1、户外大型变压器新型水喷雾灭火系统摘要：大型变压器的消防是人们十分关注的课题，水喷雾灭火系统便应运而生，然而却不尽人意，为此总结了以往的经验和教训，研制了新型智能户外大型变压器水喷雾灭火系统，并介绍了该系统的功能。 关键词：大型变压器 新型智能水喷雾灭火系统 系统功能 1 大型变压器火灾实例1991 年 12 月，北京某 220 kV 变电站的一台 120 MVA 薄绝缘三线圈主变压器由于内部故障起火，因站内没有固定的水喷雾灭火装置和充足的消防水源，在起火十几分钟后 30 余辆消防车陆续赶到，扑救了近 7 h方灭掉了明火，由于没有彻底降温，7 h 后重燃，近 20 辆消防车再次赶来扑救，变压器报
2、废。1997 年 2 月，北京另一座 220 kV 变电站的一台 120 MVA 三线圈主变压器因高压套管爆炸起火，几分钟后消防车赶到，用自带的水灭火，在自带的水即将用完时，站内值班人员手动启动水喷雾装置成功，在消防队员和值班人员的共同努力下，有效地控制了火势并将其扑灭。在此期间，水喷雾系统起到了后援和降温的作用，若仅靠消防车自带的水量很难将火扑灭。同时也可看出，灭火是扑救火灾的关键因素。这台变压器除套管破碎及线圈需烘干外，其它部位没有大的损坏。2 有关规范对主变压器消防的要求2.1 水喷雾灭火系统设计规范(GB5021995)(下称规范)规定：水喷雾灭火系统的响应时间，当用于灭火时不应大于
3、45 s；水雾喷头应布置在变压器的周围，不宜布置在变压器的顶部；保护变压器顶部的水雾不应直接喷向高压套管；水喷雾灭火系统应设有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。水喷雾灭火系统的控制设备应具有下列功能：选择控制方式；重复显示保护对象状态；监控消防水泵启、停状态；监控雨淋阀启、闭状态；监控主、备用电源自动切换。2.2 火力发电厂与变电所设计防火规范(GB5022996)规定：220 kV、330 kV、500 kV 独立变电所，单台容量为 125 MVA 及以上的主变压器应设置水喷雾灭火系统，并应具备定期试喷的条件。3 北京供电局原水喷雾灭火系统状况3.1 北京供电局高压变电站的供水状况北
4、京供电局在 1995 年前建成投运的 220 kV、500 kV 变电站有 20 座，大部分均远离市区或城镇，远离市政自来水管网，其生活和生产水源通常靠站内或附近的专用自备机井提供。北京地区变电站目前采用以下几种供水装置。3.1.1e 使用水塔供水由于变电站常驻人员不多，日常用水量很少，在炎热的夏季水塔内的水质极易发生变化，而在寒冷的冬季水塔内的水容易结冰和冻裂管道。3.1.2 使用变频水泵供水由于变频水泵始终处于调速运转状态，因水中杂质对泵磨损很大，与自来水系统中的变频水泵相比，使用周期短，维护费用高3.1.3 使用自动补气式气压水罐供水这种装置是在 80 年代末期兴起的，系统简单可靠，投资
5、不高且易于管理和维护，系统的水压一般在 0.30.6 MPa 之间可调，非常适合变电站使用3.2 原水喷雾灭火系统的状况上述 20 座变电站中有 13 座变电站为主变压器配置了水喷雾灭火系统。所配置的系统基本上由地下蓄水池(容量在几十至几百立方米)、取水管、消防泵(一主一备)、环状地下消防主管网、手动或电动的水喷雾控制阀门(一台主变配用一只)、变压器水喷雾立管和水平支管及雾化喷头、水泵启动控制和保护装置等组成。消防用水预先由自备机井提到地下蓄水池中储存备用。上述水喷雾灭火系统大都没在管网内预先注水，需由值班人员根据变压器起火的情况，按动当地或远方(主控制室)控制盘上的启动按钮，启动消防泵和打开
