特高压换流变压器水喷雾灭火系统有效性实验研究*

陈涛 胡成 张佳庆 过羿 王雨薇 张鹏

(1.应急管理部天津消防研究所 天津 300381； 2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 合肥 230601)

0 引言

大型特高压换流变压器是一种电压等级高、能量大、储油量多、火灾形式复杂的充油设备，其一旦发生火灾，将会造成重大经济损失，严重影响电网的安全运营[1-4]。

在我国已建成的特高压输电工程中，大型特高压换流变压器主要采用水喷雾灭火系统和泡沫喷雾灭火系统[5-6]，灭火系统设计主要参照《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219—2014)、《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)等消防标准。其中，水喷雾灭火系统[7]是利用水雾喷头在较高的水压力下，将水流分离成0.2～2 mm甚至更小的雾滴，并喷向保护对象的灭火系统，一般由供水设备、管道、雨淋阀组、过滤器和水雾喷头等组成。通常采用离心雾化型水雾喷头，其有效水雾射程一般仅为3～5 m。

根据典型特高压换流变压器爆炸起火事故案例可知，受爆炸冲击、隔声罩设施冲砸、高温炙烤等特殊因素影响，水喷雾灭火系统的喷头及消防支管出现了较大程度损毁掉落，未能及时有效扑灭火灾。目前，国内外关于特高压换流变压器水喷雾灭火系统有效性的研究仍较少，尚未见在特高压换流变压器特殊火灾场景下水喷雾灭火系统的有效性研究。鉴于此，本文参照实际工程设计方式，建立了大型油浸变压器水喷雾灭火系统，采用冷喷实验，通过模拟不同数量喷头掉落，考察了水喷雾灭火系统受爆炸冲击、隔声罩设施冲砸、高温炙烤等特殊条件的影响，分析了水喷雾灭火系统失效原因，以期为特高压换流变压器以及其他大型油浸变压器消防提升及新型灭火系统开发提供依据。

1 实验部分

1.1 实验模型

实验模型包括实体油浸变压器、集油坑、水喷雾灭火系统，如图1和图2所示。

图1 实验模型平面布置(单位：mm)

图2 消防管网立式布置

集油坑尺寸为长14.5 m×宽9.5 m，内部充填鹅卵石层，正中心位置放置实体油浸变压器。变压器外围尺寸为长10.9 m×宽5.4 m×高4.47 m，油枕高为6.8 m。水喷雾灭火系统管网采用环形供水方式，供水管网与集油坑边沿平行，共分为3层管网，第一层高为5.2 m/6.4 m，第二层高为3.4 m/4.1 m，第三层高为2 m，每层安装20只ZSTWB 30/90型水雾喷头，喷头间距为2 m。喷头通过长为0.5 m的消防支管与供液管网连通。消防水泵采用ISR150-100-250A型离心泵，扬程为0.7 MPa，额定流量为188 m3/h。

在消防支管上喷头前300 mm处设置压力传感器，测试不同位置喷头的压力变化。压力传感器采用TDS4033型高精度压力传感器，测量范围为0～1.0 MPa，精度为0.075%，输出信号为直流 4～20 mA，共7只。其中，P1测量水喷雾灭火系统雨淋阀处管道压力，P2、P3测量上层喷头压力，P4、P5测量中间层喷头压力，P6、P7测量下层喷头压力。采用TP1000多通道数据采集系统进行实时采集记录；采用Mavic 2无人机及NVR DS型高清视频摄像系统拍摄记录冷喷实验过程喷头喷雾覆盖情况。

1.2 设计计算

根据实体油浸变压器外围尺寸，可计算出其外表面积约为204.6 m2。根据《水喷雾灭火系统技术规范》要求，扑救油浸变压器火灾时水喷雾供给强度应不低于20 L/(min·m2)，这里按照20 L/(min·m2)计算，则供水流量为4 091.6 L/min。水喷雾灭火系统喷头数量与单只喷头流量计算式如下：

N=Q/q

(1)

(2)

式中，N为喷头数量；K为喷头流量系数；P为水雾喷头入口处压力，MPa；q为喷头流量，L/min；Q为变压器总需水量，L/min。

实际布置的总喷头数量为60只，喷头流量系数为30，代入式(1)、式(2)可计算出达到系统设计供给强度的工作压力应不低于0.52 MPa，满足喷头工作压力不低于0.35 MPa的要求。

1.3 实验工况与步骤

调试水喷雾灭火系统以及压力传感器、数据采集系统、摄像系统等，完成后待用；实验工况及拆掉的水雾喷头数量如表1所示；启动数据采集系统、摄像系统，开始采集记录；启动水喷雾灭火系统，待压力稳定不低于60 s并拍摄完成后停止喷雾；清理现场，并准备下次实验。

