室外油浸式变压器灭火系统设计研析

倪中华， 徐建楠， 秦丽， 戴梦楠

（军事科学院国防工程研究院， 北京 100036）

大型油浸式变压器作为工矿企业、 电厂和重特大试验厂房等能源动力系统关键部位， 发生火灾后会给生活、 生产和科研试验造成极其严重的后果。虽然变压器火灾事故率低， 但因运行维护不当、 雷击等不确定性因素引起变压器火灾案例时有发生，因此对其灭火系统设计进行深入研究十分必要［1－2］。目前， 此类工程在设计过程中存在采用灭火措施标准不统一； 有漏项、 甩项、 计算不严谨和相关专业配合不到位等情况； 一些设计图纸往往只交待需由专业厂家深化， 或者套用厂家图纸仅满足招标要求深度， 给工程质量带来较大隐患。 本文结合正在承担的某试验厂房设计任务， 重点就规范依据、 系统计算、 自动报警及联动控制， 以及施工图审查时易提问题进行总结， 以供同行参考。

1 设计标准规范

GB 50016—2014《建筑设计防火规范（2018 年版）》［3］规定， 单台容量在40 MV·A 及以上的厂矿企业油浸变压器， 单台容量在90 MV·A 及以上的电厂油浸变压器， 单台容量在125 MV·A 及以上的独立变电站油浸变压器， 应设置自动灭火系统， 并宜采用水喷雾灭火系统。 设置在室内的油浸变压器可采用细水雾灭火系统。 条文说明中解释对于缺水或严寒、 寒冷地区、 无法采用水喷雾灭火系统的电力变压器和设置在室内的电力变压器， 可采用二氧化碳等气体灭火系统和自动喷水－泡沫联用系统、 细水雾灭火系统等。 GB 50229—2019《火力发电厂与变电站设计防火标准》［4］规定： 220、 330、 500 kV 独立变电所， 单台容量为125 MW 及以上的主变压器应设水喷雾灭火系统， 并应具备试喷的条件。 当采用水喷雾灭火系统有困难时， 可采用其他灭火设施。 电力行业标准DL 5027—2015《电力设备典型消防规程》［5］规定： 变电站（换流站）单台容量为125 MV·A 及以上、 火电厂包括燃机电厂单台容量为90 MV·A 及以上、 水电厂室内油浸式主变压器和单台容量12.5 MV·A 以上的厂用变压器应设置固定自动灭火系统。 固定自动灭火系统可采用水喷雾灭火系统、 排油注氮灭火装置和泡沫喷雾灭火装置。

2 室外油浸式变压器现有自动灭火系统

水喷雾灭火系统是室外大型变压器通常采用的一种消防设施， 技术较为成熟， 在国内外均有较为广泛的应用。 智会强等［6］对国内外油浸变压器火灾案例归纳分析， 将变压器火灾分为初期绝缘子根部爆裂火灾、 油箱局部爆裂火灾和油箱整体爆裂火灾3 类模式。 固定灭火系统能够扑救的火灾为绝缘子根部爆裂火灾与变压器油沿油箱外壁流向集油池的变压器油箱局部爆裂火灾， 油箱整体爆裂火灾是各种固定灭火系统无法保护的。 并通过试验发现对于变压器内部和外部未形成良好通风条件的初期火灾， 水喷雾可以有效灭火， 而当多处绝缘子同时爆裂， 内、 外部易形成良好通风条件时， 水喷雾系统可有效控火， 但难以灭火。 汪文超［7］介绍了排油注氮消防系统机理和工作原理， 并就水喷雾灭火系统和排油注氮系统优缺点进行比较， 得出水喷雾方案更为安全、 可靠、 实用、 经济。 当条件不允许， 在征得了消防监督部门同意的前提下， 也可采用排油注氮消防系统。 孙海林［8］从节省投资和减少维护工作量出发， 得出变电所主变压器消防设计上应积极考虑采用排油注氮灭火系统或“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统。 豫电运维〔2019〕58 号要求， 到2020年底国网河南省电力公司在运变电站（换流站）火灾自动报警系统、 变压器固定自动灭火系统配置率达到100%， 并针对电网企业特点， 组织开展高压细水雾在室外环境的应用， 开创了细水雾灭火系统应用于室外油浸式变压器的先河。

3 室外油浸式变压器水喷雾灭火系统设计

根据现行规范和室外油浸式变压器现有固定自动灭火系统对比分析， 结合正在承担的某试验厂房工程项目特点， 室外有多处超过40 MV·A 油浸式变压器， 水消防系统按一处火灾采用区域消防泵站设计。 综合安全稳妥、 后期运维和工程造价等因素， 经专家评审后， 本厂房室外油浸式变压器采用水喷雾灭火系统。

