新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统在户外220kV变电站的应用研究

葛 伟

(上海同泰火安科技有限公司，上海 201703)

变电站是保障居民生活和工业生产用电需求的重要枢纽，国网在每个省市有成百上千座220kV变电站，其作为枢纽变电站分布于城市的城区和郊区。每座变电站内集成主变压器、电容器、电抗器、电缆、开关柜等高、低压电气设备和电缆线路，工作时负荷高、发热量大，一旦故障会迅速引起火灾，对周围居民和社会存在很大的火灾安全隐患。并且，当前变电站自动灭火系统正处于更新换代时期，传统系统在灭火可靠性和维护运行上存在很多弊端。为了提高变电站的自动化灭火能力，在发生突发火灾时能有效地快速灭火，保障周围居民和社会的安全，针对部分国网重点220kV变电站实施消防系统升级改造。对主变压器室和散热器等重点火灾危险场所,改造为新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统。

1 户外220kV变电站消防现状

1.1 变电站重点危险源

油浸主变压器及散热器火灾：变压器在庞大的电网中发挥着“心脏”的作用，一旦发生问题，将会导致大面积区域内的电力供应系统瘫痪，其消防是整个变电站的重中之重。变压器油是由碳氢化合物所组成，闪点约为130°C左右；变压器的低能火花放电、油温的升高均可使变压器油挥发分解出烷基类等碳氢化合物；变压器出现故障，很快会出现局部的高温过热，变压器油会随着温度的升高而体积急剧膨胀，主体或者油路爆裂后很容易发生明火火灾及爆炸性事故。

电线电缆火灾：整个变电站的电气设备都是由“电缆网络”连接组成，电线电缆初期着火时，烟大火小、延烧速度较慢，如果能及时发现，较易扑灭。电线电缆火灾发展到中期阶段，烟大火大、明火面积快速蔓延，火场温度急速上升，受限于电线电缆所处空间狭小，火灾热量非常集中，造成火灾热辐射量巨大，引起火场周围次生伤害。到了后期阶段，当火灾没有及时得到有效措施应对的话，会引起整个火场轰燃，火灾当量达到峰值，火场温度超过1 000 ℃以上，整个建筑主体结构也会受到影响。

开关室、电容器室、GIS室火灾：电气设备室里面集成了进线、出线、电容器和高、低压配电装置等，如果电容过热、起火,多是由于电压电流超额、极板击穿，或者环境温度超额造成电气设备自身温度过高等都会造成火灾事故，进而造成爆炸危险。正常情况下，电气设备自身的绝缘措施是有极限的，超过极限值后会很快造成绝缘破坏，进而引发设备故障，故障后会引发设备过热过载，造成事故。同时，据调查变电站内存在的电弧在一定条件下也能使电气设备绝缘受到破坏，造成故障后也是火灾事故的诱因。

1.2 自动灭火系统现状

户外220kV变电站主变目前采用的灭火系统主要有排油注氮灭火系统、SP合成型泡沫喷雾灭火系统和水喷雾灭火系统。

(1) 排油注氮灭火系统(图1)。排油注氮灭火系统具有对环境和变压器无污染、成本低廉等优点，但排油注氮装置的排油、注氮管路与变压器本体直连，发生渗漏容易造成装置误动或变压器故障，运行风险大，且不能扑灭变压器外部火灾。

图1 排油充氮灭火装置示意图

(2) SP合成型(预混)泡沫喷雾灭火系统(图2)。SP合成型泡沫喷雾灭火系统多用气压式喷雾，具有无须动力电源、启动可靠性好、无须水池和排水设施、安装及操作简单等优点，但该系统泡沫灭火剂采用的泡沫预混液无 3C认证，后期更换成本高、质量难以有效保证，一旦喷完 15 min，无后续降温或灭火措施。

