李帆，張雪梅，錢艷園，吳玲華

（1.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海　200080；2.國網上海電力設計有限公司，上?！?00080）

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500 kV地下變電站主設備火災場景模擬

李帆1，張雪梅2，錢艷園2，吳玲華2

（1.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海200080；2.國網上海電力設計有限公司，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。如何針對我國大型電站設備設計管理的實際需求，制定消防安全應對策略，切實保障地下變電站的防火安全，是實現(xiàn)變電站與其他建筑結合建造的關鍵問題。以上海某500 kV地下變電站設計為例，對主變壓器室、電抗器室采用火災動力學模擬模型（FDS）軟件模擬典型火災場景，得到火場發(fā)展的主要參數，為合理的消防設計提供依據。

關鍵詞：地下變電站；火災；FDS模擬

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

近年來，城市建設飛速發(fā)展，城市用電負荷持續(xù)迅猛增長。城市用電負荷中心往往與城市建設的核心相重合，但對于上海這樣的國際化大都市，核心區(qū)域的商業(yè)規(guī)劃十分緊湊，建設地下變電站是大勢所趨，對變電站消防設計提出了前所未有的高要求[1-3]。但在技術層面上，國內沒有關于地下變電站消防系統(tǒng)方面的規(guī)范。針對上海某在建500 kV地下變電站中重要危險源，即設備中大量含油的主變壓器室和電抗室，利用火災模擬軟件對各種不利場景進行模擬，得出模擬結果和建議。

1　地下變電站火災情況

地下變電站火災屬于受限空間類型火災，室內燃燒存在通風控制和燃料控制2個階段。在起火初期，火場大小與受限空間的大小相比很小，有足夠的O2供應，室內燃燒狀況由可燃物數量和分布情況決定，即燃料控制階段；火災繼續(xù)發(fā)展，火區(qū)面積增大，熱解出的可燃氣體越來越多，受限空間內的O2不足以維持燃料完全燃燒，燃燒速率轉由流進室內的空氣速率控制，即通風控制階段。通風控制燃燒是受限空間的開口大小處在一定范圍、火災發(fā)展到一定規(guī)模時出現(xiàn)的現(xiàn)象。通常認為，室內火災熱釋放速率（HRR）達到最大值的時刻，為燃料控制燃燒與通風控制燃燒的分界點[4-5]。

對于地下變電站，主要火災危險區(qū)域為主變壓器室和電抗器室。當火災發(fā)生時，在消防控制系統(tǒng)作用下，關閉進風百葉和排風風閥，房門均處于常閉狀態(tài)，整個火災發(fā)生過程將迅速從燃料控制階段轉化到通風控制階段，最終因O2缺乏而快速熄滅[6-9]。本文針對上海某500 kV地下變電站中重要危險源，即設備中大量含油的主變壓器室和電抗室，運用火災動力學模擬模型（fire dynamics simulator，F(xiàn)DS）模擬軟件進行火災的計算機模擬[1-3]。依據“可信最不利原則”，選取6種火災場景，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，比較得出最不利場景并加以分析。

2　火災模擬軟件FDS

FDS是由美國NIST（national institute of standards and technology，NIST）開發(fā)的一種場模擬程序，它是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學軟件。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程。由于FDS程序的開放性，其準確性得到了大量實驗的驗證，因此在火災科學領域得到了廣泛應用[4-5]。

該軟件根據建筑和火災的特性，以簡單直觀的形式，動態(tài)顯示出火災發(fā)展全過程，并通過計算獲得較為準確的火災信息的相關參數，可以模擬三維空間內空氣的溫度、速度和煙氣的流動情況等。

3　模型試驗方案設置

3.1開門時間及設定

為預防500 kV地下變電站的回燃，根據對各場景火災的預模擬，設定的開門時間分別為：

1）對變壓器室，小油池火的開門時間為500 s；大油池火的開門時間為500 s；油枕火的開門時間為500 s；散熱管火的開門時間為400 s；小油池火+油枕火的開門時間為500 s；大油池火+散熱管火的開門時間為400 s。

2）對電抗器室，6種火災場景的開門時間都為400 s。

3.2熱電偶設定

為及時獲取房間溫度分布情況，在房間高度方向每隔0.5 m設置熱電偶。在進風百葉和排風防火閥處，各設置一個熱電偶，以檢測閥門處溫度情況。

3.3各場景模擬時間設定

根據多次試模擬結果分析，各場景模擬時間設定為：

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

2）對電抗器室，6種火災場景的模擬時間都為600 s。

4　模擬結果分析

利用火災模擬軟件FDS，分別對主變壓器及電抗器火災進行模擬，模擬結果分析如下。

4.1著火與滅火

模擬中構筑物及設備大小采用設計尺寸，設備噴射火的流動速率取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，見圖1、圖2），變壓器與電抗器火災最大HRR時間及熄火時間見表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

根據表1、表2所列的HRR最大值發(fā)生時間和火災熄滅時間，對于主變壓器和電抗器來說，最大HRR值發(fā)生的時間和最短的火災熄滅時間，均發(fā)生在“大油池火+散熱管火”場景下。故應針對該場景發(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　變壓器火災最大HRR時間及熄火時間匯總Tab. 1 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the transformer fire

