某220kV半户内变电站消防设计浅析

裴 超，郑建南，黄利波

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌330096）

0 前言

近年来，随着我们国家经济的不断发展，大量的变电站也陆续建成并投入运行。变电站作为重要的电力设施，其安全运行直接关系着我们的国计民生。可靠的变电站消防系统是变电站安全生产的重要保证，在进行变电站消防设计时应遵照“预防为主、防消结合”的方针，针对其火灾特点，从全局出发，统筹兼顾，做到安全适用、技术先进、经济合理。为了进一步提升变电站的消防安全，国家颁布了新的消防设计标准，即《火力发电厂与变电站设计防火标准》（GB50229—2019）和《建筑设计防火规范》（2018年版）（GB50016—2014），提高了变电站的消防设计要求。本文依据新的规程规范要求，从站区建（构）筑物防火、站区总平面布置、主变水消防系统、火灾报警系统、消防供电、电缆防火等方面对某220kV半户内变电站消防设计方案进行了论述分析，可为类似变电站的消防设计提供一定的参考。

1 工程概述

该工程站址位于某经济开发区内，用地面积为84.80m×81.50m，具体工程规模如表1所示，根据工程规模及用地条件，本工程设计成半户内变电站，站区设置两栋配电综合楼，即220kV配电综合楼和110kV配电综合楼。根据电气专业布置要求，220kV配电综合楼布置在站区的西北侧，220kV朝西北出线。110kV配电综合楼布置在站区的东南侧，110kV朝东南出线，两栋综合配电楼之间设置3台主变。进站道路位于站区东侧，站区道路为环形布置，并与进站道路相连接，供大件设备运输并兼消防通道。整个站区功能分区明确，布置紧凑。

表1 工程规模

220kV配电综合楼为地上两层框架结构，建筑总面积为1772m2，建筑总体积为11375m3。平面呈“一”字形南北朝向布局，长为60.60m，宽为18.00m，一层电容器室层高为4.80m，二层220kVGIS室层高为9.30m。一层布置有电容器室、电缆通道、消防水泵房、雨淋阀间，二层布置有220kVGIS室。

110kV配电综合楼为三层框架结构，地下一层，地上二层，建筑总面积为2028m2，建筑总体积为9383m3。平面呈“一”字形南北朝向布局，长为58.30m，宽为11.30m。地下一层电缆层层高为3.0m；地上一层层高为4.8m，主要房间有：10kV开关室、电抗器室、电缆通道、蓄电池室、门厅、安全工具间、警卫室、卫生间、楼梯间；二层110kVGIS室层高为8.70m，二层其余房间层高为4.50m，主要房间有：二次设备室、资料室、会议室。

2 站区建（构）筑物

2.1 建（构）筑物火灾危险性分类及耐火等级

本工程包含的建（构）筑物有：220kV配电综合楼、110kV配电综合楼、事故油池、主变等，各建（构）筑物火灾危险性分类及耐火等级见表2所示。

表2 建（构）筑物火灾危险性分类及耐火等级

同一建筑物或建筑物的任一防火分区布置有不同火灾危险性的房间时，建筑物或防火分区内的火灾危险性类别应按火灾危险性较大的部分确定。在本工程中，220kV配电综合楼火灾危险性为丙类，110kV配电综合楼火灾危险性均为丁类，防火等级为二级。

2.2 建（构）筑物及设备的防火间距

在进行站区平面布置时，需要考虑站区建（构）筑物之间的防火间距要求，当不满足要求时需考虑设置防火墙，本工程各建（构）筑物之间的防火间距如表3所示。

表3 建（构）筑物及设备之间的防火间距要求m

2.3 建（构）筑物的安全疏散和建筑构造

220kV配电综合楼长度为60.60m，宽度为18m，包括电容器室、消防水泵房、雨淋阀间、电缆通道、220kVGIS室等房间，其中电容器室、220kVGIS室房间建筑面积超过250m2，因此考虑在该两房间两端各设置1个疏散门，同时满足室内任何一点到疏散门的直线距离小于30m。对于消防水泵房、雨淋阀间、电缆通道，面积均小于250m2，均考虑设置1个直通室外的安全出口。

