固定式CAFS裝置在特高壓換流站中的應用

白光亞，李天佼，張 誠，趙偉利

（1.國家電網(wǎng)有限公司直流建設分公司，北京100052；2.山東誠信工程建設監(jiān)理有限公司，濟南250100）

特高壓換電站中的電力設備復雜，易出現(xiàn)火災，不僅會影響電力系統(tǒng)的正常運行，還會帶來嚴重的人員傷亡與經(jīng)濟損失[1]。目前特高壓換流站選用的滅火系統(tǒng)從火災特性入手設計并安裝相應的滅火裝置，提高換流站火災撲救的可靠性。

目前國內外研究成果，主要為文獻[2]提出的水滅火系統(tǒng)，通過末端噴頭噴出去的水直接滅火降溫，但實際效果僅為5%～10%，且對操作技術的要求較高，操作不當會導致火勢的進一步蔓延；文獻[3]提出的大規(guī)模特高壓換流站，其配置了數(shù)量較多的滅火裝置，消防水池面積不斷擴大，但是消防管道布置臃腫，不利于換流站的后期維護。

為解決傳統(tǒng)滅火裝置存在的應用問題，研發(fā)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)，簡稱CAFS。與常規(guī)的水滅火系統(tǒng)相比，CAFS 系統(tǒng)的滅火效率高出10 倍以上，且壓縮空氣泡沫產生于前端主機部分，因此受火焰、高溫、煙氣、爆炸等因素影響小，系統(tǒng)可靠性高，將其應用到特高壓換流站中，能夠在火災發(fā)生時快速滅火，并防止火災復燃。

1 特高壓換流站中的固定式CAFS 裝置設計

根據(jù)火災發(fā)生的基本原理，火焰的穩(wěn)定燃燒需要3 個要素的支持，分別為氧氣、可燃物和火源，那么在滅火過程中只要破壞上述3 個要素中的一個，便可終止燃燒反應，控制火焰燃燒。

固定式CAFS 裝置的原理是將泡沫原液和水按一定比例混合，再將壓縮空氣注入到泡沫混合液中，通過細化控制混合液的混合比例及均勻度，讓其發(fā)泡成均勻、細膩、穩(wěn)定的泡沫滅火劑，再通過管路系統(tǒng)輸送至末端噴射裝置[4]。

1.1 建立特高壓換流站輸電模型

通過統(tǒng)計特高壓換流站所有設備型號及設備之間的連接方式，構建相應的結構模型，如圖1所示。

圖1 特高壓換流站結構模型Fig.1 Structural model of UHV converter station

圖1中換流站內的換流閥與換流變壓器共同構成換流器。換流相位可使換流器處于整流或逆變狀態(tài)。交流濾波器的作用是控制系統(tǒng)產生的諧波[5]。另外換流變壓器的工作特征可以分為磁路和電路兩部分，對應方程為

式中：i 的取值為1 或2；ri和ii分別為繞組的電阻和電流；Liσ和Ni分別為繞組的漏感和匝數(shù)；A，l，B，H和φ 分別表示的是變壓器鐵芯中有效橫截面積、磁路長度、磁感應和磁場強度、磁通；Ei為變壓器繞組的感應電勢。同理可得到特高壓換流站中整流閥、控制器、濾波器等組件的運行表達式。為了避免換流站中任意2 個設備之間的運行干擾，設置了最小空氣凈距，其計算公式為

式中：d 為最小空氣凈距的計算結果；kj和U50-corr分別為電氣設備表征電極形狀特性的間隙系數(shù)和標準大氣條件下的沖擊放電電壓。

1.2 分析固定式CAFS 裝置的應用要求

在特高壓換流站輸電模型下，分析各個組件工作模式，可以得出特高壓換流站火災發(fā)生的特點[6]。

1.3 選擇固定式CAFS 裝置組件型號

固定式CAFS 裝置的具體組成情況，如圖2所示。

圖2 固定式CAFS 裝置組成Fig.2 Composition diagram of fixed CAFS device

1.3.1 進水組件

把系統(tǒng)的進水管道連通到站內的消防水源管道，采用由過濾器、閘閥、止回閥、增壓泵等組成的雙通道給水管道，根據(jù)進水的壓流速度形成無負壓疊壓供水效應，對主機持續(xù)供水。

1.3.2 泡沫比例混合組件

由于CAFS 裝置中泵流量的調節(jié)是通過變轉速實現(xiàn)的，因此柱塞泵選擇定排量型。在泡沫混合過程中，根據(jù)泡沫比例的計算結果[7]，柱塞泵的定排量計算公式為

式中：D，S 和Z 分別對應的是活塞直徑、行程和數(shù)量。電機部分選擇直流電機，其轉速與功率參數(shù)根據(jù)柱塞泵的參數(shù)確定，分別為1450 r/min 和300 W。根據(jù)確定的水泵壓力選擇型號為1W2.4-10.5 的漩渦式水泵和SZGB-4A 傳感器。

