±800 kV特高壓換流變壓器CAFS自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

袁 泉，張 瑞，張 紅

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

特高壓直流輸電技術(shù)在中國已經(jīng)廣泛應(yīng)用[1～3]，截至2020年，中國已經(jīng)建成了14回特高壓直流輸電工程。目前在運的特高壓±800 kV換流站中，曾發(fā)生多起換流變壓器故障引發(fā)嚴重火災(zāi)的事故。在運換流變壓器的消防多采用水噴霧或者泡沫噴霧[4～6]，現(xiàn)有消防設(shè)施難以滿足特高壓換流變壓器的消防需求，容易造成火災(zāi)范圍擴大，增加災(zāi)后損失。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(compressed air foam extinguishing system，CAFS)是指水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮氣三者通過精準配比，在獨立混合室中混合后產(chǎn)生均勻帶壓泡沫滅火劑，并由消防管道釋放至著火點的系統(tǒng)。國家電網(wǎng)有限公司與天津消防研究院等多家單位先后成功開展多次壓縮空氣泡沫炮撲救全尺寸特高壓換流變壓器實體火試驗。為特高壓換流站的CAFS設(shè)計提供了有力的技術(shù)支撐[7]。

本文首次開展了CAFS在±800 kV換流站內(nèi)工程應(yīng)用設(shè)計研究。結(jié)合變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置方案[8]，給出了特高壓換流變壓器CAFS自動控制系統(tǒng)方案設(shè)計要點，以期對后續(xù)特高壓換流站的CAFS設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 換流變壓器CAFS設(shè)備配置

某±800 kV換流站工程換流變壓器分區(qū)為4組，每組換流變壓器分區(qū)安裝6臺換流變壓器。每臺換流變壓器同時設(shè)置噴淋系統(tǒng)及消防炮進行滅火保護。噴淋系統(tǒng)用于火災(zāi)時自動啟動，對換流變壓器形成全方位包絡(luò)；每組換流變壓器分區(qū)設(shè)置7門消防炮，安裝于防火墻挑檐上方，保證每臺換流變壓器都對應(yīng)有2臺消防炮保護。

圖1為換流變CAFS設(shè)備配置，設(shè)置1套CAFS產(chǎn)生裝置，同時供給消防炮和噴淋系統(tǒng)。CAFS從裝置出口總管設(shè)置4個分區(qū)閥分別供給至4個換流變壓器分區(qū)。每個分區(qū)建設(shè)選擇閥室1座，在選擇閥室內(nèi)設(shè)置13個選擇閥，分別供給6路噴淋系統(tǒng)和7臺消防炮[9]。

圖1 換流變壓器CAFS設(shè)備配置

2 換流變壓器CAFS控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAFS控制系統(tǒng)采用開放、分層分布式結(jié)構(gòu)，整個控制系統(tǒng)由兩層設(shè)備和一層網(wǎng)絡(luò)組成。

站控層設(shè)備由CAFS系統(tǒng)主機和CAFS控制系統(tǒng)運行工作站組成，是CAFS系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收間隔層設(shè)備采集的開關(guān)量、模擬量信息，并發(fā)送控制命令，實現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，通過通信設(shè)備與站內(nèi)消防自動化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。

間隔層設(shè)備包括I/O 測控裝置、與站控層網(wǎng)絡(luò)的接口和其他智能設(shè)備接口裝置等；I/O 測控裝置完成CAFS系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和故障信息等采集及控制輸出功能。兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式為站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層網(wǎng)絡(luò)直接采用以太網(wǎng)連接。兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的CAFS自動控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 CAFS自動控制系統(tǒng)示意圖

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 站層設(shè)備配置

CAFS控制主機是站控層數(shù)據(jù)收集、處理、存儲及網(wǎng)絡(luò)管理的中心。主機采用多核服務(wù)器，其性能應(yīng)能滿足整個系統(tǒng)的功能要求，主機的處理能力、存儲容量應(yīng)與變電站的規(guī)劃容量相適應(yīng)。為了提高CAFS控制系統(tǒng)的運行可靠性，CAFS的控制主機采用雙機冗余配置。

CAFS控制系統(tǒng)運行工作站需要單獨配置。運行工作站是站內(nèi)控制系統(tǒng)的主要人機界面，人機界面采用統(tǒng)一的圖形用戶界面，用層次化、生動豐富的畫面，將系統(tǒng)和各子系統(tǒng)總貌圖、流程圖、趨勢圖等顯示出來。運行人員可通過運行工作站對CAFS系統(tǒng)各類設(shè)備進行運行監(jiān)測和操作控制。運行工作站滿足運行人員操作時直觀、便捷、安全、可靠的要求。

消防控制琴臺將安裝在換流變壓器現(xiàn)場各處的前端，消防炮的狀態(tài)信號及控制信號集中控制，實現(xiàn)泡沫消防炮的角度調(diào)節(jié)、預(yù)置位功能和視頻信號傳輸顯示。