6、相应的喷雾主阀门，进行喷雾灭火。这种系统由于在主变压器发出事故报警信号时，要靠值班人员准确地判断主变压器是否起火、并正确地操作有关按钮，很容易发生误操作。另外由于管线长，在发生火灾时空管充水时间大于规程允许的响应时间，此外由于管线内断续供水，管线内壁氧化锈蚀，锈渣被水流冲至喷头处淤塞喷头，影响水雾的形成，特别是当使用手动喷雾控制阀门时，常因阀门锈死而无法操作。这类系统的致命缺陷是系统本身不具备自检功能，必须由专业人员定期检查，但因缺乏专业人员的定期检修维护，故障难以及时发现，在需要时不能正常启动，形同虚设。为满足规范关于灭火响应时间的要求，防止空管注水时间过长，少数系统设置了变频稳压泵或其它供
7、水装置，为管路补水和保压。在主变压器运行时，这种系统因为在管网内有水的情况下，不能检查喷雾主阀门是否能正确打开，也存在着火警时喷雾主阀门拒动的可能性。为了对这种系统定期检查，至少需派两名检修人员到变电站现场，将地下管网中的水泄空后，持无线对讲机进行操作和检测，而在装设了集成电路型保护装置的变电站，保护室内是绝对禁止使用无线对讲机的，这便给检查带来了一定的难度。在使用变频泵给地下管网保压注水时，由于变频稳压泵长期处于工作状态，磨损严重，维修较频繁3.3 雨淋阀灭火系统南方的一些工程中也有不用喷雾电动阀门而采用雨淋阀组的实例。和上述系统相比，此类系统除了将喷雾电动阀门改用雨淋阀(一台主变配用一组)
8、外，其它系统部件大致相同。由于雨淋阀组的需要，在每台主变的上方还增设了通至雨淋阀的传动管及闭式温度探头。传动管内平时充满了有压力的气体或水，籍此顶住雨淋阀的主放水口。当闭式温度探头上的测温玻璃泡遇高温破碎时，传动管内的有压气体或水从探头处泄出，雨淋阀的主放水口打开，同时通过雨淋阀上的电接点启动消防泵，大量的水便从雾化喷头喷向变压器。此类系统可以不靠人的操作而准确地启动整套系统，实施喷雾灭火，但在北方使用时，存在冬季的防冻问题，传动管内只能充气，这样系统的部件将增加许多，且受风或气流的影响，温度探头的灵敏度将会降低。4 新型智能水喷雾灭火系统为了解决以往主变压器水喷雾灭火系统存在的缺陷，有效地控
9、制变压器初起火灾的扑救，降低主变压器火灾造成的损失，从 1995 年下半年起北京供电局开始进行新型水喷雾灭火系统的研制工作。4.1 新系统的功能要求在总结以往水喷雾灭火装置经验的基础上，对新系统提出了整体的设想，新系统应具备以下功能和特点。4.1.1 系统应能实现定期自动巡检功能，以便及时地发现缺陷，提醒专业人员进行处理，使系统处于良好的备用状态。4.1.2 地下主管网必须能够预先注满水，以解决动作反应时间过长和管道因断续供水而锈蚀的问题。4.1.3 系统应能对变压器的温度进行可靠和有效的监测，在火灾发生时能准确地报警。应具有对巡检状态和事故动作状态的记忆能力，供事故后追忆和分析使用4.2 新
10、系统的研制根据上述要求并结合实际工程的进度，组织设计、制造和运行单位的技术人员研制新系统。在研制过程中，抓住控制装置、电动阀门、水雾喷头三个关键部件，进行了技术调研和分析。还组织了调度、保护、变电值班、生技、安监等部门的技术人员对控制装置的动作条件进行了严格的分析和审查。经过努力，新系统已在新建的北京台湖、张仪、大兴三座 220 kV 变电站安装完毕，并成功地在张仪和大兴两站对 4 台 180 MVA 的主变压器进行了试喷检验和自动巡检测试。新的水喷雾灭火系统由以下几部分组成：地下蓄水池；主备消防泵；地下消防主环网；地下消火栓及井；喷雾电动阀门及井；喷雾立管、水平支管和雾化喷头；主变压器测温及
