变电站钢结构防火性能化设计与关键技术应用

王晓湧

摘    要：随着我国经济的发展，基础设施建设速度也大大增加。电力系统作为支持城市运转的重要基础设施，其安全稳定性不仅关系自身的发展和运营，同时也具有非常广泛的社会意义。随着近年来钢结构建筑技术的成熟，被广泛的应用在变电站建设中。由于变电站火灾发生风险较高，钢结构在火灾抵抗能力上略有不足，因此，变电站钢结构防火性能化设计成为了人们研究的重要课题。本文通过对变电站火灾类型及防火特点分析，说明变电站火灾对钢结构的影响。分析变电站钢结构在火灾作用下发生破坏的特征，从而为钢结构防火设计提供参考。通过采取相应的设计措施提高变电站钢结构防火能力，为变电站钢结构防火性能化设计提供支持。

关键词：变电站;钢结构;防火性能化;设计;关键技术

1  前言

变电站是城市供电的枢纽，一旦发生故障就会给城市运行造成巨大的影响。由于变电站电气设备和线缆较多，如果防火性能不够，极易发生火灾风险。当前，大多数变电站采用钢结构建筑，在高温作用下，钢结构会发生破坏，引发更为严重的事故。导致变电站无法正常工作，带来经济损失的同时，影响电力系统的正常运行。因此，变电站钢结构需要具备较高的防火性能，能够抵抗一定的火灾和高温侵蚀，为社会发展提供稳定的能源供应。

2  变电站火灾类型及特点分析

2.1  火灾类型及发生原因分析

（1）变电站线缆发生火灾。在变战中存在大量的线缆，一些线缆由于服役时间过长，早期线缆防火技术不完善，就会导致变电站线缆发生火灾。通常情况下，变电站的线缆位于线缆管沟中，一旦发生火灾就会引燃其他线缆，造成火势蔓延，而且由于部分线缆隐蔽在地下或者保护装置中，失火后难以进行有效控制。其中大部分变电站线缆都处于运行状态，电缆发生火灾后在电流作用下会迅速蔓延扩大，产生其他的起火点，帶来更加难以控制的火情。

（2）变电站电气设备发生火灾变电站中的电气设备也是火灾风险发生率较高的部位。由于变电站电气设备非常精密，随着使用时间的增加，设备就会老化，在工作中可能发生故障。一旦电气设备发生故障，可能出现短路打火的情形，如果没有及时发现并且处理，非常容易引发火灾。当出现一个着火点后，就会对变电站电力系统整体的平衡性造成影响。电压电流的剧烈变化会导致其他设备损坏，产生火灾或者其他事故。由于大部分电气设备带有高压，因此火灾发生后难以有效控制，严重威胁电力系统的安全。

2.2  变电站火灾特点

（1）危害大。变电站发生火灾事故最大的特点就是危害大，由于变电站存在大量的电力线路和设备，这些仪器设备往往价值非常高，发生火灾事故之后，必然会给电力设备造成严重的损坏，带来巨大的经济损失。而且变电站发生火灾后，对城市的电力供应就会中断，电能作为驱动城市运行的重要基础能源，这种情况下城市断电区域就会无法正常运行，产生的间接经济损失将会更加庞大。因此，变电站必须要做好火灾防控，避免火灾事故的发生。

（2）风险高。常规火灾发生后产生的高温和浓烟会威胁人们的生命安全。变电站发生火灾后，其风险程度会成倍增加。不仅会产生高温和浓烟，变电站中一些电力材料在高温作用下会发生化学反应，生产有毒优化物质，带来更加严重的威胁。而且变电站设备和线缆中存在着高压电流，在火灾发生后，线路暴露出来，常规的灭火方式不能有效阻止火灾蔓延，其中存在的高压电流还会时刻威胁人们的生命安全。所以，高风险是变电站火灾的显著特点。

（3）影响大。变电站发生火灾后会造成巨大的影响。首先，变电站作为城市供电的枢纽，火灾发生后城市一些区域会发生断电，给城市运转带来影响。而且变电站火灾造成设备损坏，损坏设备的维修恢复难度大，长期电力供应中断就会造成城市运转瘫痪，给民众造成恐慌，甚至产生一些不良言论。其次，变电站发生火灾后，会导致城市供电网络运行受到干扰，造成城市用电设备的损坏，这些设备的损坏不仅会造成经济损失，也会影响人们对电力企业的信任，造成的损失难以估量。