2.2.2 間隔層設(shè)備配置

CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊主要控制CAFS產(chǎn)生裝置的啟停，將水、泡沫液、帶壓力的空氣或氮氣三者通過精準配比，在獨立混合室中混合后產(chǎn)生均勻帶壓泡沫滅火劑。同時需要采集產(chǎn)生裝置內(nèi)主要部件反饋信號，支持接收外部控制信號并可將相關(guān)信號對外送出。

就地測控裝置具有狀態(tài)量采集、交流采樣及測量等功能，對CAFS系統(tǒng)運行設(shè)備的信息進行采集、處理和傳送，配置有 “就地/遠方”切換開關(guān)。

閥門操作機構(gòu)箱是存放分區(qū)選擇閥門、噴淋閥門、消防炮閥門的機械傳動部件，可以實現(xiàn)分區(qū)選擇閥門、噴淋閥門、消防炮閥門的操作。

消防炮就地操作裝置是存放消防炮頭的機械傳動部件，能實現(xiàn)消防炮的角度調(diào)節(jié)、預(yù)置位功能。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機、光電轉(zhuǎn)換器、接口設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接線、電纜、光纜等。CAFS控制系統(tǒng)的站控層網(wǎng)絡(luò)采用國際標準推薦的以太網(wǎng)，具有良好的開放性，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用星形。

2.2.4 CAFS控制系統(tǒng)組網(wǎng)

CAFS系統(tǒng)以CAFS噴淋系統(tǒng)為主，以CAFS消防炮系統(tǒng)為輔。兩套滅火系統(tǒng)共用一套CAFS產(chǎn)生裝置和相關(guān)管路。

CAFS噴淋控制系統(tǒng)的站層設(shè)備包括CAFS控制系統(tǒng)運行工作站和控制主機柜；間隔層設(shè)備包括CAFS設(shè)備間的CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊、CAFS設(shè)備間及各選擇閥室就地測控裝置，各選擇閥室的噴淋閥門就地操作機構(gòu)。站層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間采用光纖通信。

CAFS消防炮控制系統(tǒng)的站層設(shè)備包括消防控制琴臺，間隔層設(shè)備包括各選擇閥室的消防炮就地操作裝置、消防炮頭和無線遙控器。消防炮就地操作裝置與消防炮控制琴臺采用光纖通信，消防炮就地操作裝置與消防炮采用網(wǎng)線通信。

消防控制琴臺與CAFS控制主機采用光纖通信。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 數(shù)據(jù)側(cè)采集和處理功能

CAFS控制系統(tǒng)通過就地測控裝置采集數(shù)字量信號、模擬量信號(如4～20 mA)，支持通過網(wǎng)絡(luò)和串口通信對下采集信息；如果無法通過通信接口輸出的設(shè)備運行狀態(tài)信號和報警信息等采用硬觸點的方式采集。對于重要的開關(guān)量和模擬量信號，具備三重化的輸出接點。重要的信號包括：電動閥門位置信號(硬接點)、CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊運行/停機反饋信號(硬接點)、主控制柜故障反饋信號(硬接點)、泵故障反饋信號(硬接點)、液位信號(4～20 mA)、管道流量信號(4～20 mA)。

控制系統(tǒng)對上預(yù)留數(shù)據(jù)通信接口；CAFS主控制柜將相關(guān)信息以數(shù)據(jù)通信的方式(如IEC61850)接入消防自動化系統(tǒng)和站內(nèi)SCADA系統(tǒng)。

2.3.2 信息多元展示功能

控制系統(tǒng)將采集到的信息在監(jiān)控后臺上進行全面展示，展示內(nèi)容包括閥門開關(guān)狀態(tài)、產(chǎn)生裝置設(shè)備運行狀態(tài)、裝備故障告警信息、液位、流量等。

a.人機界面采用統(tǒng)一的圖形用戶界面，用層次化、生動豐富的畫面，顯示系統(tǒng)和各子系統(tǒng)總貌圖、流程圖、趨勢圖等。

b.對多步操作的每一步，人機界面通過文字信息來提供操作結(jié)果的反饋，同時還通過文字提示下一步動作的建議。

c.人機界面對報警、事件進行分層展現(xiàn)，通過報警的過濾，在多級報警出現(xiàn)時，系統(tǒng)優(yōu)先、明確、有主次地處理關(guān)鍵的報警信息。

2.3.3 操作控制功能

CAFS控制系統(tǒng)控制模式分為自動控制模式、手動控制模式和就地操作模式。

a.控制系統(tǒng)具有自動控制模式。與火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動，控制系統(tǒng)接收火災(zāi)報警主機的聯(lián)動信號(采用硬接點方式)，發(fā)出聲光報警信號，判斷火災(zāi)信號位置，判斷滿足啟動條件后，則自動啟動CAFS產(chǎn)生裝置和泡沫噴淋系統(tǒng)進行滅火；消防炮控制系統(tǒng)在接收到由CAFS控制主機給出火災(zāi)聯(lián)動信號，能夠根據(jù)火災(zāi)位置信號，按人工預(yù)置位自動調(diào)整炮頭角度，待人工確認如消防炮選擇正確、消防炮角度已調(diào)整到位，手動一鍵投入消防炮滅火。

b.控制系統(tǒng)應(yīng)具有手動控制模式。自動控制中所有的控制信號，均可從消控室人工手動發(fā)出。在手動模式下，控制系統(tǒng)接收報警主機的火災(zāi)聯(lián)動信號，發(fā)出聲光報警信號，判斷火災(zāi)信號位置(需要火災(zāi)報警系統(tǒng)提供發(fā)生火災(zāi)位置信息)，判斷滿足啟動條件后，給出操作提示，由運行人員通過手動控制啟動CAFS產(chǎn)生裝置和釋放裝置。手動模式可以選擇一鍵投入式也可以選擇進行分步操作。

