大型油浸电力变压器固定式灭火系统的选择

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简介： 本文根据油浸式电力变压器灭火技术的新发展，对近几年新开发的几种固定式灭火系统的灭火机理、技术特点及应用范围作了介绍，并与传统的水喷雾和气体灭火系统进行对比，使油浸式电力变压器的消防设计有更多的选择余地,以适应不同的工程情况，节省工程造价。
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　　1   油浸式电力变压器的火灾危险性

　　在电力生产中，发电厂和变电所内设置的大型油浸式变压器作为核心设备之一在运行中一般均较为安全可靠，变压器的总体火灾事故率也一直较低，但在电力生产火灾事故中，特别是在重特大火灾事故中变压器火灾事故占有一定的比例。在1996年对全国发电厂及变电所1970年～1987年间发生的火灾进行案例调查的63起重大事故中，变压器火灾事故共有16起，约占25% ，其中发电厂5起，变电所11起。另据原电力部安环司的有关资料，在1981～1989年间全国火电厂发生的二百多次火灾事故中，变压器火灾占4.4% ，在其中的重、特大火灾事故中，变压器火灾事故占17.8% 。

　　近年来，虽然由于设备制造质量及运行水平的提高，变压器火灾事故不断减少，但在单机60万千瓦的发电厂和50万千伏的开关站中还曾发生过主变烧毁的重大事故。大型电力变压器的火灾不仅会造成重大的直接财产损失甚至人员伤亡，给人民群众生活带来严重影响，大型枢纽变电所的变压器火灾有时还会造成大面积的停电，给工农业生产带来巨大的间接损失，危害极大。

　　通过对多起变压器火灾事故的分析，发现变压器起火爆炸主要是由以下几点情况造成的：

　　(1) 线圈绝缘损坏造成短路，使线圈发热燃烧；

　　(2) 线圈连接处接触不良产生高温，在松动或断开时，产生电弧造成爆炸起火；

　　(3) 套管损坏爆裂起火，套管发生漏水、渗油或长期积满油垢而闪络或套管绝缘层损坏、老化，绝缘击穿引起爆炸起火；

　　(4) 变压器油老化变质引起内络击穿而造成爆炸着火事故。

　　由于油浸式变压器自身的结构特点，其内部存有大量的可燃变压器油,线圈也大多使用纸、布、面纱等作绝缘材料，铁芯则主要由木块、纸板作支架和衬垫，这些都是可燃材料，再加上设备制造和运行中的一些因素，上述几种情况难以彻底避免，变压器起火和爆炸的危险性无法根除。因此，除了提高变压器制造质量及运行水平，减少火灾隐患外，同时还有必要加强和改进对变压器的保护，以防止或减少变压器火灾带来的损失和危害。

　　2 变压器固定式灭火系统的传统型式

　　由于变压器火灾事故的重大危害性，有关国家消防规范明确规定，单台容量在125MVA及以上的独立变电所可燃油油浸电力变压器、单台容量在90MVA及以上的电厂可燃油油浸电力变压器、单台容量在40MVA及以上的厂矿企业可燃油油浸电力变压器、部分附属在民用建筑室内的可燃油油浸电力变压器均应设置固定式灭火系统。

　　目前国内变压器采用的固定式灭火系统最主要的类型有两种，一种是水喷雾灭火系统，主要应用于室外大型变压器。另一种是气体灭火系统，用于室内安装的变压器。

　　2.1  变压器的水喷雾灭火系统

　　目前在发电厂和变电所室外大型变压器消防上均得到了广泛应用。水喷雾灭火系统也是我国应用于变压器消防最早的一种固定式灭火系统，其灭火机理主要是通过高压产生细小的水雾滴直接喷射到正在燃烧的物质表面产生表面冷却、窒息、乳化、稀释等作用，从水雾喷头喷出的雾状水滴，粒径细小，表面积很大，遇火后迅速汽化，带走大量的热量，使燃烧表面温度迅速降到燃点以下，使燃烧体达到冷却目的；当雾状水喷射到燃烧区遇热汽化后，形成比原体积大1700倍的水蒸汽，包围和覆盖在火焰周围，因燃烧体周围的氧浓度降低，使燃烧因缺氧而熄灭；对于不溶于水的可燃液体，雾状水冲击到液体表面并与其混合，形成不燃性的乳状液体层，从而使燃烧中断；对于水溶性液体火灾，由于雾状水能与水溶性液体很好溶合，使可燃烧性浓度降低，降低燃烧速度而熄灭。

