添加灭火剂的变压器水喷雾灭火系统应用技术

陈宝辉，刘毓，周天念，吴传平，李波

(1. 国网湖南省电力公司防灾减灾中心(电网防灾减灾全国重点实验室)， 湖南 长沙 410129； 2. 湖南省防灾科技有限公司，湖南 长沙 410129)

0 引言

油浸式变压器是电网重要的核心电工装备之一。油浸式变压器内部含有数十至上百吨可燃烃类变压器油，变压器内、外部故障极易引燃变压器油，触发火灾。变压器正常运行时温度达90℃以上，起火后火势发展快，难以灭火[1-5]。火灾烧毁变压器及周边设备，造成恶劣的社会影响。2016年，陕西某变电站发生火灾，烧毁多台变压器，造成8万多户停电。2018—2019年，我国发生多起特高压换流变压器火灾，已成为严重威胁我国电网安全运行的重大灾害。水是最经济的灭火介质，水喷雾灭火系统是最传统的变压器灭火系统，也是目前应用最广的变压器灭火系统之一。水喷雾灭火系统由水池、水泵组、雨淋阀、管网、喷头等组成。依据GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》，变压器本体的水雾保护强度设计值为20 L/(m2·min)，集油坑的水雾保护强度设计值为6 L/(m2·min)[6]。虽然水喷雾灭火系统的水流量大，但是从近几年发生的几起大型变压器火灾事故案例的分析发现，现有水喷雾灭火系统对变压器的火灾保护能力存在明显不足，主要体现在两个方面：水与油接触后分层，难以灭油火，只能起到降温作用；变压器油火温度高达1 200℃以上，水喷雾灭火系统喷头、管网离变压器较近，容易被高温油火烧熔或者因热胀冷缩造成管网破坏。因此亟需提升变压器水喷雾灭火系统的灭火能力，保障变压器火灾安全，提升电网本质安全水平。

近年来，国家电网有限公司联合国内多家科研院所开展技术攻关[7-14]，开展了系统变压器油火防治技术研究工作。针对目前变压器灭火系统存在的防火问题，提出了两条技术路线：一是开发防爆能力和灭火能力均更强的灭火系统，如空气压缩泡沫灭火系统[15]和泡沫细水雾涡扇炮系统[16]；二是对传统水喷雾灭火系统灭火性能和防火防爆能力的改进提升[7，17-18]。本文针对第二条技术路线，提出基于水喷雾灭火系统灭火能力及防火防爆能力全面提升的成套方案，并搭建真型变压器模型灭火试验平台，将具有纯水喷雾和添加水系灭火剂的水喷雾灭油火的性能相对比，验证后者的灭火性能，为变压器火灾的可靠防治提供指导。

1 添加灭火剂的变压器水喷雾灭火 系统

针对水喷雾灭火系统存在的灭火效率低及喷头和管道易损坏的问题，提出一种添加灭火剂的变压器水喷雾灭火系统，主要包括供水设备、灭火剂比例混合装置、雨淋阀、水喷雾管网等，如图1所示。

该方案针对灭火剂添加、消防管网防火和防爆增强的说明如下：

1)采用比例混合装置现混水系灭火剂灭火。比例混合装置可以选择压力式比例混合装置、平衡式比例混合装置、机械泵入式比例混合装置、计量注入式比例混合装置中的一种。对于灭火剂使用量小于10 m3的系统，建议采用压力式比例混合装置，具有更好的经济性；对于灭火剂用量在10 m3以上的系统，可采用平衡式比例混合装置、机械泵入式比例混合装置、计量注入式比例混合装置中的一种。

2)灭火剂采用混合比为3%或6%的水系灭火剂或者泡沫灭火剂。其中水系灭火剂满足国家标准GB 17835—2008的要求，灭火能力不小于55B；泡沫灭火剂满足国家标准GB 15308—2006的要求，灭火性能级别应为Ⅰ级，抗烧水平不应低于C级。选择绝缘性能好的灭火剂，研究发现绝缘性能好的灭火剂可以更加安全地保护变压器高压套管等带电部位，避免电气击穿和沿面闪络，即使灭火系统误喷，也能保障变压器安全[19-20]。

3)采用不锈钢等耐高温材质的喷头。不锈钢的熔点可达1 200℃以上，高于铜质材料的1000℃，可以显著提升喷头的抗烧能力，不锈钢喷头经变压器油火灼烧后仍可正常工作。

4)对消防管网特别是对卡箍连接处进行防火处理。在管网及其连接件部分刷涂多层室外超薄型防火涂料，可显著提升防火能力。试验结果表明，同样在变压器油火下灼烧3 min，未涂防火涂料的卡箍，内部橡胶垫圈几乎被完全烧毁，刷涂6层防火涂料的卡箍内部垫圈完好无损。

5)改进水喷雾灭火系统的管网。设计长射程喷头，紧贴防火墙安装，避免消防管网因变压器局部爆炸而损坏；此外，针对消防管网接头等容易损坏的部位做防爆加强处理，提升系统整体的防爆能力。

6)对于添加灭火剂的水喷雾灭火系统，水雾保护强度仍然可以设置为本体20 L/(m2·min)，集油坑6 L/(m2·min)；也可适当降低保护强度，但需依据国家标准GB 50219—2014经灭火试验确定。

传统水喷雾灭火系统抑制变压器油火需要满足两个条件：一是水必须成雾，才能通过对变压器油火的扰动灭火；二是水雾必须完全覆盖火场才能灭火。而变压器表面极不规则，在现实设计与应用中，常常难以保证所有区域均有直射水雾的保护。本方案在添加灭火剂后，灭火水剂本身具有强的灭火能力，即使系统局部破坏失压不能成雾也能灭油火，并且灭火水剂即使未能完全覆盖变压器，也可通过扩散覆盖灭火，因此灭火能力和可靠性较传统水喷雾系统显著提升。通过对管网的防火、防爆加强处理，可以显著提升水喷雾灭火系统的防火、防爆能力。

