500 kV地下變電站主設(shè)備火災(zāi)場(chǎng)景模擬

李帆，張雪梅，錢艷園，吳玲華

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上?！?00080；2.國(guó)網(wǎng)上海電力設(shè)計(jì)有限公司，上?！?00080）

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500 kV地下變電站主設(shè)備火災(zāi)場(chǎng)景模擬

李帆1，張雪梅2，錢艷園2，吳玲華2

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海200080；2.國(guó)網(wǎng)上海電力設(shè)計(jì)有限公司，上海200080）

摘要：地下變電站的消防安全是全站安全工作的重要組成部分。如何針對(duì)我國(guó)大型電站設(shè)備設(shè)計(jì)管理的實(shí)際需求，制定消防安全應(yīng)對(duì)策略，切實(shí)保障地下變電站的防火安全，是實(shí)現(xiàn)變電站與其他建筑結(jié)合建造的關(guān)鍵問(wèn)題。以上海某500 kV地下變電站設(shè)計(jì)為例，對(duì)主變壓器室、電抗器室采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬模型（FDS）軟件模擬典型火災(zāi)場(chǎng)景，得到火場(chǎng)發(fā)展的主要參數(shù)，為合理的消防設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下變電站；火災(zāi)；FDS模擬

Project Supported by National High-tech Research and Development Progran（863 Program）（2015AA50203）.

近年來(lái)，城市建設(shè)飛速發(fā)展，城市用電負(fù)荷持續(xù)迅猛增長(zhǎng)。城市用電負(fù)荷中心往往與城市建設(shè)的核心相重合，但對(duì)于上海這樣的國(guó)際化大都市，核心區(qū)域的商業(yè)規(guī)劃十分緊湊，建設(shè)地下變電站是大勢(shì)所趨，對(duì)變電站消防設(shè)計(jì)提出了前所未有的高要求[1-3]。但在技術(shù)層面上，國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于地下變電站消防系統(tǒng)方面的規(guī)范。針對(duì)上海某在建500 kV地下變電站中重要危險(xiǎn)源，即設(shè)備中大量含油的主變壓器室和電抗室，利用火災(zāi)模擬軟件對(duì)各種不利場(chǎng)景進(jìn)行模擬，得出模擬結(jié)果和建議。

1　地下變電站火災(zāi)情況

地下變電站火災(zāi)屬于受限空間類型火災(zāi)，室內(nèi)燃燒存在通風(fēng)控制和燃料控制2個(gè)階段。在起火初期，火場(chǎng)大小與受限空間的大小相比很小，有足夠的O2供應(yīng)，室內(nèi)燃燒狀況由可燃物數(shù)量和分布情況決定，即燃料控制階段；火災(zāi)繼續(xù)發(fā)展，火區(qū)面積增大，熱解出的可燃?xì)怏w越來(lái)越多，受限空間內(nèi)的O2不足以維持燃料完全燃燒，燃燒速率轉(zhuǎn)由流進(jìn)室內(nèi)的空氣速率控制，即通風(fēng)控制階段。通風(fēng)控制燃燒是受限空間的開(kāi)口大小處在一定范圍、火災(zāi)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。通常認(rèn)為，室內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率（HRR）達(dá)到最大值的時(shí)刻，為燃料控制燃燒與通風(fēng)控制燃燒的分界點(diǎn)[4-5]。

對(duì)于地下變電站，主要火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹髯儔浩魇液碗娍蛊魇摇．?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，在消防控制系統(tǒng)作用下，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)百葉和排風(fēng)風(fēng)閥，房門均處于常閉狀態(tài)，整個(gè)火災(zāi)發(fā)生過(guò)程將迅速?gòu)娜剂峡刂齐A段轉(zhuǎn)化到通風(fēng)控制階段，最終因O2缺乏而快速熄滅[6-9]。本文針對(duì)上海某500 kV地下變電站中重要危險(xiǎn)源，即設(shè)備中大量含油的主變壓器室和電抗室，運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬模型（fire dynamics simulator，F(xiàn)DS）模擬軟件進(jìn)行火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模擬[1-3]。依據(jù)“可信最不利原則”，選取6種火災(zāi)場(chǎng)景，即小油池火、大油池火、油枕火、散熱管火、小油池火+油枕火、大油池火+散熱管火，比較得出最不利場(chǎng)景并加以分析。

2　火災(zāi)模擬軟件FDS

FDS是由美國(guó)NIST（national institute of standards and technology，NIST）開(kāi)發(fā)的一種場(chǎng)模擬程序，它是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程。由于FDS程序的開(kāi)放性，其準(zhǔn)確性得到了大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，因此在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