　　水喷雾灭火系统的组成与雨淋自动灭火系统相似，主要由水源、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器和水喷雾喷头组成。水喷雾喷头一般可分为中速水喷雾喷头和高速水喷雾喷头。水喷雾灭火系统则应具有自动控制、手动控制和应急控制三种启动方式。水喷雾灭火系统技术较为成熟，灭火效率高，在国内外均有较为广泛的应用；但其系统复杂，不仅包括雨淋阀组、管道及支架、雾化喷头、探测器以及联动控制盘等全套装置，还需要设置水池、水泵、管网等配套消防给水系统，占地大，造价高，日常维护管理也较麻烦。

　　图1   典型的水喷雾灭火系统安装图

　　2.2 气体灭火系统

　　气体灭火系统应用于变压器消防过去主要是在民用建筑的室内变压器上，近年随着城市的发展和城网改造加速，城市室内变电所大量增加，部分更与民用建筑结合建造，为减少火灾危险性，一般其室内主变压器均设置了固定式灭火系统，而且主要是气体灭火系统。气体灭火系统用在室内变压器与用在其它场所其灭火机理相同，根据采用的气体系统的不同既有化学作用，也有物理作用，或者二者兼有；在具体应用技术上也没有特别之处，其灭火方式一般均采用全淹没，组成型式则根据保护区的数量采用组合分配或单元独立系统。

　　至于气体的种类，我国最早的室内变(包括工业和民用)主要采用卤代烷灭火系统。二十世纪八十年代初研究表明，包括卤代烷灭火剂在内的氯氟烃类物质在大气中的排放，将导致对地球大气臭氧层的破坏，危害人类的生存环境，1990年6月在伦敦由57个国家共同签定了蒙特利尔议定书，决定逐步停止生产和逐步限制使用氟里昂、卤代烷灭火剂，我国于1991年6月加入了《蒙特利尔议定书》(修正案)缔约国行列，并将逐年减少卤代烷灭火剂的产量，承诺到2005年停止生产卤代烷1211灭火剂，到2010年停止生产卤代烷1301灭火剂。因此卤代烷灭火剂逐步被淘汰将势在必行，目前我国变电所及民用建筑室内变压器消防上已基本淘汰卤代烷灭火系统，而改用高压二氧化碳气体灭火系统，个别也有采用七氟丙烷(FM200)、惰性气体(IG541)或其它替代卤代烷的新型洁净气体。

　　二氧化碳灭火剂来源广泛、价格低廉、电绝缘性高、灭火性能较好、清洁无污渍，但由于二氧化碳对人体有窒息作用，相对来讲，前些年应用不广泛。在70年代末80年代末我国对二氧化碳全淹没灭火系统和二氧化碳局部应用灭火系统做了一系列灭火试验，并于1993年颁布了二氧化碳灭火系统设计规范，于1999年11月17日由中华人民共和国建设部颁布了已经批准的国家标准《二氧化碳灭火系统设计规范》局部修订条文，并于2000年3月1日起施行。局部修订条文中增加了二氧化碳低压灭火系统有关条文。在这种情况下，二氧化碳灭火系统应用范围已逐步扩大，目前已成为室内变压器消防上采用的最主要的固定式灭火系统。

　　近几年，一些替代卤代烷的新型洁净气体灭火剂不断被引进开发出来。在我国气体灭火技术领域，除二氧化碳灭火系统外，已有越来越多的工程中采用七氟丙烷(FM200)气体灭火系统、惰性(IG541)气体灭火系统、SDE气体灭火系统等。对各种新型的侯选替代卤代烷的气体灭火系统，由于其使用时间不长，至今尚没有设计施工的国家规范，有的只有地方性规程，或正在编制有关地方性规程，有的还鲜为人知，因此其大规模使用在室内变压器消防上还为时尚早。

　　不论采用何种气体灭火剂，由于气体灭火系统灭火迅速，不导电，又没有污损，因此虽然其造价较高，仍然是当前室内变压器消防的首选。

　　3 变压器灭火的几种新方法

　　随着消防技术的发展，近年来，国内又陆续引进或研制了一些各具特色的新型灭火系统，技术上已日臻成熟和完善，在大型变压器消防上也已有了一定程度的应用。本文仅介绍几种已通过国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心检验的可应用于变压器消防上的固定式灭火系统。