2 灭火验证试验

2.1 试验装置

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。依据国家标准GB50219—2014的设计原则进行设计，并在设计总流量的基础上放大1.1倍，最终的系统总流量为1 322 L/min，系统最不利点的压力为0.35 MPa。采用3种喷头，ZSTWB34/90(15个)、ZSTWB23/90(4个)、 ZSTWB21/120(5个)，以上24个喷头采用两排主管道围绕在变压器周围。变压器器身的前方和后面各采用7个喷头，其中第一排3个喷头，第二排4个喷头；变压器器身左右两侧各采用4个喷头，每排2个喷头；油枕采用单独的2个喷头保护。喷头布置后开展水喷雾包络试验，保证变压器器身、油枕及集油坑全部被水雾良好包络。

试验共采用9个油盘火模型，其中变压器顶部2个，尺寸分别为4 200 mm×2 500 mm×40 mm和900 mm×2 500 mm×40 mm，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 mm×200 mm、φ700 mm×200 mm、500 mm×1 800 mm×200 mm、1 000 mm×1 000 mm×200 mm，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，尺寸都为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φ1 700 mm×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2所示。

图2 变压器油盘布置俯视图

2.2 试验方法

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，等所有油盘中油火都蔓延开后开始计时，预燃2 min 30 s，开启系统灭火，记录试验结果。如果油火无法扑灭，采用添加水系灭火剂的移动式消防车进行灭火。

一共开展3次试验：系统完整下的纯水喷雾灭火试验；系统完整的情况下，添加6%水系灭火剂的水喷雾灭火试验；摘除4个喷头 (占总喷头数的16.7%)后，添加6%水系灭火剂的水喷雾灭火试验。摘除的喷头为图2中右下角的4个喷头，摘除喷头的灭火试验模拟变压器火灾高温或爆炸损坏部分喷头的灭火情况。摘除喷头后，整个系统的最不利点压力从0.35 MPa下降至0.2 MPa，系统总流量增大至1 805 L/min。试验所用的水系灭火剂是自主开发的S-6-AB水系灭火剂，具有乳化变压器油等阻燃灭火、灭火效率高、绝缘性能好等特点。

3 结果与分析

3.1 试验结果

3.1.1纯水喷雾灭火试验

采用纯水喷雾灭火的试验过程如图3所示。纯水雾142 s扑灭了变压器上部、后方、侧面的水雾直射覆盖范围内的油火；而变压器前方水雾未直射保护的两个小油盘火在303 s内一直不能扑灭，且没有变小的趋势，只能手动灭火。

(a)0 s时的状态

(b)预燃90 s，开始灭火

(c)耗时142 s，扑灭上、后、侧方火灾

(d)耗时303 s，前方火灾无法扑灭

(e)采用人工灭火

3.1.2添加水系灭火剂的水喷雾灭火试验

添加水系灭火剂后，水喷雾灭火系统的灭火效率显著提升，在42 s内扑灭全部油火，试验过程如图4所示。

(a)0 s时的状态

(b)预燃90 s，开始灭火

(c)耗时42 s，扑灭全部火灾

3.1.3摘取部分喷头后添加水系灭火剂的水喷雾灭火试验

在摘除16.7%比例的喷头后，即使变压器灭火系统的压力显著下降，添加油乳化灭火剂的水喷雾灭火系统仍然能在约40 s内灭火。试验过程如图5所示。

(a)0 s时的状态

(b)预燃90 s，开始灭火

(c)耗时40 s扑灭全部火灾

水喷雾灭火试验

3.2 结果分析

传统意义上，水和油分层，水喷雾灭火时水会迅速沉降至油下方，因此不适合用于灭油火。但是变压器油属于偏重油，密度和黏度均较大，因此可以采用水喷雾抑制火灾甚至灭火。从本文试验结果中可以看出，纯水喷雾灭变压器油火的能力很大程度依赖于水雾雾滴的直射动能。直射水雾具有的动能可有效剥离变压器油火，并对燃油起到搅动作用，有利于降温抑火。但是从图3的试验可以看出，纯水喷雾无法扑灭喷头未直射区域或较隐蔽区域的变压器油火，在较长时间内火势一直无法控制，且没有变小的趋势，只能采用人工灭火。

相比较，添加了水系灭火剂后，变压器油火在短时间内全部被扑灭。这是由于添加水系灭火剂后，灭火水剂本身具有了很好的灭火能力，可以通过灭火剂在变压器器身上的逐步扩散进行灭火，因而显著增强了整个系统的灭火能力。并且当水喷雾系统部分失压后，添加水系灭火剂的水喷雾灭火系统仍然可以保持较好的灭火能力。

4 结论

本文提出添加灭火剂的变压器水喷雾灭火系统应用技术，以及灭火系统防火防爆能力增强的方案，可显著提升水喷雾灭火系统的灭火能力和可靠性。研究灭火剂对水喷雾灭火系统灭变压器油火性能的影响，为变压器火灾的可靠高效防治提供指导。

本文主要结论为：1)纯水喷雾难以扑灭水雾未直射区域或半遮蔽区域的变压器油火；2)水系灭火剂的添加可以显著提升变压器水喷雾灭火系统的灭火性能；3)当灭火系统部分失压后，添加水系灭火剂的水喷雾灭火系统仍然可以高效灭火。