11、数据传送装置；为管道日常补水的单流阀门及电动阀门；管道泄水用的电动阀门；控制盘及电机保护盘；当地及泵房内的启动盘等。控制系统采用了工业可编程控制机作为核心部件，监控全套系统的工作状态。系统的任何异常信号和动作信号均在消防控制盘上用光字牌显示，同时将消防系统异常的信号送至主控制室的中央信号屏上并伴有音响。为了解决地下消防主环网的日常保压补水和系统巡检时的断水问题，系统设置了补水电动阀门，一侧接主环网，另一侧接供应生活用水的气压水罐的出口，并在地下主干管的最高点设置了自动排气阀，以使水能充满管道。在日常情况下，消防主环网内的水压和气压水罐出口的压力基本一致。此时，可以打开地下消火栓井内的水嘴或阀门
12、，喷洒站区内的绿地及道路等。在消防状态下，因管道内压力较高，为了防止消防水进入生活水系统，在补水电动阀门的一侧装设了逆止阀。根据几次变压器火灾的分析，发现在变压器起火燃烧的过程中，首先被破坏和最先见到火光的地方是在高压套管和变压器箱体结合处。为了可靠地监视变压器是否起火，经过多次研究，决定在变压器的瓷套管根部与套管升高座的结合部设置测温铂热电阻，每台变压器设 8 个点，并将实测温度值通过温度变送器送出。控制系统巡回检测这些温度值，发现温度值有跃变(0.13 s)时，自动发出预告信号，当温度值跃变到上限(定为 105 )时，发出报警信号并同时启动消防泵，做好喷雾的准备工作。如果在检测中发现测温电
13、阻有断线故障时，控制系统会自动发出报警信号，并跳过此点继续进行检测。当变压器起火后，为了安全起见，系统应在起火设备确实断电的情况下进行喷雾灭火。为了做到这一点，控制系统必须在检测温度的同时对几种开关量的变化状态进行相应的巡回检测。我们采用以下几种开关量为基准的鉴定手段：最为可靠的是使用主变压器的重瓦斯保护信号和差动保护信号的接点，这两个信号对控制系统触发的逻辑关系是“或” ，为了防止保护正确动作而断路器拒动，引起对带电的事故变压器喷雾，根据后备保护的动作时间和越级动作的最长时间，规定在重瓦斯信号或差动保护信号触发控制系统后延迟 10 s 再打开喷雾电动阀门的作法。当重瓦斯和差动保护装置没有多余
14、的接点供使用时，也可以使用主变压器三侧断路器的辅助常开接点，此时为了防止因断路器机构故障拒分而造成的误判，需要对三侧断路器进行“三选二”的判断，并在判断确认后延迟 10 s 再打开喷雾电动阀门，延迟 10 s 是必须的，给拒分的断路器回路留出保护装置越级动作的时间。为确保水喷雾灭火系统和变压器处于安全可靠的运行状态，消防泵启动和喷雾电动阀门打开必须有严格的逻辑闭锁关系。为了防止在变压器开盖检修时，误碰测温电阻(使测温电阻升温)而引起误喷事故的发生，必须规定变压器在停运时，应事先人工停止装置运行对主变套管处进行温度检测。当检测到某一台变压器的某一点超温时，控制系统自动启动消防泵，但并不立即打开这
15、台变压器的喷雾电动阀门，继续检测这台变压器三侧断路器的状态，只有当这台变压器有关的断路器相继动作跳开后，控制系统才会确认是这台变压器起火，这时再自动打开这台变压器的喷雾电动阀门进行喷雾灭火。如果检测到某一台变压器的某一点超温，又检测到另一台变压器的三侧断路器有动作，因闭锁条件的限制，控制系统不会打开任何一台变压器的喷雾电动阀门进行喷雾，此时仅有消防泵在转动。两台消防泵(一主一备)，能用控制盘上的手柄进行主、备用的切换选择。当主泵由于种种原因启动不起来或流量、压力不够时，水泵出口处的电接点压力表将向控制系统反馈信息，激发控制系统启动备用泵。因压力不够，备用泵投入运行时，主泵并不退出运行。这套水喷