3.1 工程概况

某试验厂房根据工艺要求， 室外设置4 台75 MV·A 油浸式变压器， 贴临厂房南北两侧成对称布置。 变压器主要外形设备尺寸及室外下方油池布置如图1 所示。

图1 室外单台油浸式变压器尺寸Fig. 1 Dimension of single outside oil immersed transformer

3.2 系统设计计算

根据GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》［9］中规定的相关参数， 采用《兆龙电力变压器消防设计计算软件GB》对此变压器水雾喷头进行布置设计（结果如图2 所示）， 确保水雾喷头可以包络变压器任何部位。 变压器水喷雾灭火系统图和计算简图如图3 所示。

图2 室外单台油浸式变压器喷头包络图Fig. 2 Nozzle envelope of outside single oil immersed transformer

图3 室外单台油浸式变压器水喷雾灭火系统图和计算简图Fig. 3 System and calculation diagram of water spray fire extinguishing system for outside single oil immersed transformer

主要设计参数取值见表1， 计算结果显示编号77 的喷头为系统最不利点， 最不利点设计计算压力为350.26 kPa， 系统响应时间为12.06 s， 集油坑采用流量系数为K16 的喷头， 喷雾强度为10.2 L／（min·m2）， 变压器本体和油枕采用流量系数为K42.8 的喷头， 设计喷雾强度分别为25.17 L／（min·m2）和27.22 L／（min·m2）， 符合规范要求。

表1 油浸式变压器设计参数Tab. 1 Design parameters of oil immersed transformer

3.3 自动报警及联动控制

水喷雾灭火系统应采用自动控制、 手动控制和应急操作3 种控制方式。 自动控制涉及到电气专业火灾自动报警和联动控制设计。 李亮［10］建议大型油浸式变压器探测报警设备既要考虑雨、 雪、 烟雾、 温度等气候变化对探测效果的影响， 还要考虑变压器运行时， 向空间辐射电磁干扰等因素， 可在变压器周边增设具有室外抗“日光盲”功能的火焰或视频火灾探测器确认变压器的初起火灾。 因新修订的GB 50219—2014 增加了变压器绝缘子升高座孔口设置喷头要求， 为防止误喷造成不利影响， 本工程采用2 个独立探测器的冗余设置方案。 线型感温火灾探测器采用正弦波方式、 分层次（变压器的上、中、 下3 层）接触式安装于变压器外表面， 视频火灾探测器采用架空安装方式安装在油枕附近。

3.4 其他需要注意的问题

（1） 排油管管径和事故油池容量需校核消防设计流量。 由于火灾情况存在泄油和水喷雾系统同时作用， 事故排油管除需保证排油要求外， 还要充分考虑消防排水量， 经校核事故排油管选用管径为DN 350 mm 的球墨铸铁管， 按5‰坡度坡向事故油池， 事故油池应具备油水分离功能。 本工程事故油池做法如图4 所示。

（2） 水喷雾灭火系统组件和管材选型。 油浸式变压器火灾类型为液体火灾和电气火灾， 水雾喷头应选用离心雾化型； 雨淋报警阀前管道应设置可冲洗的过滤器， 过滤器与雨淋报警阀之间及其后的管道应采用内外热浸镀锌钢管、 不锈钢管或铜管， 考虑到室外防腐和管道连接安装时对镀锌层的破坏，本工程采用316 L 不锈钢管。 同时， 由于规范要求此类火灾的响应时间不大于60 s， 雨淋阀室的位置到变压器最不利喷头距离不宜大于50 m。

图 4 室外事故油池设计详图Fig. 4 Detailed drawing of outside emergency oil pool of the project

4 结论和建议

（1） 结合现行有关标准、 规范， 室外油浸式变压器火灾应优先采用水喷雾灭火系统， 确有困难时经当地消防监督部门及建设主管部门认可的情况下， 可采用其他有效的自动灭火设施。

（2） 为提高初期火灾灭火效率， 水喷雾灭火系统设计时变压器绝缘子根部宜有专门的喷头覆盖。

（3） 由于变压器不规则外形导致局部面积的布水重叠， 基于保护面积和喷水强度得出的流量再乘以一定的安全系数（往往是经验值， 随意性较大）作为系统设计流量在方案与初步设计阶段可行， 施工图阶段还应采用专业消防计算软件确定系统设计流量和压力。

（4） 火灾自动报警系统和联动控制要与电气专业充分沟通， 结合项目所在地环境特点综合考虑，确保系统设置科学有效。 为防止误喷造成不利影响， 建议火灾自动报警系统采用2 个独立探测器的冗余设置方案。

（5） 变压器水喷雾管道安装完毕后， 要做包络试验。