图2 SP合成型(预混)泡沫喷雾灭火装置示意图

(3) 水喷雾灭火系统(图3)。水喷雾灭火系统具有无污染、持续灭火能力强等优点，但该系统对水量需求大，消防水泵房和消防水池等设施占地面积大，投资相对较高。运行多年后管网锈蚀严重。

图3 水喷雾灭火系统示意图

2 户外220kV变电站常用自动灭火系统对比分析

三种常用自动灭火系统的对比分析见表1。

表1 常用自动灭火系统对比分析表

3 新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统技术优势

3.1 相关规范要求

泡沫喷雾分为泵组式(现混式)和瓶组式(预混式)。在国外，泵组式泡沫喷雾灭火系统技术相当成熟，已形成了《低、中、高倍泡沫系统标准》(NFPA 11-2010)和《泡沫水喷洒系统安装标准》(NFPA 16-2007)，并在实际工程中得到大量应用。国内相关标准规范有大量的参考和借鉴。

在国内，公安部天津消防研究所主导下进行了大量针对油浸电力变压器的泡沫喷雾灭火试验，明确了SP合成型瓶组式泡沫喷雾和带有比例混合器的泵组式泡沫喷雾两种形式，确定了计算面积、供给强度、供给时间、特殊部位的喷头布置及泡沫液要求等，并在国家规范《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151-2010)的 7.4章中予以规定。

目前国内主变压器的泡沫喷雾灭火系统多为SP合成型泡沫喷雾灭火系统，即预混泡沫液储罐加储气瓶的供给方式。泵组式泡沫喷雾灭火系统应用较少，主要原因是：SP合成型(预混)泡沫喷雾灭火系统是作为一个产品进行整体设计的，并进行了 3C认证，电力设计院设计时直接进行接口设计即可；泵组式泡沫喷雾灭火系统由多组件组成，主要组件进行了3C认证，需要设计院进行多组件集成设计，而多数电力设计院没有专业技术人员根据消防标准进行核算设计。

所以说，新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统技术成熟，符合国家规范要求。相比传统SP合成型泡沫喷雾系统，灭火有效性有较大提高，可靠性和安全性也有较大提升。投资经济性好，适于户外变电站规模化推广应用。目前，国网浙江省、江苏省和甘肃省均有示范性项目案例已经完成投入运行。

3.2 新型泵组式(现混)泡沫喷雾自动灭火系统技术提升对比

技术提升情况见表2。

表2 泵组式泡沫喷雾系统优化提升对比表

4 户外220kV变电站消防改造优化设计方案

4.1 设计依据

《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)(2018版);

《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151-2010);

《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219-2014)；

《油浸式电力变压器火灾报警与灭火系统技术规程》(DG/TJ08-2022-2007);

《火力发电厂与变电所设计防火规范》(GB 50229-2019);

《电力设备典型消防规程》(DL 5027-2015)。

4.2 新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统组成

新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统由供水管路、泡沫喷雾泵及稳压装置、供泡沫管路、泡沫泵、泡沫罐、气压罐、变压器专用泡沫/喷雾控制阀组、变压器专用泡沫喷雾喷头、管路及配件以及火灾报警联动控制系统等组成。

4.3 设计参数要求

依据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151-2010)7.4.2条规定,当保护油浸电力变压器时，系统设计应符合下列规定：

