一种大型电力充油设备高压套管沉浸式灭火系统的研制与应用

国网新疆超高压分公司 闵凯龙 何文武 李 鑫 周 清 刘俊秀 姚高峰

超高压变电站主变压器属于特别大型的充油设备，单相设备绝缘油重量可达上百吨。变压器本体高度一般为5m，而高压套管最高点能够达到15m左右，高压套管充油量在几吨左右。目前，超高压变电站主变压器大型充油设备，一般采用泡沫喷淋系统或水喷雾灭火系统进行消防灭火[1]，但是存在以下几点问题：一是高压套管高度远远超过设备本体高度，处于灭火系统保护范围之外，高压套管是消防灭火的盲区。二是高压套管发生火灾后如果没有被及时扑灭，其火势会波及变压器本体引起本体绝缘油燃烧或爆炸。三是超高压变电站一般修建在无人区，距离消防救援力量较远，大型充油设备火灾后不能及时到场进行救援。四是超高压输变电设备作为超高压电网中及其重要的设备，其火灾对于电网的安全稳定运行和可靠供电有重大影响[2-3]。

1 灭火系统组成

本系统主要由气体灭火装置、冷却水循环装置、液压缸动力装置、事故排油装置和控制装置等部分组成。

气体灭火装置部件主要包括灭火介质进气管、灭火套筒、灭火介质喷头以及套筒连接体等。灭火介质进气管一端安装在液压缸动力装置上，另一端安装在灭火套筒上；灭火套筒连接体固定安装在高压套管底部，其底部设计有可以自动或者手动调节开口大小的油气排泄口；灭火套筒可以像波纹管一样折叠或者拉伸；在灭火套筒顶端安装有多个灭火气体喷头，喷头固定安装在灭火套筒内侧。

冷却水循环装置主要包括冷却水的进水管、水管、取水管等。冷却水的进水管一端安装在液压缸动力装置底部，其另一端安装在灭火套筒上；取水管一端与消防水池连接，另一端与水泵房连接；水泵房通过水泵和制冷压缩装置使水循环和降温；水管呈螺旋状从上至下安装在灭火套筒内壁夹层，水流从灭火套筒顶部进入最后从底部出口流出。

液压缸动力装置主要包括液压缸缸筒、活塞杆、拉筋和底座等。缸筒采用液压式的缸筒，其活塞杆由第一活塞杆、第二活塞杆、第三活塞杆和第四活塞杆组成。

事故排油装置主要包括排油层、排油口、排油管、排气阀、油气储存仓、储油仓、内排油口和外排油口等。排油层位于排气层的下方，排油层上部开口，下部封闭，底部设计为高压套管的排油口；排油管上端和排油口相连接，下端安装在油气储存仓内；油气储存仓上半部分是储气仓，用于容纳灭火介质；排气阀安装在储气仓顶端出气口，可通过自动打开以便控制灭火介质在预定的压力范围内；油气储存仓下半部分是储油仓，其左侧设计有储油仓进油口，进油口的高度在油气储存仓中部水平线以下；进气管从储油仓下部进入；进气口位于储油仓下部中间位置；内排油口位于储油仓下部；外排油口的高度与内排油口高度一致，外排油口直接通过管路与事故油池相连接。

2 灭火系统工作原理

本灭火系统主要通过在灭火套筒内持续喷射灭火介质的方式，来使着火高压套管火灾熄灭。在本灭火系统未动作的情况下，动力装置的液压缸各级活塞杆处于压缩状态，收存在缸筒内。灭火套筒以折叠的状况停留在高压套管底部位置，灭火套筒上部有防雨、防尘部件，灭火系统未动作前，防雨防尘部件可保护灭火套筒免受雨水沙尘侵蚀，灭火系统动作后，防雨防尘部件可以瞬间打开。

当大型充油设备高压套管因故障起火时，本灭火系统可以有效可靠动作，即本系统在设备未发生火灾时能够可靠地保持不动作，在设备发生火灾时能够可靠地立即动作，本系统启动动作的逻辑条件需要同时满足三条，分别是大型充油设备高压侧、中压侧、低压侧三侧断路器跳闸，同时高压套管上两组非同样原理（或两组非同源）的火灾探测器动作。本系统动作条件满足时会收到火灾自动控制装置的控制信号，在消防规范规定的时限内液压缸各级活塞杆升起，灭火套筒随液压缸活塞杆同步升起。

本灭火系统主要针对大型充油设备高压套管的灭火，假设当前高压套管发生火灾，根据现场经验其火势是从下往上的，在着火过程中可能伴随套管破裂而发生大面积漏油的现象。此时灭火套筒从套管底部升起，灭火套筒上安装的喷头会同步开始喷射灭火介质进行灭火，直到灭火套筒在高压套管周围形成相对密闭的灭火空间。在灭火套筒上升到形成有效灭火空间的过程，相当于直接给发生燃烧的高压套管从底部到顶部喷射形成一个由灭火介质包裹的、全方位无遗漏的立体沉浸式灭火空间，在此过程中发生燃烧的高压套管周围助燃物会被灭火介质排开，燃烧中的高压套管表面明火会因瞬间失去助燃物而熄灭，此过程可以扑灭95%以上的火焰。

