特高压换流变压器主动排油灭火技术的研究

刘廷堃

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

随着特高压直流输电技术的高速发展与应用，越来越多的特高压换流站和直流输电线路相继建成投运。特高压换流变压器设备是特高压换流站内的核心设备之一，换流变压器设备的运行工况可直接影响到整个直流输电系统的安全与稳定。换流变压器采用油绝缘方式，单台换流变压器内部绝缘油存量约为120 t。当一台换流变压器设备运行过程中出现内部放电等原因造成设备爆炸甚至火情时，变压器设备内的一百多吨变压器油转变为火灾燃料，导致火情迅速扩大，甚至可能会牵连同一阀组的其他五台换流变压器及阀厅内部设备同时着火。自2018年3月以来，全国特高压输电系统陆续出现换流变压器设备爆炸事故;同时，因变压器绝缘油燃烧外溢造成火灾事故扩大，均造成重大直接经济损失。因此，换流变压器设备的配套消防灭火能力对于换流站设备在运行过程中的突发应急情况处理及降低火灾造成的直接经济损失方面有着非常重要的意义。

1 特高压换流变压器的消防系统配置

2019年前，国内特高压换流变电站换流变压器设备配置的消防系统为水消防配合泡沫消防灭火[1]。水消防和泡沫消防灭火均具备全自动、半自动和联动方式启动触发灭火系统[2]，触发后依靠配置在换流变压器四周的喷淋泵进行灭火，但受到水源及泡沫液存量的限制无法及时将现场火势扑灭。特高压换流站内的换流变压器均安置在密封式隔音室内，着火时消防队无法直接进入内部灭火，仅能采取远距离喷射灭火，无法对火灾根源处进行有效灭火。

基于上述问题，各换流站针对特高压换流变压器设备灭火消防系统陆续开展了一系列整改措施，包括消防水池扩容、泡沫容量提升、拆除换流变压器BOX-IN顶部盖板以及自备消防队、配备消防车等举措提升特高压换流站的消防灭火能力，但是灭火方式仅限于外界干涉式灭火，并非从源头进行治理，一旦变压器内部绝缘油溢出，即刻成为火势蔓延的燃料。若要有效解决此问题，可采用本体设备加装排油阀门的方法进行灭火，即排空变压器设备内部存油。变压器绝缘油流动方向为变压器设备内部→变压器下方的事故油池→集油坑内，起到将可燃物、助燃剂和火源隔离的效果，以阻止变压器油作为火灾燃料导致火灾蔓延的风险。

2 变压器排油速率实验

为研究变压器发生火灾后采用排油方式进行灭火，开展了变压器静态冷油排油实验及动态热油排油实验，实验采用一台报废的110 kV变压器。通过实验可知DN150口径排油管的平均排油速度为1.65 t/min，放100 t油所需时间约为60 min，DN80管的平均排油速度为0.66 t/min，放100 t油所需时间约为150 min[3]。热油状态下的排油速度较冷油状态下的排油速度快36%。热油状态下(油温为70 ℃左右)DN80管的平均排油速度为0.900 t/min，放100 t油所需时间约为110 min[4]。

根据试验结果可知，换流变压器应采用大于等于DN100口径的排油阀门，在含有120 t变压器油的换流变压器发生火灾时，可确保2 h以内完成变压器排油工作。

3 换流变压器排油灭火技术要点

3.1 换流变压器本体排油阀门的选择

换流变压器本体均配置注放油阀门，口径从DN50到DN150不等，可选择变压器本体底部靠近冷却器侧的注放油阀门，无需在变压器箱体上重新开口设计新阀门(见图1)。根据各型号变压器出厂情况的不同，可选用一个DN150的阀门或者两个DN50的阀门并联的方式进行改造。换流变压器火灾爆发区域一般位于套管升高座部位或者有载分接开关部位，故本体排油阀门需选择换流变压器BOX-IN降噪板外侧的阀门或者管路进行改造，避免火灾发生时产生的爆炸或明火等极端状况影响电气线路和排油阀门，造成排油装置操作失能并导致可燃物排出失败。

图1 换流变压器一次安装侧视

3.2 换流变压器冷却器系统排油

换流变压器在出现故障跳闸后，冷却器停止运行，导致对应潜油泵停止运行，冷却器内部管路有一定存油。若发生火灾，除进行本体设备排油外，冷却器装置内部的变压器油也需同时排空，避免冷却器输油管路内存油成为可燃物导致火势向变压器外侧蔓延。

3.3 现场技术实施

以特高压灵州换流站双极高端换流变压器为例，现场可采用位于换流变压器本体冷却器侧下部靠近降噪板侧的DN50排油阀门(见图2)进行改造，用于排出冷却器内部存油。选用1个冷却器下方DN100弯管(见图3)改造成三通管(见图4)，并增加DN100阀门合并接至DN150排油管道，用于排出变压器本体绝缘油。本体排油管路与冷却器排油管路并联后接至DN150管路及DN150电动球阀(见图5)，排油出口连接到应急排油管口。在应急排油管口采用电动球阀作为最终出口，连接管路至变压器集油坑内，电动球阀的控制线路沿电缆隧道直接通往主控室集中控制。

