费用包括灭火系统一次性工程投资及运行维护保养费。运行维护保养费主要包含定期的检查检验费、补充药剂费和维修费。灭火剂价格越高，系统的钢瓶设备越多，则系统的维护保养费用就越高。根据常年数据分析，各系统的成本比例大约为：七氟丙烷灭火系统:IG-541灭火系统:CO2灭火系统=1.0:4.5:8.4。

经过比较，CO2灭火系统由于成本高，且环保性能和对人体安全性均很差，所以不推荐采用。IG-541气体灭火系统虽然环保性能和人体安全性具有优势，但由于设备及管路布置很复杂，投资和成本较高，经济性很差。七氟丙烷灭火系统环保性能好且人身安全性方面可以接受，设备及管路布置简单，投资和成本不高,因此七氟丙烷气体系统在地下变电站中应用较多。

3 地下变电站中气体灭火系统设计应注意的问题

3.1 防护区的设置

电气设备房间是地下变电站灭火系统的主要防护区，在气体灭火系统设计中，很多防护区并没有严格的固定封闭空间来划分，而是考虑装修、采光等因素，采用玻璃隔断等轻质材料进行划分且门窗均不能自行关闭。另外，设备间的功能要求不同，所以整个房间只能按照功能分割，不能形成相对封闭的空间，从而导致防护区的封闭性不能满足要求、防护区的门窗和隔墙的耐火极限和围护构件的耐压强度也达不到规范的要求。

为克服上述问题，设计时要着重考虑以下措施：严格进行灭火空间的划分，在紧急状态下，所有门窗、风口均能联动自动关闭，从而形成封闭空间；为提高围护构件耐压强度，建议采用防火玻璃、实墙隔断；应高效响应，响应时间短；采用补偿设计手段，以确保灭火效果。

3.2 管网和喷嘴的布置

喷头布置应对称布置，管网布置应简单和距离最短。设计时要标注出管道的外径、内径和壁厚等参数，而不能笼统地标注公称直径。如有个别小的防护区影响系统组合，可采用单独区分、设置无管网系统的办法加以解决。

喷嘴设计与布置应考虑以下几个因素：防护区的容积（含大小、形状）及保护对象的分布和燃烧特性；喷嘴的设计流量和最大保护面积；管网末端最不利处的喷嘴设计压力；灭火剂在规定时间内喷射到保护区且均匀地达到防护区各处的设计的灭火浓度；喷嘴布置均衡性；喷嘴应避免设置在回风口和其他开口位置。

在气体灭火系统设计时，系统管网的管径设计步骤为：首先是初步确定管径，初步确定管径的设计依据为平均质量流量，确定的方法是通过实际的计算来确定。其次是确定进行管径优化，最终确定管径，达到最佳的灭火效果，优化依据为综合考虑最不利点喷嘴的压力、喷嘴的数量和流量以及药剂的容积和充装比、管网的容积等因素。

3.3 气体钢瓶储瓶间的设置

为了简化管路布置和降低管道流动阻力损失，在气体灭火系统设计时，气体钢瓶的储存间应设置在距离各防护区较近的地方。设计时，一定要按照气体灭火系统的设置，综合考虑该建筑的功能与使用情况，进行合理布局。

3.4 火灾报警装置及灭火系统的联动控制

气体灭火系统包含化学气体和火灾探测报警系统。为了实现火灾报警装置和灭火系统控制的联动，消防水、电气自控专业需要进行通力合作和相互协调。设计图中要完善气体灭火系统与火灾报警系统的联动控制要求，同时实现对通风空调系统的控制。

4 结语

气体灭火系统的设计选型应从安全适用、技术先进、经济合理、环保节能、符合国家及地方法规政策等方面进行考虑。在地下变电站工程气体灭火系统设计时，人们要充分结合实际情况，综合考虑上述因素，为达到最佳的设计灭火效果，选型时要经过经济与技术比选，最终确定。随着现代变电站自动化程度越来越高，无人化运行越来越普及，七氟丙烷、惰性气体等灭火剂具有环保无污染、对人体基本无伤害的特点，应当是地下变电站消防设计的发展方向。