16、雾灭火系统具备自动、手动、应急三种操作状态，通常应置于自动操作状态。在变压器附近和消防泵房内有应急操作箱和手柄或按钮。优先级别从低到高的顺序为：自动、手动、应急。应急操作按钮设在变压器附近的控制箱上，操作时应先按动消防水泵的启动按钮，再按动相应变压器的喷雾电动阀门按钮即可实施喷雾。停止系统工作必须在控制盘上操作。手动操作靠旋动设在消防控制盘和泵房控制箱上的相关控制手柄进行，主要用于检修过程中的试验工作，当然也可用于实施喷雾灭火。系统投入运行后，可能几年甚至几十年不会发挥一次作用，但是一旦出现火情就必须快速可靠地投入到灭火工作中，要做到这一点，关键是使系统始终处于良好的状态，水泵、电动阀门必须运
17、转灵活、开启自如、关闭严密。以前安装的水喷雾灭火装置，常因检修时间过长或漏检，而出现运行障碍。新研制的这套装置具有自动离线检测的功能，在装置投运前，预先设定一个自动巡检的周期，投运后便开始倒计时，待预置时间减到零时，装置自动进入巡检状态。也可以通过人工按动巡检按钮进行强制巡检。在巡检状态下，装置首先自动关闭来自生活供水装置的补水电动阀门，切断补水的水源；然后自动打开主管路的泄水电动阀门，并顺序启停两台消防泵，同时通过水泵出口处的流量计和电接点压力表及泄水阀门处的流量计监视判断消防泵的工作状态；在消防泵正常停止后，延迟710 min，待管路的余水基本自然泄空后，再顺序开关主变压器的喷雾电动阀门，
18、此时由于管路内水量很少，几乎无压力，所以不会有水从雾化喷头流出，也能有效地防止冬季冻裂立管或堵塞出水管的现象。最后关闭泄水电动阀门，打开补水电动阀门向主管路补水，恢复到正常运行状态。在巡检过程中，每一步操作都能自动地进行成功与否的判断，发现问题停止巡检，发出信号，提醒值班人员通知维护检修人员检修。检修时可根据控制盘上的光字牌判断故障点，检修完毕，应按动巡检按钮重新开始强制巡检。正常巡检的全过程约需 15 min。巡检后的补水时间将视生活供水系统的能力决定。为了在补水时能将管内的空气排除，在管路的最高点装设了自动排气阀。为了系统的可靠运行，我们选择了不锈钢为外壳的、聚四氟乙烯为内衬套的电动蝶阀作
19、为喷雾和泄水的主阀门。为了方便检修，在这些电动阀门的部位设置了相应的手动蝶阀。为现场试验安全起见，试验前停运被喷的变压器。为使试验更接近实际状态，采取了如下的模拟措施：将处于分闸状态的三侧断路器的两端隔离开关拉开，手动使断路器合闸，模拟变压器处于运行状态，控制系统开始对主变压器进行温度检测；在当地消防控制箱处，用电阻箱改变停运变压器上任何一只温度变送器的输出端电流，模拟变压器套管处温度越限的状态，这时控制系统开始检测开关是否变位；在保护室内人工动作变压器的主保护，使三侧断路器分闸，模拟变压器事故跳闸的状态。经现场试喷验证：在向温度变送器送入变压器套管根部超温值的相应电流后，系统的控制装置即发出
20、灯光和音响报警信号，并同时启动消防水泵；在人工操动断路器 10 s 后，电动喷雾阀门开始开启；再过约 12 s，阀门全部开启，喷头正常喷雾。经现场自动巡检过程的动作验证：无论是依预定周期开始巡检，还是由人工按动巡检按扭启动巡检程序，巡检过程的各项动作内容均有条不紊地进行，巡检时间约为 15 min。现场的试验结果表明：整套装置动作及时、灵敏、可靠，自动化程度高，灭火喷雾及日常巡检均自动进行，并记录了最后一次的动作时间和状态，能有效地防止火灾的蔓延，还能为事故后的分析提供必要的记录数据。上述水喷雾灭火系统的整体系统及管路的设计，雾化喷头的选择与布置设计均由华北电力设计院、北京供电设计院负责，控制装置和温度采集装置由北京泰辰电子工程技术有限责任公司生产制作。控制软件由北京供电局和北京泰辰电子工程技术有限责任公司联合开发，并由北京泰辰电子工程技术有限责任公司负责编制。附图为这套装置的典型系统示意图
