有关变压器水喷雾灭火系统的探讨

摘要：本文对油浸变压器的火灾危险性进行了分析，结合工程实例，总结了水喷雾灭火系统的设计和施工要点，并对实际存在问题提出了解决方案。
关键词：变压器 火灾危险性 水喷雾 灭火 问题及对策
近年来，我国城乡电网日益发展，大中型变电站和发电厂越来越多。变压器作为它们的主要设备，不管容量大小，原理基本相同，都是通过铁心和绕组之间的电磁转换升压或降压，以达到大功率、超高压和远距离输电的目的。有关规范规定，大于一定容量的变压器应设置水喷雾灭火系统。水喷雾在灭火时能起到表面冷却、窒息、乳化和稀释的作用，它可以可靠地扑灭闪点高于60度的液体火灾，且有不造成液体飞溅和电气绝缘度高的特点。相关的《水喷雾灭火系统设计规范》中亦对变压器水喷雾灭火系统的设计作了一系列规定，但笔者在工程中，却发现有些情况无法按规范要求处理，并采取了一系列解决方法，在此提出，以供参考。
一、变压器的火灾危险性分析及保护部位的确定
大容量变压器一般为油浸式，主要由铁心、绕组、油箱、油枕、散热器、高压套管和压力释放阀等组成。变压器油是碳氢化合物，闪点在130度左右，为可燃液体，正常情况下在密闭油箱内部依靠温差自然循环或通过油泵强制循环，以冷却电磁交换过程中铁心和绕组等散发的热量。变压器形式多样，且不规则，不方便作为一个整体处理，因此将变压器的水喷雾保护分为油箱主体、高压套管、油枕、散热器和集油坑五大部分（见附图）。按规范规定，除集油坑的设计喷雾强度采用6l/min•m2外，其余部位均采用20l/min•m2，灭火时间均取0.4h，具体分述如下：
1、油箱主体
油箱主体内部充满变压器油，铁心、绕组等设备以及大量有机可燃物，如纸板、棉纱、布、木材等均浸泡在变压器油中。当变压器内部短路发生电弧闪络，油受热分解气化，箱内压力急剧升高，压力释放阀喷油泄压，此时可能引起爆燃，如泄压不及时，甚至可能发生箱体爆炸。另外雷击、过电压、变压器出线短路以及外界火源等均可引发火灾。一般大型变压器油箱均有一侧要受到散热器的遮挡，喷头配水管可以穿过散热器间的空档，以保护主体。
2、高压套管
高压套管的作用是将变压器油箱中的高、低压绕组引出线从油箱内引出，通过电极分别与高、低压线路相连，是变压器的薄弱环节。引发火灾的原因很多，其中包括制造缺陷、安装不当、损伤、老化以及出线短路和雷击过电压等。它的爆炸喷油起火在变压器的火灾事故中占有最大比例。规范中规定水雾不应直接喷向高压套管，笔者认为水雾包络至少应至套管底部的1/5处，但不应超过1/3。经查阅大量资料，并在湖南省送变电建设公司的组织下做了带电喷雾实验，证明这种设置方式从安全和灭火的角度均是可靠的。
3、散热器
大容量变压器的散热器一般有风扇，以增加散热片的通风量。热油通过散热片中的管网，以达散热目的。此部分的保护也很重要，但应避免水雾直射风扇电机，水雾喷头可沿风扇电机之间的中心线布置。
4、油枕
油枕通过连接管与油箱主体中的变压器油相连，以缓冲油的热胀冷缩和确保油质。油枕一般为规则圆柱体，位置在变压器的顶部，布管时须考虑到喷头和管道离高压带电体的间距。如油枕靠变压器的一侧，处理就比较简单，但现在很多油枕设在变压器的正顶部，两旁均有高压套管，而规范要求油枕应受保护，且管道不宜穿越变压器顶部，二者有一定矛盾。经和多个变压器厂家协商，一致认为紧靠变压器的顶部可以设置配水横管，这样可以通过高压套管的空档解决油枕的保护问题。
5、集油坑