(1) 保护面积应按变压器油箱本体水平投影且四周外延1 m计算确定。

(2) 泡沫混合液或泡沫预混液供给强度不应小于8 L/(min·m2)。

(3)泡沫混合液或泡沫预混液连续供给时间不应小于15 min。

(4) 喷头的设置应使泡沫覆盖变压器油箱顶面，且每个变压器进出线绝缘套管升高座孔口应设置单独的喷头保护；

(5) 保护绝缘套管升高座孔口喷头的雾化角宜为60°，其他喷头的雾化角不应大于90°。

(6) 所用泡沫灭火剂的灭火性能级别应为Ⅰ级，抗烧水平不应低于C级。

设计参数要求如下：

(1) 泡沫混合液供给强度q≥8.0 L/(min·m2)。

(2) 泡沫喷雾持续时间T=15 min。

(3) 泡沫液型号3%AFFF水成膜泡沫。

(4) 泡沫混合比3%。

(5) 变压器专用泡沫喷头最低工作压力0.35 MPa。

(6) 系统响应时间不大于60 s。

(7) 水喷雾持续时间T=24 min。

4.4 设备选型

本设计以标准户外220 kV变电站为例，新增泵组式泡沫喷雾消防系统，泡沫喷雾消防系统保护总面积约365.3 m2,主要保护区域为3台220kV主变压器,分别是1#、2#、3#主变。本项目考虑其保护区火灾特点，主变和散热器均采用灭火高效、响应快速的变压器专用泡沫喷雾系统，采用灭火高效的3%水成膜泡沫液作为灭火剂。设置一套变压器专用泡沫喷雾系统泵组进行保护。各防护区的设计参数见表3。

表3 防护区设计参数表

(1)变压器专用泡沫喷雾喷头的选型。根据变压器保护区域和变压器火灾特点，选用合适的变压器专用泡沫喷雾喷头：油枕选用型号为PT2.7-C的泡沫喷雾喷头，喷头流量为2.7 L/s，喷头单侧布置，喷头安装间距为2.4 m；变压器主体选用型号为PT2.7-C的泡沫喷雾喷头，喷头流量为2.7 L/s，喷头双侧布置，喷头安装间距为4.4 m；油坑选用型号为PT0.8的泡沫喷雾喷头，喷头流量为0.8 L/s，喷头双侧布置，喷头安装间距为3.7 m。

(2)供水泵及管道的计算选型。供水系统流量按单台变压器同时喷放的喷头流量之和计算，本系统最大流量防火区为1#变压器，设计流量为同时开启喷头数流量之和，经计算Q=1.05×97%×(2.7×2+2.7×6+0.8×8)=28.52 L/s，根据经济流速供水管流速和系统设计流量确定供水管道管径为DN150。系统工作压力根据最不利点的阻力损失计算，计算公式采用舍维列夫公式：I=0.000 010 7V2/D1.3进行计算,系统水压H水=65.6 m。选用泵组型号(一用一备),Q=30 L/s,H=75 m,N=37 kW。稳压泵流量按照不大于2.7 L/s的流量计算，稳压泵压力大于系统供水泵压力5 m左右，选用稳压泵型号(一用一备),Q=1 L/s,H=98 m,N=2.2 kW，配置气压罐1座。

(3)泡沫泵及泡沫管道的计算选型。泡沫原液量Q泡系=1.05Q原=1.05×3%×28=0.88 L/s,根据《泡沫灭火系统设计规范》中规定的泡沫管道内的泡沫流速，计算出泡沫管道直径为DN25,泡沫系统设计工作压力根据最不利点最低工作压力进行计算，计算公式采用 Darcy-Weisbach(达西-魏斯巴赫)公式,计算结果为H泡=85.6 m，选用不锈钢泵型号(一用一备),Q=1 L/s,H=98 m,N=2.2 kW，泡沫储存罐按照15 min储量计算，其泡沫罐有效容积为0.8 m2。

(4)根据变压器泡沫喷雾系统设计流量，Q=29.4 L/s,选用型号为PHPD54X2的变压器专用泡沫喷雾控制阀组，连接水管管径为DN100，泡沫接管管径为DN25。

(5)系统供水及泡沫原液的供给。本设计项目采用消防水箱直接供水方式，系统按24 min的用水量为41.07 m2，从变压器消防泵房内水喷雾泵出水管上引出DN150的消防供水总管，向变压器专用泡沫喷雾系统供水，同样泵房内的泡沫原液泵出液管上引出DN25的泡沫原液管，向变压器专用泡沫喷雾系统供泡沫原液。整个系统平时在比例混合器前泡沫液管道内充满泡沫原液。