該軟件根據(jù)建筑和火災(zāi)的特性，以簡(jiǎn)單直觀的形式，動(dòng)態(tài)顯示出火災(zāi)發(fā)展全過(guò)程，并通過(guò)計(jì)算獲得較為準(zhǔn)確的火災(zāi)信息的相關(guān)參數(shù)，可以模擬三維空間內(nèi)空氣的溫度、速度和煙氣的流動(dòng)情況等。

3　模型試驗(yàn)方案設(shè)置

3.1開(kāi)門時(shí)間及設(shè)定

為預(yù)防500 kV地下變電站的回燃，根據(jù)對(duì)各場(chǎng)景火災(zāi)的預(yù)模擬，設(shè)定的開(kāi)門時(shí)間分別為：

1）對(duì)變壓器室，小油池火的開(kāi)門時(shí)間為500 s；大油池火的開(kāi)門時(shí)間為500 s；油枕火的開(kāi)門時(shí)間為500 s；散熱管火的開(kāi)門時(shí)間為400 s；小油池火+油枕火的開(kāi)門時(shí)間為500 s；大油池火+散熱管火的開(kāi)門時(shí)間為400 s。

2）對(duì)電抗器室，6種火災(zāi)場(chǎng)景的開(kāi)門時(shí)間都為400 s。

3.2熱電偶設(shè)定

為及時(shí)獲取房間溫度分布情況，在房間高度方向每隔0.5 m設(shè)置熱電偶。在進(jìn)風(fēng)百葉和排風(fēng)防火閥處，各設(shè)置一個(gè)熱電偶，以檢測(cè)閥門處溫度情況。

3.3各場(chǎng)景模擬時(shí)間設(shè)定

根據(jù)多次試模擬結(jié)果分析，各場(chǎng)景模擬時(shí)間設(shè)定為：

1）對(duì)變壓器室，小油池火的模擬時(shí)間為800 s；大油池火的模擬時(shí)間為600 s；油枕火的模擬時(shí)間為700 s；散熱管火的模擬時(shí)間為600 s；小油池火+油枕火的模擬時(shí)間為700 s；大油池火+散熱管火的模擬時(shí)間為600 s。

2）對(duì)電抗器室，6種火災(zāi)場(chǎng)景的模擬時(shí)間都為600 s。

4　模擬結(jié)果分析

利用火災(zāi)模擬軟件FDS，分別對(duì)主變壓器及電抗器火災(zāi)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果分析如下。

4.1著火與滅火

模擬中構(gòu)筑物及設(shè)備大小采用設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)備噴射火的流動(dòng)速率取8 L/min，油滴噴射速度為10 m/s，噴射角取60°。模擬得到各場(chǎng)景下的熱釋放速率HRR （heat release rate，HRR）曲線（以大油池火、大油池+散熱管火HRR曲線為例，見(jiàn)圖1、圖2），變壓器與電抗器火災(zāi)最大HRR時(shí)間及熄火時(shí)間見(jiàn)表1和表2。

圖1　大油池火HRR曲線Fig. 1 HRR curve of the fire beneath the large pool

圖2　大油池+散熱管火HRR曲線Fig. 2 HRR curve of the large pool+radiator pipe fire

根據(jù)表1、表2所列的HRR最大值發(fā)生時(shí)間和火災(zāi)熄滅時(shí)間，對(duì)于主變壓器和電抗器來(lái)說(shuō)，最大HRR值發(fā)生的時(shí)間和最短的火災(zāi)熄滅時(shí)間，均發(fā)生在“大油池火+散熱管火”場(chǎng)景下。故應(yīng)針對(duì)該場(chǎng)景發(fā)生的可能因素，從著火源上降低其發(fā)生的概率，主要措施包括：

表1　變壓器火災(zāi)最大HRR時(shí)間及熄火時(shí)間匯總Tab. 1 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the transformer fire

表2　電抗器火災(zāi)最大HRR時(shí)間及熄火時(shí)間匯總Tab. 2 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the reactor fire

1）加強(qiáng)主要設(shè)備（變壓器、電抗器等）的質(zhì)量，不但要符合制造廠及國(guó)家相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求，而且安裝前要進(jìn)行絕緣測(cè)試，并仔細(xì)檢查設(shè)備的各個(gè)部件是否滿足要求，確認(rèn)后方可安裝。

2）變壓器、電抗器在外電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮各種安全防火措施（諸如：設(shè)有熔斷器或繼電保護(hù)裝置），用以保護(hù)變壓器或電抗器在短路和過(guò)負(fù)荷時(shí)不致造成線路著火；設(shè)備外殼與接地網(wǎng)連接，可靠接地；引入線應(yīng)裝設(shè)避雷器，且注意日常檢查，防止雷擊起火等。

