110 k V 变电站消防策略研究

蒋从伟,曹 飞,冯飞波,杨晓艳,刘同同,何春华,袁守军

(1.国网安徽省电力有限公司蚌埠供电公司,安徽 蚌埠 233000;2.合肥工业大学,合肥 230009)

110 k V 变电站数量较多,分布广泛,在保障工农业生产与提高城乡居民生活水平等方面起着重要作用。110 k V 变电站大多分布于人口稠密的城镇及近郊,其消防安全保障格外重要。我国最新版变电站消防设计防火规范未对110 k V 变电站的自动消防能力提出要求。在无人值守条件下,一旦出现火情(警),该类变电站缺乏必要的迅速响应机制和自救能力[1-2]。因此,开展110 k V变电站消防策略研究,对保障及提高变电站消防安全显得尤为迫切。

1 110 kV变电站消防设施现状及问题

1.1 消防设施现状

目前运行的110 k V 变电站主要包括户外变电站(简称“户外站”)110-A1-2和户内变电站(简称“户内站”)110-A2-6两种设计方案。

110 k V户内站的配电装置室属丙类厂房,其耐火等级为一级,体积超过5 000 m3,根据GB 50229—2019《火力发电厂与变电站设计防火规范》和GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的相关规定,110 k V户内变电站设置了室内、外消火栓系统。110 k V户外站内建筑物属戊类厂房,其耐火等级为二级,且体积不超过3 000 m3,根据《建筑设计防火规范》第8.1.2条“耐火等级不低于二级且建筑体积不大于3 000 m3的戊类厂房,居住区人数不超过500人且建筑层数不超过两层的居住区,可不设室外消火栓系统”,且户外变电站主变压器容量不超过50 MVA,可不设固定灭火设施,故安徽省内运行的110 k V 户外站均未设置水消防系统。

户内站和户外站的二次设备室、配电装置室及其他公共场所均配备了足量的5 kg手提式干粉灭火器;户内站的主变压器室内还设置了2台50 kg推车式干粉灭火器,户外站在主变压器附近配置消防棚一座,棚内配备50 kg推车式干粉灭火器、消防铲、消防桶(25 L)及消防斧等消防设施,且每座主变压器配一座消防砂池。

1.2 消防设施存在的问题

当前,安徽省内110 k V 变电站的主变压器均未配备自动灭火设施,仅在附近配置了建筑灭火器和消防砂池。自2008 年安徽省开展智能站建设以来,现有的110 k V 变电站均为无人值守站。该情况下,未配备自动灭火系统的变电站消防自救能力薄弱,一旦出现火情(警),待区域中心接到报警信号,人工核实后向当地消防部门报警,往往会错过最佳的灭火时间,易导致火灾失控。

此外,变电站的电缆沟和开关柜仅配置了感温电缆或感烟电缆,未设自动灭火设施。一旦电缆沟或开关柜着火,虽然远程控制中心能收到着火信号,但因缺少自动灭火系统,只能被动等待维修人员更换电缆或开关柜。

2 110 kV变电站消防策略

110 k V变电站大多建于人口稠密的市区及近郊,其消防安全不容忽视。现有消防标准与规范仅要求110 k V变电站配备移动式消防器具,如手持式或推车式灭火器等。随着变电站全面进入智能化无人值守发展阶段,该类灭火方式无法满足迅速、高效的灭火需求[3]。近年来,在部分经济相对发达的省份和地区,110 k V的变电站陆续配备了固定式自动灭火系统,显著提高了消防安全保障能力[4]。随着经济水平的进一步发展,在变电站内主变压器室(区)、开关柜和电缆沟等敏感区域配备合适的自动灭火系统,提高其消防自救能力,将是安徽省内110 k V 变电站消防设施发展的必然趋势。

2.1 主变压器室(区)

2.1.1 户外站110-A1-2方案

户外站110-A1-2主变压器布置在户外,其消防设施的选择须充分考虑天气条件的影响。适合户外主变压器的消防设施主要有水喷雾自动灭火系统、排油注氮自动灭火系统、泡沫喷雾自动灭火系统,其中,排油注氮自动灭火系统由于误动频繁且无法扑灭变压器外部的火灾,目前国内的主变压器逐步淘汰该灭火设施[5]。水喷雾自动灭火系统技术成熟,灭火可靠,有条件的户外变电站可优先选用该类灭火设施[6];但水喷雾系统需水量较大,且消防水池和消防泵房的占地面积较大,对于相对缺水地区(如皖北)或征地较为困难的情况(老旧站改造升级、用地紧张的市区等),水喷雾灭火系统的劣势明显。

荷电泡沫喷雾系统对于变压器的带电火灾有可靠的灭火效果,无需水源,管道、喷头以及设备可产品化成套供应,对于安徽省内缺水地区或消防升级改造的变电站,荷电泡沫喷雾系统是最理想的自动灭火设施。110-A1-2方案主变压器荷电泡沫喷雾自动灭火系统中,站内需增设一座占地约18 m2的一体化泡沫罐室,内含泡沫罐的有效容积为5 500 L;泡沫混合液的供给强度不应小于8 L/(min·m2),泡沫混合液的连续供给时间不应小于15 min。喷头的布置应使泡沫覆盖变压器油箱顶面,且喷头及管道与高压电气设备带电裸露部分的间距不得小于1.0 m。一般,喷头的间距为1.5～2.0 m,具体可根据变压器的安全带电距离适当调整。另外,每个变压器进出线绝缘套管升高座孔口设置单独的喷头保护。主变压器荷电泡沫喷雾灭火系统布置如图1所示。