表1 水喷雾灭火系统冷喷实验工况

2 结果与讨论

2.1 掉落喷头占比对喷头工作压力与覆盖范围的影响

不同工况下水喷雾灭火系统的喷头工作压力如图3所示，水喷雾冷喷包络情况如图4所示。可以看出，当7%喷头(4只)损毁掉落后，与掉落喷头连接的消防支管压力降至0.11 MPa，并且以水柱形式进行喷射，射程约10 m，喷射至器身上还会四处飞溅；其余未损毁掉落的喷头压力也大大降低，降至0.35～0.40 MPa。当10%喷头(6只)损毁掉落后，与掉落喷头连接的消防支管压力降至0.08～0.10 MPa，并且以水柱形式进行喷射，射程约10 m，喷射至器身上还会四处飞溅；其余未损毁掉落的喷头压力也大大降低，降至0.28～0.32 MPa，全部低于标准规定的工作压力要求，喷头射程降低，无法全包络变压器。当20%喷头(12只)损毁掉落后，与掉落喷头连接的消防支管压力降至0.04～0.06 MPa，并且以水柱形式进行喷射，射程约8 m，部分喷头的水柱刚好喷射到器身上；其余未损毁掉落的喷头压力也大大降低，降至0.14～0.18 MPa，全部低于标准规定的工作压力要求，喷头射程降低，无法全包络变压器。当33%喷头(20只)损毁掉落后，与掉落喷头连接的消防支管压力降至0.02～0.03 MPa，并且以水柱形式进行喷射，射程约4 m，大部分水柱刚好喷射到器身上；其余未损毁掉落的喷头压力也大大降低，降至0.06～0.10 MPa，全部低于标准规定的工作压力要求，喷头射程降低，无法全包络变压器。

图3 喷头工作压力与掉落喷头占比的关系

(a)喷头完好

由此可见，喷头工作压力受掉落喷头占比影响很大，在喷头不受损的正常情况下，喷头工作压力均远超标准规定的0.35 MPa；当有10%以上喷头受损掉落后，所有喷头工作压力都降至标准规定的0.35 MPa以下，导致喷头射程下降、覆盖范围缩小，无法全包络变压器。同时，喷头掉落后，消防水直接从消防支管以水柱射流形式喷射，存在引发热油火灾沸溢、飞溅的风险。

2.2 掉落喷头占比对管道工作压力的影响

不同工况下水喷雾灭火系统的管道压力如图5所示。可以看出，管道工作压力比喷头工作压力略大，在喷头不受损的正常情况下，管道压力为0.61 MPa。随着喷头掉落占比升高，管道压力迅速下降，且不同工况下管道工作压力变化规律与图3中未受损喷头(如P2、P4和P6)工作压力变化基本一致。

图5 管道工作压力与掉落喷头占比的关系

2.3 掉落喷头占比对有效喷雾流量的影响

不考虑受损掉落喷头的流量，根据剩余喷头工作压力，按照式(2)可计算出不同工况下水喷雾灭火系统的有效喷雾流量，结果如图6所示。可以看出，在喷头不受损的正常情况下，水喷雾灭火系统有效喷雾流量为4 321.4 L/min，超过设计流量(4 091.6 L/min)，实际喷雾强度达21.1 L/(min·m2)，满足标准规定要求。当有7%以上喷头受损掉落后，系统有效喷雾流量会显著降低，低于设计流量和设计喷雾强度，无法满足标准规定要求，且受损喷头数量越多，系统有效喷雾流量越低。当有7%喷头受损掉落时，系统有效喷雾流量降至3 261.0 L/min，低于设计流量约830.6 L/min，实际喷雾强度仅为15.9 L/(min·m2)，低于标准规定要求；当有10%喷头受损掉落时，系统有效喷雾流量降至2 814.4 L/min，低于设计流量约1 277.2 L/min，实际喷雾强度仅为13.8 L/(min·m2)，远低于标准规定要求；当有20%喷头受损掉落时，系统有效喷雾流量降至1 826.5 L/min，低于设计流量约2 265.1L/min，实际喷雾强度仅为8.9 L/(min·m2)，远低于标准规定要求；当有33%喷头受损掉落时，系统有效喷雾流量降至1 077.7 L/min，低于设计流量约3 013.9L/min，实际喷雾强度仅为5.3 L/(min·m2)，远低于标准规定要求。

图6 有效喷雾流量与掉落喷头占比的关系

3 结论

(1)喷头工作压力受掉落喷头占比影响显著，掉落喷头占比越高，喷头工作压力越低。当掉落喷头占比超过10%时，所有喷头工作压力都降至标准规定的最低工作压力以下，喷头射程下降、覆盖范围缩小，无法全包络变压器。

(2)系统有效喷雾流量受掉落喷头占比影响大，掉落喷头占比越高，有效喷雾流量越小。当掉落喷头占比超过7%时，系统有效喷雾流量和喷雾强度均低于最低设计参数，达不到标准规定要求。

(3)水喷雾灭火系统喷头受爆炸冲击等特殊条件影响掉落后有引发火灾扩大的风险。当喷头掉落后，消防水直接从消防支管以水柱射流形式喷射至变压器器身及周边，不仅不具备水雾灭火的能力，而且存在引发热油火灾沸溢、飞溅、火势扩大的风险。

(4)水喷雾灭火系统喷头受爆炸冲击等特殊条件影响掉落后，无法形成全包络目标区域。尤其是在需要水喷雾灭火介质的爆炸着火区域，会因喷头掉落而无灭火介质。