110kV配电综合楼长度为58.30m，宽度为11.30m。110kV配电综合楼为三层框架结构，半地下一层，地上二层。半地下层为电缆层，电缆层建筑面积为675m2，超过250m2，因此考虑在电缆层两端各设置1个疏散门，同时满足电缆层室内任何一点到疏散门的直线距离小于30m，考虑到电缆层的建筑面积小于1000m2，依据文献[1]中11.2.6条，可以不设置防火分区。在本工程中，地下室与地上层共用楼梯间，为了满足防火要求，考虑在地上首层采用耐火极限不低于2h的不燃烧隔墙和乙级防火门进行分隔，并设置了消防标志。110kV配电综合楼地上部分包含的房间有10kV开关室、电抗器室、电缆通道、蓄电池室、门厅、安全工具间、警卫室、卫生间、楼梯间、110kVGIS室、二次设备室、资料室、会议室等，其中10kV开关室、110kVGIS室房间建筑超过250m2，因此考虑在该两房间两端各设置1个疏散门，同时满足室内任何一点到疏散门的直线距离小于30m；其余房间建筑面积均小于250m2，均考虑设置1个直通走廊的安全出口，出口设置为乙级防火门，向走廊方向开启。

在建筑物构造上，依据文献[1]中11.2.1条可知，当建筑物与油浸变压器或可燃介质电容器等电气设备间距小于5m时，在设备外轮廓投影范围外侧各3m内的建筑物外墙上不应设置门、窗、洞口和通风孔，且该区域外墙应为防火墙，当设备高于建筑物时，防火墙应高于该设备的高度；当建筑物墙外5~10m范围内布置有变压器或可燃介质电容器等电气设备时，在上述外墙上可设置甲级防火门，设备高度以上可设防火窗，其耐火极限不应小于0.90h。当工艺需要油浸变压器等电气设备有电气套管穿越防火墙时，防火墙上的电缆孔洞应采用耐火极限为3.00h的电缆防火封堵材料或防火封堵组件进行封堵。在本工程中，由于场地尺寸的限值，110kV配电综合楼与主变设备的间距不能满足防火距离，考虑与主变相邻的墙体设置为防火墙，不开设门窗洞，对于该处的10kV穿墙套管，考虑用耐火极限为3.00h的防火封堵材料进行密封。在室内装修上，除卫生间采用铝扣板吊顶、墙面采用瓷砖墙面做法外，两栋配电综合楼的其余房间顶棚均考虑涂料顶棚、墙面采用涂料墙面，耐火等级为A级，蓄电池室考虑耐酸性。

3 站区总平面布置

根据电气专业布置、站区用地尺寸及站区建（构）筑物之间的防火间距要求，本工程的220kV配电综合楼布置在站区的西北侧，110kV配电综合楼布置在站区的东南侧，两栋综合配电楼之间设置3台主变。220kV配电综合楼与110kV配电综合楼、主变的间距均大于10m，满足防火间距要求；事故油池与220kV配电综合楼、110kV配电综合楼及主变的间距均大于5m，满足防火间距要求；110kV配电综合楼与主变的间距小于5m，考虑将110kV配电综合楼临近主变侧的墙体设计为防火墙，不开设门窗洞；主变设备之间的距离小于10m，考虑主变之间设置防火墙。进站道路位于站区东侧，站区设有4m宽的环形消防道路，消防道路距离建筑物外墙边缘均大于5m，消防道路转弯半径均为9m，并与进站道路相连接，满足消防车通行的要求。

4 主变压器消防系统

主变压器中含有大量的绝缘材料和变压器油。变压器中的绝缘材料都是可燃性物质，主要包括电缆纸、黄漆布带以及电工绝缘纸板、绝缘筒等。变压器油是变压器的绝缘和冷却用介质，是用石油加工成的油制品。在高温或电弧作用下，变压器油会分解出大量轻质的碳氢化合物，如瓦斯、氢气等易燃性气体。这些易燃气体与空气混合，达到一定浓度时，形成爆炸性气体，遇高温就会发生爆炸，因此变压器油是变压器火灾爆炸事故的根源，其消防是变电站消防的重要部分。