　　3.1 排油注氮灭火系统

　　排油注氮灭火系统是九十年代由国外引进并在国内消化研制而成的一种专门针对油浸变压器和其它充油电气设备的灭火装置。系统主要包括火灾探测器、控流阀、消防柜(内设氮瓶及相关附件)、电气控制柜、排油及充氮管路系统等。

　　排油注氮灭火系统的灭火机理是：当变压器因内部故障发生火灾，系统同时接到火灾探测器和瓦斯继电器动作信号后，立即打开快速排油阀，降低变压器油箱油位，减轻油箱本体油压，防止变压器爆炸；同时关闭控流阀，切断油枕向本体供油。经数秒延时，氮气从变压器底部充入本体，并充分搅拌，使油温降至燃点以下而迅速灭火。全部充氮时间在十分钟以上，可使变压器油充分冷却，防止复燃。整个系统结构简单，运行维护方便。系统的动作原理见下图。

　　图2   排油注氮灭火系统的动作原理图

　　3.2 “SP”合成型泡沫喷淋灭火系统 

　　“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统是近年来开发的一种新型灭火系统，其组成类似于高压细水雾(WATER MIST)灭火系统，主要由储液罐、氮瓶、电动阀、减压阀、安全阀、水雾喷头、压力表及管道等组成。该系统通过在水中添加一定比例的“ST”合成型阻燃灭火剂，在一定的压力下通过专用的水雾喷头，雾化后喷射到着火物体上进行灭火。“ST”合成型阻燃灭火剂是集灭A类火、B类火、C类火和阻燃等性能的多功能合成泡沫灭火剂，并具有良好的绝缘性能，稳定性好，具有生物降解性，对环境无污染。系统作用原理是结合水雾灭火和泡沫灭火的特点，借助水雾和泡沫的冷却、窒息、乳化和隔离等综合作用来达到迅速灭火的目的，对A、B、C类及带电火灾均有良好的灭火效果，且不易复燃。系统的启动方式是采用储存在钢瓶内的氮气作为动力源，直接驱动储液罐内的灭火剂混合液，经管道和水雾喷头喷出。

　　由于该系统在水中添加了灭火剂，灭火效果提高，故不需设置庞大的消防水池，同时由于灭火剂以高压氮气作动力源，也不需设消防水泵等装置。整个系统结构简单，布置紧凑，控制容易，维护方便。对户外独立变电所的油浸变压器特别是缺水或寒冷地区的变压器，可采用SP”合成型泡沫喷淋灭火系统取代传统的水喷雾灭火系统。

　　3.3 气溶胶灭火装置

　　气溶胶灭火技术由军工技术发展而来，已有二十多年的历史。所谓气溶胶是由液体或固体微粒悬浮于气体分散介质中形成的一种溶胶，其灭火主要是通过气溶胶灭火剂释放所产生的吸热分解的降温灭火作用、气相的化学抑制作用和固相的化学抑制作用等来实现的，可用于扑灭A、B类及带电火灾。气溶胶相对于其他任何类型的灭火剂有很多优点，它不需要采用耐压容器，因为含能材料本身燃烧时可提供驱动能量，它可以以全淹没的方式灭火，气溶胶灭火颗粒的粒度极小，可以绕过障碍物并在火灾空间有较长的驻留时间，它相对于干粉灭火剂具有更大的灭火效率，可用于相对封闭空间，而且也可用于开放的空间：对于不含有卤代烷成分的气溶胶灭火剂来说，它不会损耗大气臭氧层，在灭火性能上和成本上也比卤代烷灭火剂更占优势。

　　国内热气溶胶灭火技术的研究开发比较早，但由于观念及技术等多方面原因，其推广应用工作没有得到重视。近年来，由于卤代烷灭火剂的逐渐淘汰，作为替代物的一种，气溶胶在国内也得到相应的重视和发展，经过对产品进一步研究改进，在技术上有了新的突破。目前国内使用的气溶胶灭火系统均为成套装置，主要有气溶胶灭火剂药桶、电子引发器、气体发生器和箱体等组成；当启动电流通过电子引发器时，激活气体发生器内的灭火剂，在较短的时间内将灭火剂全部燃烧反应成为N2、CO2等惰性气体为主的气溶胶烟雾。其燃烧反应产生的火焰和温度被气体发生器中的降温材料吸收后再经过过滤从装置的喷口向外喷射气溶胶，扑灭火灾。目前国内应用的气溶胶灭火装置还存在某些不足，如气溶胶释放后有浓烟，能见度差，影响人员逃生，不能应用于经常有人场所；不具备组合分配能力；只适用于较小范围使用，一般每个防护区容积不超过2000m3为宜。