3  变电站钢结构防火性能化设计的必要性分析

钢结构是当前大空间建筑中常用的结构形式，不仅具有较高的稳定性和强度，同时还能提供非常巨大的室内空间，相较钢筋混凝土结构的建筑，在工厂厂房、体育场馆等需要较大室内空间的设施中应用非常广泛。变电站由于大型电器设备较多，所以多会采用钢结构建筑形式。虽然钢结构建筑优点众多，但是钢结构建筑存在一个较大的缺点，钢结构的高温稳定性不足，抗火性能差。钢材受热之后会发生膨胀，而且高温会导致钢材屈服，使钢结构稳定向下降。不仅如此，钢材的导热性能非常好，热量会在钢结构体系中传递，影响结构整体承载能力，最终发生破坏，造成严重的事故。通过实验表明，钢结构在400度左右的强度只有常温下的一半左右，当温度达到600度之后，钢材的强度和刚度基本完全丧失。变电站发生火灾后，其温度远远高于这个数值，对于钢结构建筑的稳定性威胁巨大。

3.1  钢结构防火设计存在缺陷

变电站钢结构防火设计存在一定的缺陷。通常状况下发生火灾后延缓建筑倒塌速度，为疏散争取时间是建筑设计的关键内容。但是在钢结构设计中，其防火等级是根据建筑类型确定的，通过耐火等级来选择耐火极限符合要求的钢结构设计形式。但是我国建筑工程发展迅猛，尤其是钢结构建筑推广普及非常迅速，规范所划定的钢结构耐火性能和指标已经无法适应当前建筑的防火需求。尤其是在变电站中，作为电力的枢纽机构，对于各方面的要求都非常高，按照钢结构耐火规范设计的变电站建筑在防火上具有较大的弊端，加之变电站火灾防控难度较大，一旦发生火灾难以满足实际需要。因此变电站钢结构防火性能化设计非常重要。

3.2 钢结构防火性能化设计优势明显

钢结构防火性能化设计具有非常明显的优势。防火性能化设计的目的就在于提高变电站钢结构建筑的耐火等级，使其发生火灾后具备更好的抵抗能力，能够长时间在高温和电流破坏下保持结构稳定。因此，通过防火性能化设计能够使变电站钢结构建筑更加安全，给火灾的处理争取更多的时间。由此可见，变电站钢结构防火能力的提高能够间接降低变电站火灾的损失，对于变电站火灾后的维修重建工作有着非常巨大的作用。

4  钢结构防火设计方向及火灾下发生破坏分析

4.1  钢结构防火设计方向分析

钢结构防火性能设计主要是通过对钢结构建筑的结构优化和施工工艺改进，提高钢结构构件的高温稳定性，从而降低钢结构建筑在火灾中的损坏程度，使其在火灾中能够坚持更久的时间，为火灾的处理和人员的疏散争取更多的时间。从钢结构高温变化的特征来看，钢结构防火设计可以从以下两个方面入手。其一，隔绝高温与钢结构的接触，从而使其在火灾中坚持更久的时间。其二，降低温度在钢结构中的传到速度，防止温度传递造成钢结构整体稳定性降低。通过提高钢结构防火性能，能够为钢结构建筑开拓更大的应用空间。

4.2  钢结构火灾下发生破坏分析

钢结构在高温下稳定性会急剧衰减，然后发生破坏。根据钢结构设计形式的不同，其发生破坏的特征也会存在一定的区别，通过对其破坏情况的分析，能够为钢结构防火性能的优化提供参考，使其具备更好的耐火性，从而在变电站发生火灾时具备更加稳定的性能，为火灾的处理和后期的恢复创造有利环境。