集油坑的保护往往被人忽视，其实以上设备主体火灾一旦发生，任何灭火系统均只能起到灭火和防止火势蔓延的作用，设备修复的可能性较小。当变压器内部压力急剧升高时，变压器的压力释放阀会开启泄压，大量的油气泄入集油坑，集油坑内填满了石头，变压器油通过石头缝隙和集油坑底部管道进入远处集油井。此时集油坑很可能引发火灾，因此集油坑的保护很重要，除应独立设置保护喷头外，建议采用大于12l/min•m2的灭火喷雾强度。
油浸变压器的大量变压器油极易导致火灾扩散并蔓延，停电也可能给社会造成巨大损失，后果严重，有必要设置可靠的消防保护系统。

二、工程实例
本工程是一个220KV变电站，装配有三台的180MVA变压器，露天布置。变压器之间设有防火墙，每台变压器采用独立的雨淋阀组和水雾配管系统。现将本水喷雾灭火系统的设计特点简介如下：
1、喷头、配管及雨淋阀组等的设置
变压器的喷头和配管是变压器水喷雾设计的关键。实验表明，在相同工作压力下，流量规格小的水雾喷头泄露电流小。国内对水雾喷头的电气绝缘性能测定最大只测到了80l/min的喷头，因此喷头型号的选择不宜超过此流量范围。笔者在工程设计中选用了63l/min和80l/min两种规格的喷头，并作了带电喷雾实验，取得良好效果。设计时根据喷雾强度和被保护体的面积可算出喷头数量，然后选择合适的雾化角，确保有效射程，均匀布置即可。我们可以不独立设置保护高压套管的喷头，但应确保水雾能包络到套管的底部，并不应超过套管长度的1/3。喷头跟管道的连接不应直接采用90°弯头，而应采用两个90°弯头加上短管连接（见附图），这样可以在试喷雾时方便地调节水雾方向。
南方空气潮湿，且呈酸性，露天的开式管道容易腐蚀。锈渣使水的电导率增加，也容易堵塞喷头，因此管道的防腐很重要。过滤器后的配水管应采用内外热镀锌管，且用丝扣或法兰连接。为保证配水均匀，我们将变压器的主管设计成DN150的环管，整个环管由八根DN150的管道和四个DN150的弯头用法兰连接。法兰盘与管道以及其它小管与环管的连接只能采用焊接，焊点将破环镀层，并形成电化腐蚀，因此将管道焊接后作了二次热镀处理。配管完成后，变压器被管网包围，由于采用丝扣和法兰连接，并不影响日后变压器和管网的维护。
雨淋阀组是由雨淋阀、手动阀、压力开关、水力警铃、压力表以及配套的通用阀门组成，主要作用是接通或关断水喷雾灭火系统的供水，它可以通过远程电控信号开启，也可以接收传动管信号开启或直接通过手动应急操作阀开启。本工程所采用的雨淋阀组能自动启闭，且具备远程应急阀手动。在雨淋阀组和变压器较远处均设有手动应急阀，完全满足消防和安全的要求。为确保火灾时系统能可靠启动，必须定期试水，我们在雨淋阀的出管上装有试水装置，它也可以兼作泄水阀和排污口用。
考虑变压器的火灾主要是油类和电气火灾，不宜直接喷水灭火，笔者认为有设置消防水泵接合器的必要，以利消防车更有效救援。每台变压器的喷头数量为75个，设计流量达到80l/s，需设置六台消防水泵接合器。设计灭火时间取0.4h，消防水池有效容积应为250m3。其它有关水泵、管网等的设置不再详述。
2、报警及控制
变压器是供电枢纽的心脏，及时的火灾报警能争取到最好的战机，但误报造成的误动作也可能造成无法挽回的严重后果。大容量变压器一般是露天设置或处于大空间的室内，目前国内外常用的探测器有感温电缆、空气管以及闭式喷头等。本工程采用了两路感温电缆：一路为开关量感温电缆，距离变压器表面约5～10mm；另一路为模拟量可重定温感温电缆，紧贴变压器表面布置。油枕、油箱以及输油管路等均缠绕了感温电缆。考虑到高压套管是火灾多发部位，因此在所有套管的根部也绕上一圈的模拟量感温电缆。经以上布置，实现了变压器的全方位保护，可及时感应到变压器表面温升和外部火灾。变压器的灭火启动控制流程附后。