　　作为一种结构简单、价格低廉的高效灭火系统，适用于变配电间、发电机房、电缆夹层、电缆井、电缆沟等无人、相对封闭、空间较小的场所，适用扑救生产、贮存柴油(-35号柴油除外)、重油、润滑油等丙类可燃液体的火灾和可燃固体物质表面火灾。

　　4 几种灭火系统在变压器消防上的比较与选择

　　以上介绍的几种可用于变压器的固定式灭火系统，水喷雾、“SP”合成型泡沫喷淋、排油注氮主要用于室外变；二氧化碳、七氟丙烷(FM200)、惰性气体(IG541)和气溶胶则主要用于室内变，下面分别比较。

　　4.1 室外变压器灭火系统比较与选择

　　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；但其系统复杂，需设置专门的消防给水设施，日常维护管理工作量较大。在独立变电所内，此种情况更为突出。而排油注氮灭火系统是从国外引进的专用于油浸变压器和其它充油电气设备的一种新型灭火系统，该系统在国内已得到国家有关消防部门的认可。相对于水喷雾灭火系统来说，排油注氮灭火系统结构简单，运行维护方便，造价低廉，特别适用合于缺水或严寒地区使用。“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统兼具水喷雾灭火和泡沫灭火的优点，系统设备简单，造价较水喷雾有较大下降，缺水地区也可适用，该系统目前主要应用在变电所室外主变上。

　　为直观起见，现以220KV变电所单台150MVA变压器消防为例，将三种灭火系统的技术经济比较列表如下：

　　表1   三种室外变压器灭火系统技术经济比较表

　　 系统类型　　 水喷雾灭火系统　　 “SP”合成型泡沫　　喷淋灭火系统　　 排油注氮灭火系统　　 占地面积　　 大　　 较小　　 小　　 灭火阶段　　 初期、后期　　 初期、后期　　 初期　　 控火时间　　 24min　　 10min　　 10min　　 运行管理　　 维护工作量大，需定期试验　　 维护工作量较小，需定期更换泡沫　　 维护工作量最小　　 综合造价　　 76万元　　 25万元　　 15万元　　 优   点　　 技术成熟，安全可靠，误报后果小　　 高效、经济、安全、环保，误报后果小　　 小型紧凑，造价低，土建、安装及运行管理工作量小，费用低　　 缺   点　　 配套设施多，占地面积大，投资高　　 需定期更换泡沫，运行管理费用较高　　 只能扑救初期火灾，误报后影响正常运行

　　注： 三种灭火系统均不包括火灾报警及控制系统费用。

　　从表中可以看出，三种灭火系统各有优缺点，水喷雾灭火系统技术成熟，安全可靠，而排油注氮灭火系统和“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统在经济上则比水喷雾灭火系统有较大的优势。

　　大型室外变压器主要分布在电厂和变电所，由于电厂内消防对象较多，为满足全厂消防需要，不论变压器是否采用水喷雾灭火系统，均需设置消防给水系统，因此虽然变压器采用了排油注氮灭火系统，减少了安装和维护工作量，但消防系统的造价并未显著下降，有的反而增加。故电厂的大型主变、厂变、启备变一般宜采用水喷雾灭火系统，当采用其它固定式灭火系统时应进行技术经济比较。而变电所与电厂不同，其主变采用水喷雾消防时需专门设置高压消防给水系统，而当主变采用排油注氮灭火系统或“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统时，所区一般均不再设置高压消防给水系统，平均每台变压器可节省消防投资50～60万元以上，其经济效益非常显著。从节省投资和减少维护工作量出发，在变电所主变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。