1.3.3 儲存組件

儲存組件即泡沫原液儲存系統(tǒng)，共儲存配置為3%的泡沫原液20 t。泡沫罐有保溫防撞措施，同時配有觀測實時液位的磁翻板液位計和遙傳數(shù)字液位計，便于操作人員在第一時間了解泡沫原液儲存情況。泡沫罐內還設有檢修人員孔、加液口、溢流孔、排空管、取樣管等設備。

1.3.4 自動調壓控制組件

自動調壓裝置由泵、溢流閥、調壓閥及連接管路構成，用來向壓力系統(tǒng)供液，其工作原理如圖3所示。

圖3 自動調壓供液裝置工作原理Fig.3 Working schematic diagram of automaticpressure regulating liquid supply device

水泵輸出液體由溢流閥控制，其壓力保持在溢流閥設定范圍內，再通過調壓閥將液體壓力供給系統(tǒng)[8]。隨著泵排出液壓力的變化，調節(jié)閥閥芯自動調節(jié)閥門開度，始終保持平衡。當調壓閥處于開啟和平衡狀態(tài)時，閥芯的壓力平衡方程為

式中：變量p0，p1和p2分別為泵出口、控制和供液壓力；A0和A′表示閥芯下、上作用面積；A1和A1′表示隔膜上、下作用面積；m 和g 表示閥芯質量和重力加速度。

1.4 配制固定式CAFS 裝置的泡沫滅火劑

根據(jù)火災類型，選擇合適的滅火劑[9]。在諸多火災類型中，C 類火災專指帶電電氣設備引起的火災，應選擇C 類泡沫滅火劑。C 類滅火劑配置方式獨特，屬于泡沫潤濕劑的一種。泡沫滅火劑與水充分混合后能夠提高水分子的滲透性能，降低水分子的表面張力。

在配置滅火劑前，首先須計算壓縮空氣泡沫配方中各個成分的混合比。C 類泡沫的混合比例須控制在1%以下。設定固定式CAFS 裝置中的柱塞泵組件在達到最大流量α 時對應的泡沫比例為1%，此時裝置中的水流量用β 表示。那么在β 不變的條件下，固定式CAFS 裝置中泡沫滅火劑的最低混合比例可以表示為

式中：γ 表示柱塞泵在最低流量點上的流量值。

利用靜態(tài)混合器按照公式（5）的計算結果，混合處理多個成分，并保證裝置內的空氣處于平衡狀態(tài)[10]。

1.5 實現(xiàn)固定式CAFS 裝置的設計與安裝

連接固定式CAFS 裝置的各個組件，并將配置好的滅火劑注入到裝置內。起火時，首先利用空壓機設備啟動該裝置，吸入大量空氣，同時借助水泵向管路內供水，流經(jīng)泡沫混合組件的水與泡沫原液按配置比例混合[11]；其次將帶壓空氣、水、泡沫液輸送到混合室內進行混合攪拌 （混合僅在混合室進行）?；旌贤瓿珊螽a生的高能滅火泡沫經(jīng)過混合室進入一個密閉的管路系統(tǒng)，由管路系統(tǒng)上的各個噴射裝置噴入火中。因為噴射裝置上不裝有任何吸氣裝置，在進入混合室前吸入的空氣在噴出后恢復常壓狀態(tài)；最終將具有滅火性能的空氣泡沫盡可能地噴射到可燃物表面。

將設計并調試完成的固定式CAFS 裝置安裝到特高壓換流站的指定位置上，具體的安裝結果如圖4所示。

圖4 固定式CAFS 裝置在特高壓換流站中的安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of installation of fixed CAFS device in UHV converter station

在安裝過程中須考慮換流站進場的時間，按照以下順序進行安裝，即管路安裝、主機設備安裝、閥室安裝、電氣線路連接和調試。CAFS 的管路安裝必須在安裝每個換流位置之前完成，避免發(fā)生交叉作業(yè)。管道焊縫探傷、沖刷、加壓3 道安裝流程必須在系統(tǒng)試噴前完成。沖刷和加壓的前提是站區(qū)消防水系統(tǒng)必須投入使用，消防水池中消防泵組可抽水量不少于1000 m3。應制定專項方案，明確范圍、檢測數(shù)據(jù)、電動閥門保護措施、應急措施等內容。打壓完成后采用法蘭連接的方式連接噴淋管道，并完成管道沖洗。

2 應用性能測試實驗分析

為了測試固定式CAFS 裝置在特高壓換流站中的應用性能，設計性能測試實驗，定性分析量化的測試結果。由于特高壓換流站的危險性較高，火災形勢很難控制。為了降低實驗對實際工作環(huán)境產生的負面影響，此次實驗采用仿真的形式進行。