（1）门式刚架结构火灾下的破坏。在钢结构建筑中，门架式钢结构属于应用广泛的典型平面结构形式之一。这种结构类型在变电站建筑中应用也非常多。所以在发生火灾时，研究门架式钢结构破坏的特征具有非常大的实际意义。以结构形式最简单的单层门架式钢结构为例，在火灾高温的作用下，门架式钢结构钢架梁连接点竖向位移值变化呈现出先大后小在剧烈增加的情况，造成这一情况的原因是由于钢结构在高温作用下发生膨胀，随着温度逐渐升高，当达到一定程度时，钢结构呈现出屈服的特点，导致钢结构的塑性增加，发生较大的变形，而且温度在钢材中传导造成钢材屈服部位扩大，变形更加剧烈。最终导致结构整体受力发生变化造成破坏。

（2）预应力柔性结构火灾下的破坏模式。预应力结构与普通的刚性连接结构不同，预应力柔性结构的刚度主要依靠预应力钢索提供。此结构在正常使用状态下，能够为钢结构的提供更好的稳定性，受力由预应力索承担能够改变钢结构受力形式，使钢结构能够承受不同情况下的荷载。以索网结构为例，在不同荷载作用下，预应力索受到的力也是不同的，受力的钢索会绷紧，而不受力的会松弛。当火灾发生后，钢索在高温的影响下会与产生与钢材同样的变化，先是膨胀，然后屈服。由于钢索主要承受拉力，所以会造成钢索松弛失去应有的工作性能，造成钢结构失稳。当温度达到一定程度后，钢结构钢材与钢索都失去强度，建筑就会彻底被破坏。

5  变电站钢结构防火性能化设计关键技术

能否增加再增加1点？关键技术只有2点好像有点奇怪，比如说：针对电气火灾特点制定防火分区，区别传统型水喷雾或喷淋设施。使用无水基灭火装置等等。

5.1  应用防火涂料

当前，变电站钢结构防火性能化设计的主要技术形式就是采用防火涂料对钢结构进行防火处理。防火涂料涂刷在钢结构的表面后，其在高温的作用下会发泡。膨胀发泡之后的防火涂料会形成结构密实耐高温的海绵状结构，内部产生空心泡沫层将热量隔离。这种结构能够有效降低钢结构对温度的吸收，而且随着火势蔓延，其他区域的防火涂料也会随之发泡，形成全方位的防护。根据防火涂料喷涂厚度可以分为不同的防火等级。而且防火涂料本身也分为高温膨胀和高温不膨胀两类，从其效果上看，膨胀的防火涂料性能要更好一些。

5.2  增加构件尺寸

增加钢结构建筑的截面尺寸能够有效提高其耐火能力。钢结构截面尺寸越大，其耐火能力就越好。而且在钢结构建筑设计过程中，可以根据钢结构的受力形式，对其受力较大的节点进行强化设计，通过涂抹保护层、耐火材料和防火板材包裹等形式，提高关键节点的耐火能力，使钢结构能够具备更好的高温稳定性，为变电站发生火灾时争取更加充裕的时间。

5.3  防火分区设置

变电站火灾发生后风险远超常规火灾，不仅存在高温和有害气体，高压电对于火灾的抢救工作造成了巨大的障碍，常规灭火方式不仅效果不佳，而且可能威胁人们的生命安全。所以在变电站钢结构建筑中，需要针对其使用功能设计针对性的防火措施。根据高压线路和设备功能和结构设置为单独防火分区，灭火方式采用无水基灭火，能够避免短路和水侵蚀造成设备二次损坏。防火分区之间设置相应的防火隔离带，能够有效减缓火灾蔓延速度，为火灾的施救争取时间，降低损失。

6  结束语

综上所述，变电站作为电力系统的重要枢纽，必须具备极高的防火性能。钢结构作为变电站中应用较为广泛的建筑形式，高温稳定性差是非常严重的缺陷。为了提高变电站钢结构建筑的耐火性能，防火性能化设计非常必要。通过对火灾特点、钢结构高温破坏形式和钢结构防火性能提升设计的探讨，能够为钢结构防火性能化设计提供参考，促进其防火技术的发展进步。

参考文献：

[1] 潘亦澄.我國建筑防火性能化设计的研究和应用现状[J].建筑工程技术与设计，2018（8）：841.

[2] 袁生琦.浅谈钢结构防火设计方法的发展[J].现代物业（中旬刊），2018（5）：82.