5 户外220kV变电站消防改造优化设计方案创新点

5.1 国网变电站智能辅助远程控制系统

智慧消防是时代发展的趋势，国网变电站系统内已有电网调度自动化系统和变电站智能辅助系统等二次控制系统，此次设计充分把变电站的火灾自动报警系统、新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统与站内调度自动化系统和变电站智能辅助系统融合对接。

新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统除了具备规范要求的三种控制方式：自动、手动和应急操作，同时还具备远程应急启动方式，彻底解决了在无人值班变电站无法做到现场就地手动操作方式。远程应急启动方式：当火灾探测器失效、自动运行方式失效，电网监控中心人员遥视发现火灾，在人工确认火情后，经授权人员操作变电站智辅系统消防子系统中相应保护区启动按钮失效按钮，远方直接启动泵组式(现混)泡沫喷雾系统(图4)。

图4 国网变电站智能辅助远程控制系统框架图

变电站智辅系统消防子系统还设计有远程人工停泵功能：当新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统因未知原因导致的误喷，经过授权后可以通过远程人工停泵命令喷雾停止，以减少喷雾造成的不必要损失。充分考虑电力行业要求的容错措施，保障变电站的消防系统安全可靠。

5.2 集装箱一体化智能泵房

消防改造项目最大的问题就是现场的不确定因素太多，变电站消防改造更是困难重重。此次方案针对现有变电站内空间有限、基本没有备用设备用房和室外空余场地的问题，设计师结合现场情况和相关规范要求，提出了集装箱一体化智能泵房方案，解决了现场没有设备用房的问题。

集装箱一体化智能泵房方案集成了泵组式(现混)泡沫喷雾系统的泡沫喷雾泵及稳压装置、泡沫泵、泡沫罐、气压罐、变压器专用泡沫/喷雾控制阀组等模块集中放置在集装箱内，集成性高，占地空间小，便于安装(图5)。

图5 集装箱一体化智能泵房布置图

5.3 泵组式(现混)泡沫喷雾系统管网工厂化预制BIM设计

针对变电站消防改造设计项目特点，变电站结构紧凑，设备就位后安装空间非常有限，改造设计要充分考虑施工过程中的难点。例如，如何避让现有的电气设备，保证系统管网走向在安装过程中满足规范要求的安全距离，减少工程施工过程中的不必要的变电站停电计划。要充分考虑利用BIM设计把现场测量的情况建模，出标准的泵组式(现混)泡沫喷雾系统管网工厂化预制加工图，做到变电站现场内零动火焊接，安装灵活多变，施工工艺合理。

泵组式(现混)泡沫喷雾系统管网工厂化预制是将系统管道，从设计、生产到安装和调试深度结合集成，通过这种系统化的预加工，工厂化流水线制作生产。利用这种技术，不仅能提高生产效率和焊接质量水平，降低成本，还能减少现场工程量、缩短工期，做到灵活多变，特别适合施工条件受限的项目。

泵组式(现混)泡沫喷雾系统管网工厂化预制设计重要节点：充分勘察现场→研究图纸→BIM分解优化→放样、下料、预制→预拼装→现场分段组对→安装就位。

6 结束语

本文分析了户外220kV变电站消防现状、变电站消防系统优缺点和目前规范相关要求，论证了变电站设计新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统的合理性和必要性。相比以前的变电站消防系统设计，本项目有明显提升，灭火可靠性更高，维护经济合理，系统设计考虑更完善结合变电站实际情况，并通过工厂化预制BIM设计和智能远程控制系统等措施去解决系统控制和施工的难题。但变电站是电力行业特殊而又重要的枢纽，还有很多问题需要考虑得更加完善，还需要付出更多的努力去研究分析。随着新建变电站的设计要求提高，我们要把新型泵组式(现混)泡沫喷雾系统更合理地植入到变电站的消防中。相信此设计也能为今后户外220kV变电站消防改造和新建项目中的消防自动灭火系统标准化设计提供实际项目应用依据。