配水管网的接地很重要，我们在管网的两处进行了重复接地，管道的法兰连接部位均采用铜条短接。
三、问题及对策
本工程完工后，我们做了系统联动和水喷雾试验，对部分喷头的角度进行了调整，整个变压器全部被水雾包络，高压套管根部的1/3也在水雾覆盖中，效果良好。但也发现了一些问题。
1、油枕的保护
油枕位于变压器的顶部，实际上也是位于两侧高压套管的中间，在有风的情况下，保护油枕的水雾改变了方向，直射到了高压电极上。最后只得降低了油枕和喷头的保护距离并增加水雾喷头，但油枕还是未能全部被水雾覆盖，因此油枕的保护方式函待探讨，最好在变压器订货时向设备厂家提出要求，将油枕设置在变压器的一侧。
2、仪器仪表的防雾措施
变压器上的仪器仪表均是防水的，但在我们在喷雾时发现水雾能穿过透气孔进入它们的内部。为防不良影响，我们在试喷雾时采用了一定遮挡措施，也可在变压器订货时向设备厂家提出防雾要求。
3、多台变压器交叉灭火和循环灭火方式的解决
本工程有三台变压器，我们只考虑了一台变压器起火的情况，并按此要求对水池容量、水泵等进行设计。当一台变压器的雨淋阀启动灭火时，另外两台变压器的灭火系统必须在此台变压器的雨淋阀关闭后才能启动，而实际中也的确存在交叉火灾和人工误动的情况。因此我们针对本系统雨淋阀能自动启闭的特点，在控制中心增加了远程自动和手动关阀的功能，实现了多台变压器的循环灭火，并且模拟实验成功。由于雨淋阀的自动关闭在瞬间完成，造成了较大的水锤，可在雨淋阀组的前面设置水锤吸纳器。
4、带电喷雾对运行中变压器的影响
一般情况下，水雾系统的自动启动可以设定在变压器跳闸以后，但水雾系统存在自动、手动以及机械应急手动等多种启动形式，因此不能排除变压器在运行状态下喷雾的情况。喷头、管道和带电体的安全距离均满足电业安全规程和相关消防规范的规定，且喷雾时水雾只覆盖到了220KV和110KV套管的根部，因此不会对它们产生不利影响。10KV套管和10KV引出母线铝排的位置较低，喷雾时整个套管和铝排均处在密集的水雾包络中，套管和变压器表面形成了厚厚的水膜。由于消防管道中的水没有流动，腐蚀严重，是否会引起变压器10KV出线的相间闪络呢？带着这个问题，湖南省电力建设开发公司联合省电力中心实验研究所及省电力设计院等单位，做了与变压器现场情况相同的喷雾耐压实验，得出以下结论：
a．正常水质下（导电率157us/cm），试验水压≥0.3MPa，试验电压达35KV，试验均可通过。
b．污秽水质下（导电率444us/cm），试验水压≥0.3MPa，试验电压不能超过20KV。当超过20KV时，变压器和套管表面形成的水膜放电闪络，实验不能通过。
以上实验结果证明，正常运行状态下发生误喷是不会影响安全运行的，不会由于喷雾造成主变跳闸。
5、水喷雾灭火系统的启动方式
上面的实验结果表明，水喷雾系统不一定要等到变压器跳闸后才启动。变压器表面布置有两路不同类型的感温电缆，当一路感温电缆感应到火灾时，将发出报警信号，此时可人工判别火灾并可手动启动灭火系统。当两路感温电缆均感应到火灾时，将自动启动灭火系统。油浸变压器本身带有油温传感器、瓦斯继电器以及压力释放阀等，它们的报警一般较外部探测器要快，在本系统中，这些反馈讯号也可直接启动灭火系统。
四、总结
油浸变压器内部贮有大量的变压器油，以上工程实例中的每台220KV变压器的贮油就达20吨。内部火灾一旦发生，变压器油油温一般已超过闪点，并可能大大超过复燃温度，遇空气即可爆燃，火势极难控制。因此在水喷雾灭火系统的设计和施工中应根据变压器的工艺特点和现场的实际情况，充分考虑各方面因素，做到全方位的火灾探测和水雾覆盖，将火灾消灭在初始阶段。