3）在變電站建筑及其他輔助專業(yè)設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分考慮地下變電站的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的有助于防止火災(zāi)發(fā)生的措施（諸如：設(shè)備房間通風(fēng)良好，以保證環(huán)境溫度低于允許溫度）；主要含油設(shè)備（變壓器、電抗器等）下設(shè)有泄油收集池，在火災(zāi)時(shí)，迅速將燃油排至安全區(qū)域；設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)。

4）設(shè)備正常運(yùn)行后還要按照規(guī)程的規(guī)定，定時(shí)進(jìn)行檢修；若設(shè)備嚴(yán)重超負(fù)荷，應(yīng)予以更換或啟用備用設(shè)備，得到緩和。

4.2閥門安全性

4.2.1主變壓器室通風(fēng)閥門安全性

根據(jù)該變電站施工圖設(shè)計(jì)，通風(fēng)閥門、防火百葉位置如圖3、圖4所示。

圖3　通風(fēng)閥門平面位置圖（單位：mm）Fig. 3 Plane location map of the ventilation valve

依據(jù)通風(fēng)主閥BF1-5-15、BF1-5-16在火災(zāi)場(chǎng)景中的溫度-時(shí)間曲線（以大油池火場(chǎng)景閥門為例，見(jiàn)圖5、圖6），將最高可能溫度匯總，見(jiàn)表3。

圖5　大油池火場(chǎng)景閥門BF1-5-15處溫度Fig. 5 Temperature at valve BF1-5-15 scenario in the pool fire scenario

由表3可知，最不利情況出現(xiàn)在“小油池＋油枕火”場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，通風(fēng)主閥BF1-5-15、BF1-5-16溫度均超過(guò)原設(shè)計(jì)70℃熔斷的條件，故選擇該閥門時(shí)，除滿足70℃熔斷條件外，同時(shí)材質(zhì)厚度等應(yīng)均能耐受180℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防止防火閥失效[6-7]。

圖6　大油池火場(chǎng)景閥門BF1-5-16處溫度Fig. 6 Temperature at valve BF1-5-16 scenario in the pool fire scenario

表3　通風(fēng)主閥最高可能溫度匯總表Tab. 3 Summary table of the highest possible temperatures at the main ventilation valve　　℃

防火百葉在火災(zāi)場(chǎng)景中的最高可能溫度匯總見(jiàn)表4。

表4　防火百葉最高可能溫度匯總表Tab. 4 Summary table of the highest possible temperature at the anti-fire shutter　　℃

由表4可知，防火百葉1最不利情況出現(xiàn)在“大油池＋散熱管火”場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，防火百葉1溫度超過(guò)225℃。防火百葉2最不利情況出現(xiàn)在“大油池火”場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，防火百葉2溫度超過(guò)155℃。故2處防火百葉材質(zhì)及厚度等應(yīng)均能耐受245℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防防火百葉失效。

4.2.2電抗室通風(fēng)閥門安全性

依據(jù)通風(fēng)主閥BF2-2-22在火災(zāi)場(chǎng)景中的溫度-時(shí)間曲線（以大油池火場(chǎng)景閥門為例，見(jiàn)圖7），將最高可能溫度匯總，見(jiàn)表5。

圖7　大油池火場(chǎng)景閥門BF2-2-22處溫度Fig. 7 Temperature at Valve BF2-2-22 in the pool fire scenario

表5　通風(fēng)主閥最高可能溫度匯總表Tab. 5 Summary table of the highest possible temperature at the main ventilation valve　　℃

由表5可知，最不利情況出現(xiàn)在“油枕火”場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，通風(fēng)主閥BF2-2-22溫度超過(guò)原設(shè)計(jì)70℃熔斷的條件，故選擇該閥門時(shí)除滿足70℃熔斷條件外，同時(shí)材質(zhì)厚度等應(yīng)均能耐受160℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防止防火閥失效。

依據(jù)防火百葉F2-2-5在火災(zāi)場(chǎng)景中的溫度-時(shí)間曲線（以大油池+散熱管火場(chǎng)景為例，見(jiàn)圖8），將最高可能溫度匯總，見(jiàn)表6。

圖8　大油池+散熱管火場(chǎng)景防火百葉F2-2-5處溫度Fig. 8 Temperature at the anti-fire shutter F2-2-5 in the large pool+radiator pipe fire scenario

表6　防火百葉最高可能溫度匯總表Tab. 6 Summary table of the highest possible temperature of the anti-fire shutter　　℃