220kV主变压器的油量约为65t，需考虑设置油坑及事故油池。油坑容积按设备油量的20%设计，油坑尺寸大于设备外廓每边各1m，并能将事故油排至总事故贮油池。总事故贮油池的容量应按其接入的油量最大的一台设备按100%油量确定，并设油水分离装置。在本工程中，设计了13.00m×10.40m的油坑，油坑内铺设了500mm厚φ50~φ80的干净卵石，事故油池体积按主变100%油量确定，即75m3。

依据文献[1]中11.5.4条可知，对于单台容量为125MVA及以上的油浸变压器、200Mvar及以上的油浸电抗器应设置水喷雾灭火系统或其他固定式灭火装置。本工程主变容量为240MVA，需考虑设置固定式灭火装置。因站区建筑物需要设置水消防，故本工程考虑采用水喷雾灭火系统，具体论述详见下文第5节。

5 站区水消防系统

变电站的规划和设计，应同时设计消防给水系统[3]。当变电站内建筑物满足耐火等级不低于二级，体积不超过3000m3，且火灾危险性为戊类时，可不设置水消防。本工程中220kV配电综合楼为丙类、110kV配电综合楼火灾危险性均为丁类，耐火等级均为二级，体积均超过3000m3，故需设置水消防系统。另考虑到变压器主变容量大于125MVA，主变消防需采用固定式灭火装置，为了与建筑水消防统一，故选用水喷雾消防系统。

5.1 站区建筑物水消防系统

站区建筑物水消防系统包括室外消火栓系统和室内消火栓系统，因站区周边无市政消防管网，但有市政自来水管网，建筑物的室内外消防用水均由消防水池提供，其消防用水量如表4所示。

表4 站区建筑物消防用水

站区建筑物室外消火栓系统布置成环形管网，采用DN200镀锌钢管，在站区四周均匀布置4个室外消火栓，环形消防管网与消防水泵出水管相接。每栋建筑物的室内消火栓系统均通过两路管网与室外环形管网连接，管径采用DN100，室内消火栓系统亦形成环形且每层均设置2个室内消火栓，另每栋建筑室外附近各设置2个水泵接合器，保证消防用水可靠。

5.2 主变水消防系统

水喷雾灭火系统是变压器中广泛使用的一种灭火系统，主要由水源、消防泵、供水管道、雨淋阀组、过滤器和水雾喷头等部分组成。水喷雾灭火系统的开启和关闭由雨淋阀控制。雨淋阀是一种消防专用的水力快开阀，能够满足水喷雾灭火系统的自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式的要求。除雨淋阀外，阀组尚要求配套设置压力表，水力警铃和压力开关，水流控制阀和检查阀等，以满足检查水喷雾灭火系统的供水压力，显示雨淋阀启闭状态和便于维护检查等要求。启动水喷雾灭火系统，可以通过自动、手动或者是应急控制三种方式。水喷雾灭火系统的正常运行，需要依靠高压水与变压器周围的雾化喷头。高压水经过雾化喷头变成雾状的水流再喷射出来，而水粒平均粒径保持在0.1～0.7mm的雾状水流将会直接喷射到变压器的外表面上，可迅速使变压器主体表面冷却降温，另一方面使燃烧物和空气隔绝，产生窒息环境而起到灭火作用。喷出的水雾能吸收热量，尤其是一部分水滴雾化为水蒸汽，更能吸收大量的汽化热，起到迅速降温的作用。另外，水雾在受保护的变压器四周形成包络火焰的水蒸汽，隔绝了空气，对火灾起到窒息作用，同时也隔离了火焰的辐射热，限制了火灾向外蔓延的势头。