當泡沫噴淋系統(tǒng)和消防炮系統(tǒng)在控制系統(tǒng)失效時，運行人員可以在火災(zāi)報警系統(tǒng)多線盤上手動操作控制分區(qū)選擇閥門、泡沫噴淋閥門、消防炮閥門和CAFS產(chǎn)生裝置。

c.就地操作模式。CAFS產(chǎn)生裝置應(yīng)具備就地操作功能，在控制系統(tǒng)失效時，運行人員可以在CAFS產(chǎn)生裝置設(shè)備間通過就地手動啟動產(chǎn)生裝置；就地手動啟動泡沫泵、空壓機等設(shè)備，實現(xiàn)將CAFS系統(tǒng)投入滅火作業(yè)。

當泡沫噴淋系統(tǒng)和消防炮系統(tǒng)在控制系統(tǒng)失效時，運行人員可以在分區(qū)選擇閥室通過就地操作控制分區(qū)選擇閥門、泡沫噴淋閥門和消防炮閥門。

2.3.4 防誤閉鎖功能

CAFS控制系統(tǒng)具備防誤判斷，啟動時必須判斷換流變壓器已斷電，防止誤操作；控制系統(tǒng)不設(shè)置單獨的遠方停止按鈕，正常工作運行時，如需停止須就地操作。

2.4 設(shè)備布置

CAFS控制主機組屏安裝在CAFS控制主機柜內(nèi)，柜體布置于換流站主控樓三樓的站控制保護設(shè)備室內(nèi)。

CAFS控制系統(tǒng)運行工作站布置于換流站主控樓三樓的主控室內(nèi)。

CAFS產(chǎn)生裝置控制模塊組柜安裝在CAFS控制柜內(nèi)；CAFS產(chǎn)生裝置的測控裝置組柜安裝在設(shè)備間子機柜內(nèi)；CAFS控制柜、設(shè)備間子機柜、分區(qū)閥的機構(gòu)箱，均布置于某±800 kV換流站CAFS產(chǎn)生裝置設(shè)備間內(nèi)。

極1低端閥室測控裝置組柜安裝在極1低端閥室子機柜內(nèi)；極1低端閥室子機柜，極1低端選擇閥機構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極1低端選擇閥室內(nèi)。

極1高端閥室測控裝置組柜安裝在極1高端閥室子機柜內(nèi)；極1高端閥室子機柜，極1高端選擇閥機構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極1高端選擇閥室內(nèi)。

極2低端閥室測控裝置組柜安裝在極2低端閥室子機柜內(nèi)；極2低端閥室子機柜，極2低端選擇閥機構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極2低端選擇閥室內(nèi)。

極2高端閥室測控裝置組柜安裝在極2高端閥室子機柜內(nèi)；極2高端閥室子機柜，極2高端選擇閥機構(gòu)箱布置于某±800 kV換流站極2高端選擇閥室內(nèi)。

3 與火災(zāi)報警系統(tǒng)接口

3.1 特高壓換流變壓器火災(zāi)探測器配置

每臺換流變壓器本體配置感溫火災(zāi)探測器感溫電纜2套，纏繞在換流變壓器本體。

每臺換流變壓器配置火焰探測器3臺，其中2臺布置在換流變壓器box-in內(nèi)部，1臺布置在box-in外部，根據(jù)某換流站高、低端換流變現(xiàn)場的實際情況，每臺換流變安裝的3只紅紫外火焰探測器主要監(jiān)測閥側(cè)套管、網(wǎng)側(cè)套管、中性點套管以及分接開關(guān)。

特高壓換流變固定消防啟動跳閘邏輯如圖3所示[10]。

圖3 火災(zāi)報警啟動消防邏輯圖

3.2 CAFS系統(tǒng)與火災(zāi)報警系統(tǒng)接口

火災(zāi)報警主機通過硬接點信號，將換流變壓器固定消防啟動邏輯送至CAFS消防系統(tǒng)主機柜?；馂?zāi)報警系統(tǒng)設(shè)置多線控制盤，火災(zāi)報警系統(tǒng)多線控制盤通過硬接線，可以遠方手動控制控制分區(qū)選擇閥門、泡沫噴淋閥門、消防炮閥門和CAFS產(chǎn)生裝置。

4 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)首個±800 kV換流站壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)示范應(yīng)用工程，闡述了特高壓換流站CAFS的設(shè)備配置，CAFS控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)功能，給出了CAFS控制系統(tǒng)的設(shè)備布置等設(shè)計要點，對后續(xù)特高壓工程壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)用、設(shè)計等提供借鑒及技術(shù)支持。