　　4.2 室内变压器灭火系统的比较与选择

　　如前所述，室内变压器目前采用的固定式灭火系统仍以气体为主，多数为高压二氧化碳气体灭火系统。气体灭火系统造价昂贵、系统复杂，对设计、安装和维护要求较高。而气溶胶灭火系统在造价、安装、维护、管理等方面优于气体灭火系统。现将几种常用气体灭火系统与气溶胶灭火系统应用于变压器灭火时的性能参数列表对比如下：

　　表2  几种气体灭火系统与气溶胶灭火系统性能参数对照表

　　  名称 性能　　 1301(哈龙)　　 CO2(二氧化碳)　　 FM200(七氟丙烷)　　 IG541(惰性气体)　　 气溶胶　　 对臭氧层的破坏(ODP值)　　 16　　 0　　 0　　 0　　 0　　 温室效应　　(GWP值)　　 58　　 1　　 20.5　　 0　　 ≤0.05　　 毒性　　 NOAEL　　(%V/V)　　 5　　 灭火浓度1/5人感呼吸困难　　 9　　 43　　 灭火浓度的1倍　　无不良反应　　 LOAEL　　(%V/V)　　 7.5　　 灭火浓度的1/2人窒息　　 10.5　　 52　　 灭火浓度的3倍　　无不良反应　　 大气中存活寿命(年)　　 65　　 0　　 31　　 0　　 0　　 灭火方式　　 化学　　 物理　　 化学、物理　　 物理　　 物理、化学　　 设计浓度　　 5%V/V　　 58%V/V　　 8.3%V/V　　 37.5%V/V　　 70(g/m³)　　 贮存压力　　(MPa)　　 2.5～4.2　　 高压15　　低压2.1　　 2.5～4.2　　 15～20　　 常压　　 适用范围　　 有人区域　　 无人区域　　 有人区域　　 有人区域　　 无人区域　　 系统构成　　 有压力容器、阀门、管网　　 无压力容器、阀门、管网等　　 安装维护　　 安装维护工作量大，贮存条件要求高，要求无泄漏 　　 安装维护工作量小，无泄漏　　 系统造价系数(500m³以上)　　 1　　 2.3　　 2.2　　 3.5　　 0.8

　　由上表可知，气溶胶灭火装置灭火效能高，系统简单，价格低廉，无毒无害，对臭氧层无耗损，很少残留物，是很好的哈龙替代物，在无人值守且防护区较少的城市变和一般民用建筑附属的室内变压器消防上完全可以取代气体灭火系统。

　　5   新型灭火系统在变压器消防上的实际应用与前景

　　排油注氮灭火系统和“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统作为新型灭火装置，均已通过国家有关消防部门的检验和认证，并且在国内变压器消防上有了相当数量的应用。我省从90年代中期开始在部分电厂(如马二、铜陵、宿东、安庆热电等)的主变上采用排油注氮灭火系统，并积累了一定的应用经验。由于各方面原因，我省变电所室外主变消防一直采用水喷雾灭火系统。2000年8月，我院在220KV安庆老峰变电所的设计中，在仔细研究、消化吸收相关技术并改进了联动系统后，经技术经济比较，首次在我省变电所主变消防上采用了排油注氮灭火系统方案，并得到了消防部门的审查批准，现在该工程已竣工投产。目前，我院新设计的220KV临泉变、含山变、永青变等均已采用排油注氮灭火系统，同时也在进一步研究“SP”合成型泡沫喷淋灭火系统在变压器消防上的设计应用。

　　气溶胶灭火装置目前在民用建筑以及邮电、通讯等行业应用较广，在电力行业也有少量应用，但与其它灭火系统相比，社会认知度相对较小。随着技术的进一步成熟以及推广力度的加大，气溶胶灭火系统的应用会进一步加强，在室内变压器消防上将会部分替代气体灭火系统的应用。

　　总之，随着国民经济的发展，消防标准的进一步提高。新型固定式灭火系统在变压器消防上的广泛应用，必将带来十分良好的社会效益和经济效益。

　　参考文献

　　1、 公安部消防局：“关于进一步加强哈龙替代品及其替代技术管理的通知”。(公消[2001]217号)

　　2、 国际标准：气体灭火系统—物理性能及系统设计(ISO/CD/14520)。

　　3、 全国建筑给水排水委员会气体消防分会：《中国气体消防技术领域的发展现状和未来瞻望》

　　作者简介：徐波，就职于安徽省电力设计院，主要从事火电厂与变电所给排水及消防设计工作。

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