表2　電抗器火災最大HRR時間及熄火時間匯總Tab. 2 Summary of the largest HRR time and shut downtime of the reactor fire

1）加強主要設備（變壓器、電抗器等）的質量，不但要符合制造廠及國家相關規(guī)范的技術要求，而且安裝前要進行絕緣測試，并仔細檢查設備的各個部件是否滿足要求，確認后方可安裝。

2）變壓器、電抗器在外電路系統(tǒng)設計上，應考慮各種安全防火措施（諸如：設有熔斷器或繼電保護裝置），用以保護變壓器或電抗器在短路和過負荷時不致造成線路著火；設備外殼與接地網連接，可靠接地；引入線應裝設避雷器，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)設計上，應充分考慮地下變電站的特點，采取相應的有助于防止火災發(fā)生的措施（諸如：設備房間通風良好，以保證環(huán)境溫度低于允許溫度）；主要含油設備（變壓器、電抗器等）下設有泄油收集池，在火災時，迅速將燃油排至安全區(qū)域；設置水噴霧滅火系統(tǒng)。

4）設備正常運行后還要按照規(guī)程的規(guī)定，定時進行檢修；若設備嚴重超負荷，應予以更換或啟用備用設備，得到緩和。

4.2閥門安全性

4.2.1主變壓器室通風閥門安全性

根據該變電站施工圖設計，通風閥門、防火百葉位置如圖3、圖4所示。

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

依據通風主閥BF1-5-15、BF1-5-16在火災場景中的溫度-時間曲線（以大油池火場景閥門為例，見圖5、圖6），將最高可能溫度匯總，見表3。

圖5　大油池火場景閥門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”場景。在該場景下，通風主閥BF1-5-15、BF1-5-16溫度均超過原設計70℃熔斷的條件，故選擇該閥門時，除滿足70℃熔斷條件外，同時材質厚度等應均能耐受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　　℃

防火百葉在火災場景中的最高可能溫度匯總見表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”場景。在該場景下，防火百葉1溫度超過225℃。防火百葉2最不利情況出現(xiàn)在“大油池火”場景。在該場景下，防火百葉2溫度超過155℃。故2處防火百葉材質及厚度等應均能耐受245℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防防火百葉失效。

4.2.2電抗室通風閥門安全性

依據通風主閥BF2-2-22在火災場景中的溫度-時間曲線（以大油池火場景閥門為例，見圖7），將最高可能溫度匯總，見表5。

圖7　大油池火場景閥門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”場景。在該場景下，通風主閥BF2-2-22溫度超過原設計70℃熔斷的條件，故選擇該閥門時除滿足70℃熔斷條件外，同時材質厚度等應均能耐受160℃（取最高可能溫度+20℃）以上高溫，以防止防火閥失效。

依據防火百葉F2-2-5在火災場景中的溫度-時間曲線（以大油池+散熱管火場景為例，見圖8），將最高可能溫度匯總，見表6。

圖8　大油池+散熱管火場景防火百葉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”場景。在該場景下，防火百葉F2-2-5溫度超過95℃，故該處防火百葉材質及厚度等應均能耐受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

在火災場景下，主變壓器壁面最高溫度匯總見表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℃，遠遠低于混凝土安全溫度250℃[4]。其他場景下溫度均比較低。分析原因如下：當火災發(fā)生時，墻壁周圍的空氣溫度比較低，熱傳導對壁面溫度影響較?。挥忠驗榛馂暮笃诳臻g流場比較穩(wěn)定，熱對流對溫度增長沒有什么作用；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

在火災場景下，電抗器室壁面最高溫度匯總見表8。

根據表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℃，遠遠低于混凝土安全溫度250℃，其他場景下溫度均比較低。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結論

1）對于500 kV地下變電站中火災危險性比較大的房間，諸如主變壓器間、電抗器間，應加強采購設備的質量控制；在電氣系統(tǒng)與電氣設備設計方面，應設置各種電氣保護裝置，從源頭控制火災發(fā)生。

2）建筑、結構、消防、暖通、弱電等專業(yè)設計，應著眼于消防技術原則和策略，從設計開始，全局統(tǒng)籌地下變電站消防安全設計。從FDS數值模擬結果分析可知，房間圍護結構，包括建筑隔墻，風管、百葉穿墻等材料選擇及節(jié)點設計，應滿足耐火、防火要求。

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

4）通過FDS數值模擬可見，突然開門等動作會致使房間內剩余燃料熱釋放速率（HRR）出現(xiàn)峰值突變的劇烈回燃，產生高溫、高壓，具有很大的破壞力，并對滅火人員構成嚴重威脅，應通過延長水噴霧時間等降溫措施盡力避免。

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李帆（1979—），女，本科，工程師，從事電力設計工作。

（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

作者簡介：

收稿日期：2015-12-21。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助（2015AA 50203）。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0034- 06

中圖分類號：TM63；TU892

文獻標志碼：A