由表6可知，防火百葉F2-2-5最不利情況出現(xiàn)在“大油池＋散熱管火”場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，防火百葉F2-2-5溫度超過(guò)95℃，故該處防火百葉材質(zhì)及厚度等應(yīng)均能耐受115℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防止防火百葉失效[8-9]。

4.3壁面安全性分析

4.3.1主變壓器壁面安全性分析

在火災(zāi)場(chǎng)景下，主變壓器壁面最高溫度匯總見(jiàn)表7。

表7　主變壓器室壁面最高溫度匯總表Tab. 7 Summary table of the highest temperature of the main transformer chamber wall

由表7可知，在“小油池＋油枕火”的工況下，主變壓器室壁面的溫度較高，但最高溫度仍低于120℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土安全溫度250℃[4]。其他場(chǎng)景下溫度均比較低。分析原因如下：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，墻壁周圍的空氣溫度比較低，熱傳導(dǎo)對(duì)壁面溫度影響較??；又因?yàn)榛馂?zāi)后期空間流場(chǎng)比較穩(wěn)定，熱對(duì)流對(duì)溫度增長(zhǎng)沒(méi)有什么作用；而熱輻射更弱一些，所以基本不考慮。因此，墻壁處于安全狀態(tài)。

4.3.2電抗器室壁面安全性分析

在火災(zāi)場(chǎng)景下，電抗器室壁面最高溫度匯總見(jiàn)表8。

根據(jù)表8可知，“大油池＋散熱管火”的工況下，壁面的溫度較高，但最高溫度仍低于75℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土安全溫度250℃，其他場(chǎng)景下溫度均比較低。原因與主變壓器室情況同理。因此，墻壁也處于安全狀態(tài)。

表8　電抗器壁面最高溫度匯總表Tab. 8 Summary table of the highest temperature of the reactor wall

5結(jié)論

1）對(duì)于500 kV地下變電站中火災(zāi)危險(xiǎn)性比較大的房間，諸如主變壓器間、電抗器間，應(yīng)加強(qiáng)采購(gòu)設(shè)備的質(zhì)量控制；在電氣系統(tǒng)與電氣設(shè)備設(shè)計(jì)方面，應(yīng)設(shè)置各種電氣保護(hù)裝置，從源頭控制火災(zāi)發(fā)生。

2）建筑、結(jié)構(gòu)、消防、暖通、弱電等專業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)著眼于消防技術(shù)原則和策略，從設(shè)計(jì)開(kāi)始，全局統(tǒng)籌地下變電站消防安全設(shè)計(jì)。從FDS數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括建筑隔墻，風(fēng)管、百葉穿墻等材料選擇及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足耐火、防火要求。

3）在建筑施工中，應(yīng)注意各房間孔洞的封堵處理，使房間盡量處于密閉狀態(tài)，以便使火災(zāi)處于窒息環(huán)境，快速窒息熄滅，避免大范圍蔓延。

4）通過(guò)FDS數(shù)值模擬可見(jiàn)，突然開(kāi)門等動(dòng)作會(huì)致使房間內(nèi)剩余燃料熱釋放速率（HRR）出現(xiàn)峰值突變的劇烈回燃，產(chǎn)生高溫、高壓，具有很大的破壞力，并對(duì)滅火人員構(gòu)成嚴(yán)重威脅，應(yīng)通過(guò)延長(zhǎng)水噴霧時(shí)間等降溫措施盡力避免。

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李帆（1979—），女，本科，工程師，從事電力設(shè)計(jì)工作。

（編輯董小兵）

Simulation & Analysis of Main Equipment Fire Scenario for 500 kV Underground Substation

LI Fan1，ZHANG Xuemei2，QIAN Yanyuan2，WU Linghua2
（1. State Grid Shanghai Economic Research Institute，Shanghai 200080，China；2. State Grid Shanghai Electric Power Design Co.，Ltd.，Shanghai 200080，China）

ABSTRACT：The fire safety is of great importance in the entire underground substation. How to formulate the fire control safety strategies according to the actual requirement for the design management of China’s large power station equipment and effectively protect the fire safety of the underground substation is crucial in realizing the combination of the substation and other buildings. Taking a 500 kV underground substation in Shanghai as an example，this paper simulates the typical fire scene of the main transformer chamber and reactor chamber by FDS software to find the main parameter of the fire development and provides basic data for the rational design of the fire protection.

KEY WORDS：underground substation；fire；FDS simulation

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-12-21。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助（2015AA 50203）。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）03- 0034- 06

中圖分類號(hào)：TM63；TU892

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A