水喷雾消防用水量依据文献[4]确定，油浸式电力变压器的设计喷雾强度为20L/（min·m2），持续喷雾时间为0.4h；油浸式电力变压器的集油坑的设计喷雾强度为6L/（min·m2），持续喷雾时间为0.4h；电缆的设计喷雾强度为13L/（min·m2），持续喷雾时间为0.4h。采用水喷雾灭火系统的保护对象，其保护面积应按其外表面面积确定。当保护对象外形不规则时，应按包容保护对象的最小规则形体的外表面面积确定；变压器的保护面积除应按扣除底面面积以外的变压器外表面面积确定外，尚应包括油枕、冷却器的外表面面积和集油坑的投影面积；分层敷设的电缆的保护面积应按整体包容的最小规则形体的外表面面积确定。具体计算结果如表5所示。

表5 主变消防用水量

5.3 消防水池设计

在确定变电站最大消防用水量时，按火灾时一次最大室内和室外消防用水量之和计算，本工程中建筑物最大室外消防用水和室内消防用水之和为486m3，主变最大消防用水量为293m3，考虑到变电站同一时间的火灾次数为一次，因而消防用水量按486m3考虑，本站需设计有效容积为486m3的消防水池。考虑到站区用地尺寸限值，消防水池设置在220kV配电综合楼架空平台下部，尺寸为36×6×2.5m，其剖面图见图1。消防水池的进水管根据有效容积和补水时间确定，补水时间不宜大于48h，因此本工程进水管直径选为DN150。

图1 消防水池剖面图

消防水池应设置就地水位显示装置，并应在消防控制中心或值班室等地点设置显示消防水池水位的装置，同时应设置最高和最低报警水位。本工程消防水池设置了液位仪，液位仪监控的水位包括最高水位、最低水位、溢流水位、停泵水位、开阀水位、关阀水位等，液位仪传递的各项信号可以与主控室的监控设备相连，对消防水池水位进行实时监控。

5.4 消防水泵及配套设备的选择

本工程采用水消防系统，构成全站水消防系统的设备包括消防水泵、稳压泵、稳压罐、室外消火栓、室内消火栓、雨淋阀组、水喷雾喷头等，其中消防水泵、稳压泵、雨淋阀组均考虑一用一备。

在消防水泵设备选择上，需要确定的主要技术参数为流量、扬程及功率。根据表4和表5可知，消防水泵最大流量为143L/s。在确定消防水泵的扬程时，需综合考虑消防水泵的位置标高、消防用水最高点标高、出水口管口压力以及管道水头损失等因素，本工程选用的水泵扬程为70m。依据最大流量、水泵扬程及厂家参数可以确定消防水泵的功率为135kW。

在选择稳压泵时，其设计流量宜为消防给水系统设计流量的1%～3%，启泵压力与消防泵自动启泵的压力差宜为0.02MPa，稳压泵的启泵压力与停泵压力之差不应小于0.05MPa。本工程选择的稳压泵设计流量为3L/s，设计扬程为85m，功率为15kW。

在选择稳压罐时，稳压罐的调节容积按稳压泵启泵次数不大于15次/后计算确定，稳压罐的最低工作压力应满足任意最不利点的消防设施的压力要求。本工程选择的稳压罐调节容积为800L，调节压力为1MPa。

6 其他消防设计要求

6.1 采暖、通风与空气调节设施防火

为了满足电气设备房间通风、降温、排烟的要求，在设计时会考虑给各设备房间设置轴流风机、空调，轴流风机与空调均需增加远程控制模块，能够进行远程智能操作。当火灾发生时，空调及轴流风机能够被切断电源停止工作，待火灾扑灭后，轴流风机启动，对房间进行排烟。

6.2 火灾探测报警及消防控制系统

本站配置一套具有消防联动功能的火灾探测报警系统[5]，火灾探测区域主要包括220kV配电综合楼、110kV配电综合楼、主变区域、电缆层区域、电缆沟区域。火灾报警系统由烟感、温感探头、感温电缆、手动报警盒、警铃火灾报警控制器等组成。火灾报警控制器设在变电站主控室内，以便集中控制和管理火灾报警信息，并通过通讯接口将信息送至计算机监控系统。