进一步的灭火套筒向上伸展到位后，气体喷头将持续不间断喷射灭火介质，在较短时间内即会使事故高压套管内部残存暗火、火星等完全熄灭。灭火介质的温度可以调节到一个较低的温度，在某种程度上起到降低火灾范围内可燃物温度，辅助促进燃烧物火焰熄灭的作用。

本灭火系统灭火套筒底部设计有可自动控制或手动控制调节大小的开口，开口的作用是为高压套管火灾扑灭过程中沿燃烧高压套管从上而下喷射的灭火介质预留的泄压出口，一方面可以使灭火空间内从上至下源源不断补充的新的灭火介质有泄压口；高压套管周围包裹的灭火介质具有较好的防止火灾复燃的效果，通过此特殊设计的泄压口可以使其效果更好；另一方面，此泄压口可以有效分流废弃的灭火介质和事故油，事故油进一步流入油气储存仓进行灭火和排放。

进入泄压口的油气混合物一般不会再燃烧，即使遇到最糟糕的情况即进入排气层的事故油还在燃烧，燃烧的事故油可直接从排气孔喷射燃烧，此时通过安装在灭火套筒底部外侧的火灾探头启动相应的灭火系统进行灭火。若高压套管因着火产生绝缘油泄漏问题，绝缘油可以依次通过排泄口和排气层，气体混合物再次通过泄压口直接排放到环境中，事故油则通过排油层的汇集由排油口流进排油管，然后再流进油气储存仓进入中间处理环节。油气储存仓内灭火介质会对其进行第二次灭火，直至火焰熄灭；绝缘油经过两次灭火后，再由储油仓内排油口和外排油口组成的连通结构排放到事故油池。

本灭火系统可以协同使用现有变电站大型充油设备水喷雾灭火系统的水资源，其利用方式是在灭火套筒内部设计内置于灭火套筒夹层的水管，冷却水在此过程中可带走高压套管火灾产生的热量，间接参与灭火，既延长了灭火套筒的使用寿命，又有效促进了火灾的扑救。冷却水循环系统可选择性安装压缩机帮助冷却水降温，以便拥有更好的灭火效果，如图1、图2所示。

图1 灭火套筒灭火效果图

图2 灭火系统各装置效果图

3 灭火系统的功能和价值

本系统最主要的成果和价值就是能够在最短时间内扑灭当前大型充油设备灭火盲区内的初期火灾，能够有效阻止火灾的进一步发展和范围的扩大，直接从根源上解决偏远地区高压套管火灾不易及时扑救的问题。

3.1 创新性

一是独创性的灭火隔离措施。本系统创造性地设计出特殊材质可折叠的灭火套筒，使在高压套管外形成相对密闭的空间进行灭火，且密闭空间内灭火介质从上至下持续贯穿补充，巧妙地利用火灾发展特点和灭火介质灭火效果来设计灭火装备，在消除高压套管灭火盲区的同时也达到了事半功倍的效果。

二是快速可靠的执行机构。本系统在主变压器相关部件灭火中创造性地使用液压缸作为灭火系统执行机构，其结构牢固可靠，响应速度快，减少了灭火设备组装、搬运的过程，精准有效地将套管火灾消灭在其发展壮大之前，且日常维保简单方便，安装后也不影响设备的安全正常运行，在同领域未见相同技术。

三是安全的防火灾蔓延装置。本成果创造性地设计了套管破裂后事故油收集、灭火及排放的装置，最大可能性地减小了燃烧事故油四处流淌引起的火灾事故蔓延扩大。

四是有效的灭火补充措施。本成果创造性地利用循环水从上至下给灭火套筒进行降温，带走部分火灾热量的同时更有效地延长了装置的使用寿命。

3.2 安全性

本成果源于现场运行人员实际工作经验，以及对系统内历次充油设备火灾事故进行的学习和思考，结合电力工作现场实际进行的实践，充分考虑主变压器安全运行及套管灭火盲区、灭火及时性等问题，其安全性满足现场安全运行要求。其次本系统可以缩短变电设备火灾处理时间，一定程度提高了火灾事故处理效率，直接或间接促进了电网运行的稳定性，积极促进了超高压骨干电网安全运行。

3.3 实用性

一是本系统是现阶段消除高压套管灭火盲区比较切实可行的方法；二是其能够在最短时间内扑灭高压套管的初期火灾，防止火灾引起更严重的后果；三是能够有效解决消防救援力量距离远的问题，是现场一种实用的火灾自救方法；四是本系统能够共用一些现有消防设施，例如消防控制系统、消防水池等，其自身成本造价低，生产安装、使用维护简单，方便现场使用。

3.4 可推广性

本系统可推广应用于全国超、特高压变电站、换流站以及部分供电公司、发电企业的大型充油套管，制造成本低廉，备品备件有较大通用性，方便现场调试、应用和后期维护，可减少人身伤亡事件和设备火灾影响程度，推广应用后有利于行业内充油套管火灾救援能力的提升，有良好的社会效益和发展前景。

4 结语

本系统利用简单可靠的结构和装置，能够在高压套管起火的初期阶段将火扑灭，火灾过后只须对高压套管进行拆除和更换，最大限度减少了对设备本体的影响，有效降低了因为连锁反应而烧毁整台变压器或相邻电气设备的风险隐患，直接从源头上减少了意外火灾带来的经济损失。另外，尽早、及时扑灭火灾，能够防止大型充油设备着火后爆炸带来的危害，保障了国家一线生产人员、国家财产安全。