抗爆型变压器泡沫喷雾灭火系统设计与试验

陈宝辉，刘毓，周天念，李波

(1.国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室，湖南 长沙 410129；2.湖南防灾科技有限公司，湖南 长沙 410129)

0 引言

油浸式变压器内部含有大量可燃烃类变压器油，发生内外部故障后极易起火甚至爆炸，烧毁变压器及相邻建筑物，引起大面积停电，造成人员伤亡，产生恶劣的社会影响[1-9]。近年来，随着电网建设的高速发展，我国变压器火灾频发，已成为严重威胁电网安全运行的重大灾害。

泡沫喷雾系统是一种应用广泛的固定式变压器灭火装置[10-12]。传统的泡沫喷雾灭火系统采用预混式设计，利用氮气钢瓶为动力源，驱动预混的泡沫灭火水剂灭火，依据的设计规范为GB 50151—2021《泡沫灭火系统设计规范》，针对变压器的保护强度为8 L/(min·m2)[13]。

该系统在长期的工程应用中暴露了若干问题，给电网等用户单位带来了较大的困扰[14]:1)该系统喷头围绕在变压器四周，离变压器本体近，如图1所示，起火时部分管道和喷头易因局部爆炸或高温损坏，降低了泡沫喷雾灭火系统的灭火性能，抗爆能力较差；2)预混式泡沫喷雾灭火系统采用气体驱动，如图2所示，动力气瓶开启后难以停止，日常调试不易，而变电站要求设备按周或按月定期调试，难以满足运维要求；3)预混式泡沫喷雾灭火装置将泡沫灭火剂与水预混，放置在储存罐中，但低浓度灭火剂易变质，使用寿命仅4年；4)由于泡沫喷雾系统灭火流量较小，采用传统的安装方式喷头数量较多，单个灭火喷头的孔径较小，在西北等风沙地区易堵塞喷头，影响灭火性能。

图1 传统泡沫喷雾灭火系统管网

图2 预混式泡沫喷雾灭火系统

针对传统预混式泡沫喷雾灭火装置存在的问题，本文设计一套抗爆型变压器泡沫喷雾灭火系统，并搭建试验平台，评价其灭火性能，为变压器火灾的安全可靠防治提供指导和建议。

1 抗爆型变压器泡沫喷雾灭火系统设计

抗爆型变压器泡沫喷雾灭火系统主要包括水箱、泵组、控制柜、灭火剂混合装置、分区控制阀、抗爆喷头等。该系统在接到火灾信号后，自动现混泡沫灭火剂，灭火剂混合比为3%或6%；系统供液时间不低于30 min；变压器保护强度依照GB 50151—2021《泡沫灭火系统设计规范》，灭火系统如图3所示。

图3 现混泡沫喷雾灭火系统

典型设计中，该系统采用8个抗爆喷头，布置在变压器四周，其中喷头设计安装在防火墙上。喷头离带电部位的最小安全净距同时满足行业标准DL/T 5352《高压配电装置设计技术规程》的规定[15]。这些喷头由于紧贴防火墙，不易因变压器起火时局部爆炸损坏，因此抗爆能力强。布置方式有两种，分别如图4和图5所示。图4是在变电站建设时就将灭火管道布置在防火墙的背面，再将喷头穿过防火墙安装。该方案只有灭火喷头在防火墙内，变压器发生局部爆炸时很难损坏管网，抗爆能力强。图5为变电站建设完成后，灭火管道布置在防火墙的背面，再将一小段消防管和喷头挂在防火墙上并固定安装。该方案暴露在变压器爆炸区域的管道少，因此抗爆性能好。

图4 嵌入墙体的抗爆型泡沫喷雾灭火系统管网

图5 挂在墙体上的抗爆型泡沫喷雾灭火系统管网

2 灭火试验

2.1 试验平台

以110 kV真型变压器为模型，搭建模拟灭火试验平台。变压器器身长5.2 m、宽2.5 m、高2 m，油枕面积为4.3 m2。采用图3设计的现混式泡沫喷雾灭火系统进行灭火，系统最不利点压力为0.35 MPa。根据GB 50151—2021《泡沫灭火系统设计规范》，当保护变压器时，保护面积按变压器油箱本体水平投影且四周外延1 m计算确定，泡沫混合液供给强度大于8 L/(min·m2)。依据该标准，试验模型灭火流量需大于259 L/min。

2.2 两种试验方法的对比灭火试验

2.2.1传统喷头布置方法

传统方法布置的泡沫喷雾灭火管网共采用14个喷头保护，喷头的布置方式如下:变压器前后各采用4个喷头，两侧各采用2个喷头，变压器油枕采用2个喷头。喷头型号为ZSTWB 23/90，系统在灭火工况下的总流量为602 L/min。喷头布置后开展喷雾包络试验，保证变压器器身、油枕及集油坑全部被泡沫喷雾覆盖。