本工程根据保护对象火灾燃烧过程中的特点，选择安全可靠的火灾探测器，以保障变电站的安全，减少事故损失。对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或者没有火焰敷设的场所，选择光电感烟探测器，如在二次设备室、资料室、会议室、办公室、值休室等。蓄电池室采用防爆型感烟探测器，电抗器室、电缆竖井、活动地板下、电缆沟道这些电缆密集的场所设置缆式线型感温火灾探测器。

对采用水喷雾灭火系统的主变压器，采用两路不同型号的缆式感温探测器。当两类不同型号的探测器均报警时，水喷雾灭火系统自动启动。消防联动的控制方式为手动、自动控制，本工程联动控制主要是消火栓系统、水喷雾系统及排烟风机的联动，可实现对消火栓系统、水喷雾灭火系统的监视及控制，并接收相应的反馈信号。此外，火灾报警控制系统应联动变电站辅助设备监控系统，以满足迅速确认火灾和应急处置的要求。变电站辅助设备监控系统应具备收到火灾报警信号时联动变电站视频监控、门禁及灯光控制等功能。

6.3 消防供电、通讯和电缆防火

6.3.1 消防设备供电

消防水泵的供电负荷为一级负荷，消防水泵电动机由380V站用电系统供电，采用来自不同母线的双回路供电，具有很高的供电可靠性。火灾报警控制装置采用交流不停电供电。

6.3.2 事故照明

本工程所有事故照明电源采用交直流自动切换系统。事故照明系统的正常供电为交流，当正常供电消失后，即切换到直流系统（220kV蓄电池组）供电。6.3.3 消防通讯

火灾报警系统自身配置消防电话系统功能，可在全区域布置插孔电话，同时还在消防泵房等布置有消防报警固定电话，提高了通讯的可靠性。

6.3.4 电缆防火设计

为防止电缆着火延燃，本工程设计按《电缆防火措施设计和施工验收标准》（电力行业标准DLGJ 154－2000）并采取下列防火措施：

1）动力电缆和控制电缆均采用阻燃型电缆。

2）电缆沟进入室内的入口处（如主控楼、综合泵房、继电器室、站用电室等）、电缆沟与电缆竖井连接处均需用阻火包、防火隔板、软质防火堵料封堵。

3）对LCP柜、控制屏、保护屏、配电屏、端子箱、检修箱等底部开孔处和户外电缆沟开孔埋管处等应采用防火堵料进行封堵，防火隔离采用防火隔断。

4）电缆保护管在电缆穿管敷设完毕后，保护管两端应用防火堵料封堵。

5）靠近带油设备的电缆沟盖板应封堵严实，以防设备故障时油渗入。

6）所有封堵材料的耐火极限不应低于1h。防火隔墙和穿墙埋管两侧的电缆各1m范围内涂刷防火漆。

7）在电缆竖井及静电地板下敷设电缆处同时敷设感温探测电缆。

6.4 移动式灭火配置

除了设置固定式灭火系统，依据规范内要求还需配置移动式灭火器材。对站区的各个建筑物，均按文献[6]及文献[7]的要求，设置不同类型的移动式灭火器。

灭火器分别成组设置，门厅、楼梯间、走道、重要场所（配电综合楼的电缆夹层间、蓄电池室、主控室、继电器室等）等明显和便于取用的地点均设灭火器箱，要求按规范设置，有明显标记和说明，灭火器箱的设置不得影响交通和安全疏散。每组灭火器箱内的灭火器不得少于2具，也不得多于5具。在主变附近设置推车式灭火器，并配置砂箱、消防铲、消防斧、消防桶等器材。

7 结语

变电所的消防系统可采用的灭火系统是多种多样的，本文结合新的消防规程规范要求，从站区建（构）筑物防火、站区总平面布置、水消防系统、火灾报警系统、消防供电、电缆防火等方面对某220kV半户内变电站消防设计方案进行了论述分析。在整个设计过程中，消防设计贯彻始终，需要与建筑、结构、电气、给排水、采暖空调等各个专业共同配合，这样才能设计出安全可靠、经济合理、满足强制性规范要求的消防系统，为变电站的安全运行打下良好的基础。