2.1 選擇特高壓換流站環(huán)境

實驗選擇的特高壓換流站為青豫特高壓駐馬店±800 kV 換流站工程，該工程起點為青海省海南換流站，終點為河南省駐馬店換流站，全程共計1588 km。經(jīng)過3年的運行，該換流站的工作模式逐漸趨于穩(wěn)定，平均年輸電量達到400×109kW 以上。為了降低實驗工作量，選擇青海省省內的多個特高壓換流站作為實驗對象，并收集其歷史運行數(shù)據(jù)作為實驗的基礎數(shù)據(jù)。

2.2 配置應用性能測試實驗平臺

特高壓換流站實驗環(huán)境以及所有點火、滅火設備均使用VeriStand 軟件建立相應的仿真平臺。通過VeriStand 軟件添加仿真模型和硬件端口，經(jīng)過仿真映射控制模型動作。配置系統(tǒng)資源和軟、硬件的集成。

固定式CAFS 裝置噴出的泡沫屬于一種半液態(tài)物質，會因為內部流體的演變而發(fā)生變化，因此在實驗開發(fā)平臺下嵌入一個AMESim 插件，主要用來模擬實驗環(huán)境中的流體介質，涉及的流體介質在實驗環(huán)境中對應的參數(shù)設置情況，如表1所示。

表1 仿真環(huán)境中流體介質參數(shù)設置Tab.1 Setting of fluid media parameters in simulation environment

另外實驗平臺中還設置了觸發(fā)、蔓延等控件，用來控制仿真特高壓換流站中火勢的嚴重程度及固定式CAFS 裝置的使用狀態(tài)。實驗平臺中還須嵌入泡沫收集器、溫度測定儀等性能測試裝置，在實驗結束后可以調取后臺數(shù)據(jù)，直接得出量化的測試結果。

2.3 設置火源模擬火災場景

在相同實驗環(huán)境下設置多個火災場景，火源位置分別為變壓器、濾波器、電阻絲等，其中變壓器火災類型在第10 s 的模擬場景，如圖5所示。

圖5 火災場景模擬Fig.5 Fire scene simulation

2.4 設置應用性能測試指標

實驗分別從兩個方面來分析固定式CAFS 裝置的應用性能，一方面是固定式CAFS 裝置自身的發(fā)泡倍數(shù)，其計算公式為

式中：W1和W 分別為泡沫充滿前后容器的重量；ν表示容器的容積；ρ 為泡沫混合液的密度。另一方面是分析在模擬特高壓換流站不同的火災場景下，應用固定式CAFS 裝置前后的火災面積、持續(xù)時間。

2.5 設置固定式CAFS 裝置運行參數(shù)

將設計的固定式CAFS 裝置安裝在仿真模擬環(huán)境中，其運行參數(shù)如表2所示。

表2 固定式CAFS 裝置運行參數(shù)Tab.2 Operation parameters of fixed CAFS device

2.6 應用性能測試過程與結果分析

除了設計的固定式CAFS 裝置外，還設置了傳統(tǒng)水滅火系統(tǒng)[2]應用的PQ4 泡沫槍和PQ8 泡沫槍作為實驗的2 個對比項。3 種滅火裝置在相同的火災場景中進行應用，且運行參數(shù)與測試指標均相同，保證實驗變量的唯一性。在特高壓換流站環(huán)境中的不同位置上啟動火源，并在10 s 后同時啟動3 個滅火裝置，通過相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與處理，得出滅火裝置發(fā)泡倍數(shù)的測試結果，如表3所示。

從表3中可知，3 種滅火裝置的平均發(fā)泡倍數(shù)分別為16.6 倍、17.9 倍和19.3 倍。另外通過分析火災后場景，調取后臺數(shù)據(jù)，可以得出最終的應用性能測試結果，如表4所示。

表3 滅火裝置發(fā)泡倍數(shù)測試結果Tab.3 Test results of foaming multiple of fire extinguishing device

表4 應用性能測試結果Tab.4 Application performance test results

由表4可知，將3 種不同的滅火設備應用到特高壓換流站場景中，最終的平均受災面積分別為159.35 m2，138.83 m2和113.74 m2。從火災的持續(xù)時間來看，應用3 種設備的平均受災時間為0.57 h，0.39 h 和0.25 h。由此可見，應用設計的固定式CAFS裝置的特高壓換流站場景受災程度更低。

3 結語

應用固定式CAFS 裝置降低了特高壓換流站的救災難度，同時降低了火災所帶來的各方面損失。然而受到時間和空間的限制，實驗選擇的對比項較少，且采用的是仿真方式，因此得出的實驗結果可能會存在誤差，從而降低實驗結果的可信度。針對這一問題還需要在今后的研究工作中進一步補充與完善。