图1 110 k V 户外站主变压器荷电泡沫喷雾灭火系统布置

2.1.2 户内站110-A2-6方案

户内站110-A2-6 主变压器、电容器、接地变以及蓄电池均布置在室内,不易受自然天气的影响。该类变电站主变压器室的灭火系统选择范围广,如高压细水雾自动灭火系统、气体自动灭火系统、水喷雾自动灭火系统以及荷电泡沫喷雾自动灭火系统均适用于110-A2-6 方案。相对于水喷雾自动灭火系统,高压细水雾自动灭火系统需水量小(低于水喷雾系统用水量的10%),且灭火介质比合成型泡沫更环保,对主变压器不会产生任何损坏[7];同时,相对于气体灭火系统,高压细水雾对人体不会产生缺氧窒息的危险[8]。因而,户内站110-A2-6方案中主变压器室推荐使用高压细水雾自动灭火系统。

高压细水雾自动灭火系统的箱泵一体化设备布置紧凑,可布置于配电装置室屋顶上,不增加变电站用地。高压细水雾自动灭火系统保护区域为变压器主体、油枕和集油坑。其喷雾强度不得小于1.2 L/(min·m2),其持续喷雾时间20 min。主变压器及油池采用K=0.5的开式喷头,q=5 L/min,油枕采用K=1.2 的开式喷头,q=12 L/min。根据主变压器的外形尺寸均应布置喷头,并根据变压器的安全带电距离适当调整,喷头布置间距为1.5～3.0 m。高压细水雾灭火系统平面布置如图2所示。

2.2 开关柜

110 k V 变电站的开关柜主要分布于配电装置室,二次屏柜分布于二次设备室。因空气凝露、局部发热、电线电缆接头不牢等原因,开关柜存在火灾隐患[9]。目前,开关柜和二次屏柜的消防设计常见的有气体自动灭火系统、干粉自动灭火系统和探火管自动灭火系统(CO2)。

图2 110 k V 户内站主变压器高压细水雾灭火系统布置

气体自动灭火系统用于开关柜的灭火时,需要将整个配电装置室作为一个防火保护区,并要求整个保护区内达到设计灭火强度,由于气体蔓延的滞后性,该灭火系统对开关柜内的火灾灭火效果较差,且存在不必要的浪费,故不推荐采用该自动灭火系统[8]。干粉自动灭火系统可直接敷设在开关柜内,可根据各开关柜内的探测结果,自动喷发干粉灭火,但干粉本身对配电装置室内的空气环境有巨大影响,不利于人体健康,故也不推荐采用[10]。

探火管灭火装置采用柔性可弯曲的细管——探火管作为火灾的探测报警部件,同时这种探火管还可以兼作灭火剂的输送及喷放管道[11]。因而,在推荐探火管作为开关柜的灭火装置,该装置可方便地布置(预制)到柜体每一个潜在的着火源的最近处,一旦发生火灾,探火管受热破裂,立即释放灭火剂(二氧化碳)灭火。110 k V变电站内,推荐的开关柜灭火装置为5 kg挂式探火管灭火装置,每套装置可用于5只开关柜的火灾预警及灭火工作。

2.3 电缆沟

变电站的电缆沟均包含一次电缆沟和二次电缆沟。户外站110-A1-2 方案的电缆沟总长度约110 m,户内站110-A2-6 方案电缆沟长度约210 m。目前,适用于电缆沟的常见消防设施有气体灭火系统和超细干粉灭火系统。气体灭火系统的灭火效果好,但电缆沟分布于站内的室内外,布置相对分散,且电缆沟内以防火分隔为单元的防火保护区较多,若全站电缆沟均采用气体灭火系统,则气体管道分布较广,气体的保护防护区较多,整个气体灭火系统将会很庞大,从而导致不必要的浪费。

超细干粉灭火技术是当今最高效的灭火技术,由于灭火时间通常小于5 s,而且对应用场所的密封性无要求,因此非常适用于电缆沟这种全封闭空间;该灭火系统简单、成本低、灭火剂用量小、灭火费用低[12]。因而,在安徽省110 k V 变电站电缆沟内的自动灭火系统推荐采用超细干粉自动灭火系统。在电缆沟每隔2.5 m 及拐弯处,交错布置0.8 kg卧式超细干粉灭火装置1只(见图3)。一旦电缆沟内火灾发生,灭火装置自发启动,喷射干粉,扑灭火灾。该系统无需外部消防报警设备,造价相对较低,且可实现自动灭火,适用于无人值守变电站。

图3 电缆沟中超细干粉灭火系统布置(单位:mm)

3 应用效果分析

自2018年国网安徽省电力有限公司开展变电站消防隐患排查工作以来,预警能力差、误报率高的排油注氮自动灭火装置已逐步被泡沫喷雾、水喷雾、高压细水雾等更为安全、可靠的自动灭火系统所替代,消防设施的运行与管理方式也由手动(远程手动)的方式转为更加适合无人值守智能变电站的自动控制方式,变电站的消防自救能力得到了显著提升。

另外,GB 50229-2019《火力发电厂与变电站设计防火规范》未对110 k V 变电站主变压器的消防设施做出明确要求。随着经济技术水平的进一步提升,各地相关地方标准的颁布及成功运行案例的不断推出,110 k V 变电站在消防方案设计以及老旧变电站消防设施改造等方面将有望向着更规范、安全、合理的方向迈进。

4 结束语

在无人值守条件下,110 k V 变电站内普遍配备的建筑灭火器无法满足迅速、高效、自动的灭火需求。随着经济水平的进一步发展,安徽省内110 k V 变电站配备自动灭火设施是提升变电站消防自救能力的有效措施。随着信息技术及智能变电站的不断发展,未来变电站的消防系统必将向更智能的方向发展。