图2 降噪板侧1个DN50排油阀

图3 冷却器下方DN100弯管

图4 管路改造后的三通管

图5 本体及冷却器排油管路并联

3.4 技术实施过程要点

换流变压器开展排油灭火改造工作，安装阀门及管路改造相当于一次结构性改造。变压器整体排油改造后，重新注油需严格控制油品质量并静置120 h，静置后需进行变压器局放试验，改造代价大，工程耗时长，因此，在新增电动阀及管路改造的位置前后均设置阀门，可在相应阀门关闭的情况下仅对局部进行改造工作，将一个“大型换血手术”缩减为“局部小型微创手术”。新增排油阀门系统部分与本体开阀连通过程中管路存在空气，直接开阀将导致气体进入换流变压器本体。为不影响本体油质及空气气隙造成变压器内部放电，需要在新设排油管路中设置放气塞，改造完成后重新打开阀门，进行新增管路抽真空工作，避免变压器本体内部油补充该管路绝缘油时，出现空气倒灌至本体内部的情况。

3.5 检漏装置

新增管路及阀门的设计涉及密封和设备质量问题，如果密封性差或电动球阀质量不佳导致设备漏油，均可能成为设备运行的重大隐患。

因此，在新增的电动球阀出口处，应装设检漏装置。检漏装置可采用物理挡板监测装置或者红外探头设备。

物理挡板检漏装置是简易的半弧形挡板，安装在水平位置的排油管道内部下半部分，当主动排油阀门出现漏油的情况时，变压器油在挡板前部累积，达到一定油量后从挡板下部流出并翻动挡板，从而触发排油装置漏油告警，并将信号上报至运行后台；红外探头设备与换流变压器油枕内部的漏油探头原理相同，通过红外信号监测漏油情况并将信号上传后台。检漏装置可方便运行人员通过后台监视以掌控排油灭火系统的密封情况，运行人员收到告警信号后立即到达现场进行检查处理，可及时关闭对应漏点的上级阀门以避免影响设备正常运行的情况出现。

3.6 启动方式

主动排油灭火装置的启动关键在于电动球阀的动作，启动方式可以采用全自动、半自动及手动开启的方式[5]。全自动启动功能可采用类似跳闸出口动作的方式，通过采集变压器非电量重瓦斯保护跳闸信号、换流变压器进线开关跳闸信号、感温电缆故障信号和烟感或者紫外火警信号同时出现触发系统，现场可根据实际情况设置自动启动条件[6]。半自动可采集自动动作信号外加后台人工确认信号的方式启动。手动方式通过人工确认火灾后直接手动启动电动球阀进行排油，可用于排油灭火装置自动启动失效情况下的紧急启动方式，如图6所示。

图6 排油灭火系统的启动逻辑

排油灭火装置的启动方式可根据政策及安全性需求自由选择，“安全可靠”是该装置的首要运行原则。一旦装置启动，该变压器所在换流阀组将会闭锁停运，产生一定的经济损失。因此，后台操作位置应设置紧急停止或关闭功能，避免排油电动球阀出现误启动动作造成的损失。

4 换流变压器排油灭火技术的特点

4.1 实用性

换流变压器设备发生故障引起爆炸甚至火灾时，变压器绝缘油转为可燃物。在火情当中，大量的变压器油作为可燃物无法及时排出，火灾现场的泡沫消防和水消防系统灭火效果有限，且存量有限，无法持续灭火，易造成火势扩大。配置排油灭火阀门后，可在2 h内将变压器绝缘油排空，即可在2 h的黄金灭火时间内隔离可燃物。同时，配合泡沫消防和水消防系统压制明火达到及时、高效的灭火效果。

4.2 经济性

在应用换流变压器排油灭火技术时，费用主要用于管路改造、电动阀门设备采购和管线路敷设等。增设换流变压器排油阀门及管路的技术路线无需对换流变压器本体整体结构进行大改造，只需利用现有阀门进行新增外接。项目价格预计为一整台换流变压器生产制造费用的1.5%。特高压换流变压器发生火灾时，该排油灭火技术可将大量可燃物及时排出，从根本上提升灭火效果，防止火灾事故持续扩大蔓延，避免对相邻换流变压器及阀厅设备造成影响，具有较高的性价比。

5 结 论

特高压换流变压器排油灭火技术通过对换流变压器进行排油阀门的增设及管路改造，能够紧急排出变压器油，从而具备隔离火源和可燃物的功能。在火情发生时，该功能配合特高压换流站内配置的水消防及泡沫消防系统等措施可安全、及时、高效、可靠地控制并消除火情，降低直接经济损失，兼具实用性和经济性。综合考虑，特高压换流变压器排油灭火技术是一种确保特高压换流站核心资产在突发火灾时减小损失的消防应急技术。