2.2.2抗爆型管网布置方法

抗爆型泡沫喷雾灭火管网总计采用8个喷头，喷头采用图5的布置方法:防火墙的每个角落均布置两个喷头。喷头型号为ZSTWB 45/90，系统在灭火工况下的总流量为598 L/min，和以上采用传统方法布置的试验系统流量(602 L/min)基本相同，可保证试验结果的可比性。通过调节喷头的角度，保证变压器器身、油枕及集油坑全部被泡沫喷雾覆盖。

试验共采用9个油盘火模型，其中变压器顶部两个，尺寸分别为4.2 m×2.5 m×4 cm和0.9 m×2.5 m×4 cm，模拟高压套管等破裂后流淌到变压器顶部的油火；变压器前方设置4个油盘，尺寸分别为φ1 000×2 000 mm、φ700×200 mm、0.5 m×1.8 m×20 cm、1 m×1 m×20 cm，模拟变压器油流淌到不同部位的油火；变压器后方设置2个长方形油盘，尺寸均为2 500 mm×600 mm×200 mm，模拟集油坑的油火；变压器侧面设置1个圆形油盘，尺寸为φ1 700×200 mm，模拟变压器器身侧面破坏后流淌的油火。油盘的俯视图如图6所示。

图6 变压器油盘布置俯视图

2.3 试验步骤

首先在各油盘中加入变压器油，其中顶部2个油池的加油量为260 L，变压器前方4个油池的加油量为100 L，变压器后方两个油池的加油量为120 L，变压器侧面油池的加油量为60 L，以上共计540 L。然后在各油盘中浇入少量的汽油，手动引燃汽油，等所有油盘中油火都蔓延开后开始计时，燃烧180 s后，开启系统灭火，记录试验结果。

试验所用的泡沫灭火剂是电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室开发的绝缘型3%AAAF水成膜泡沫灭火剂，该灭火剂具有灭变压器油火效率高、绝缘性能好的优点。对比灭火试验在同一天开展，环境条件基本相同，试验时环境温度为15～20℃，环境湿度为50%～60%。

3 结果与分析

3.1 试验结果

采用传统喷头布置方法布置的泡沫喷雾灭火时，在15 s内泡沫喷雾扑灭了变压器上部、后方、侧面范围内的油火，但前方的余火直至38 s时才完全扑灭。

采用抗爆型管网布置方法布置的泡沫喷雾灭火时，仅用11 s泡沫喷雾就完全扑灭了变压器所有位置的油火。

3.2 结果分析

从灭火试验可以看出，采用传统设计的泡沫喷雾灭火管网和抗爆设计的泡沫喷雾灭火管网都能有效灭火，但采用抗爆型泡沫喷雾灭火管网的灭火系统完全灭火时间更短，原因在于:1)采用抗爆设计的灭火喷头布置位置高，且都是斜向下喷射，喷雾雾滴的动量大，更容易剥离变压器油火灭火，且较大的雾滴动量可对燃油起到更好的搅动作用，有利于灭火；2)变压器极不规则，采用传统布置方式，喷头横向喷射，虽然也能覆盖变压器，但是由于变压器自身不规则部位的阻挡，局部保护强度较小，降低了整体灭火能力。

4 结语

针对传统变压器预混式泡沫喷雾灭火系统存在的管网抗爆能力较差、不易调试、灭火剂使用寿命短、孔小易堵塞喷头的四大问题，改进设计了一套采用大孔径远距离喷射喷头的抗爆型变压器泡沫喷雾灭火系统，该系统灭火高效、经济实用、运维简单，为变压器火灾的可靠防治提供指导，为变压器消防改造与建设提供参考。

该系统具体优势如下:

1)将管网嵌入墙体或搭建在防火墙上，并采用长射程喷头，通过远距离灭火将暴露在变压器爆炸区域的管网降到最少，极大提升了泡沫喷雾灭火系统的抗爆能力；对于暴露在变压器周围的少量管网，还可以通过挡板等抗爆增强手段进一步提升抗爆性能；有效解决了传统泡沫喷雾灭火系统抗爆能力差的问题。

2)该系统采用现混方式混合泡沫灭火剂，火灾发生后自动混合灭火剂，应用简单，系统可随时开启和关闭，可随时添加和更换灭火剂，因此可方便地开展变电站日常运维和调试，避免了传统预混式泡沫喷雾灭火系统不易调试和日常维护的问题。

3)由于系统现混灭火剂，平时灭火剂以原液而非预混液的方式保存，灭火剂的使用寿命更长，有利于降低变电站的综合运维成本。

4)系统采用长射程大流量喷头，喷头孔径更大，不容易堵塞，更适合在北方风沙较大的地区应用，解决了传统预混式泡沫喷雾灭火系统喷头易堵塞的问题。

同时，建议抗爆型泡沫喷雾灭火系统采用绝缘型灭火剂，可以避免系统灭火或误喷时，灭火剂喷射到变电器带电部位，导致变压器高压套管绝缘破坏或闪络；对于设有降噪板的特高压变压器，通过增加喷头，保证变压器的全覆盖。