白光亞，李天佼，張 誠(chéng)，趙偉利

（1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司，北京100052；2.山東誠(chéng)信工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，濟(jì)南250100）

特高壓換電站中的電力設(shè)備復(fù)雜，易出現(xiàn)火災(zāi)，不僅會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1]。目前特高壓換流站選用的滅火系統(tǒng)從火災(zāi)特性入手設(shè)計(jì)并安裝相應(yīng)的滅火裝置，提高換流站火災(zāi)撲救的可靠性。

目前國(guó)內(nèi)外研究成果，主要為文獻(xiàn)[2]提出的水滅火系統(tǒng)，通過(guò)末端噴頭噴出去的水直接滅火降溫，但實(shí)際效果僅為5%～10%，且對(duì)操作技術(shù)的要求較高，操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致火勢(shì)的進(jìn)一步蔓延；文獻(xiàn)[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(kuò)大，但是消防管道布置臃腫，不利于換流站的后期維護(hù)。

為解決傳統(tǒng)滅火裝置存在的應(yīng)用問(wèn)題，研發(fā)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(chǎn)生于前端主機(jī)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(yīng)用到特高壓換流站中，能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速滅火，并防止火災(zāi)復(fù)燃。

1 特高壓換流站中的固定式CAFS 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的基本原理，火焰的穩(wěn)定燃燒需要3 個(gè)要素的支持，分別為氧氣、可燃物和火源，那么在滅火過(guò)程中只要破壞上述3 個(gè)要素中的一個(gè)，便可終止燃燒反應(yīng)，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(guò)細(xì)化控制混合液的混合比例及均勻度，讓其發(fā)泡成均勻、細(xì)膩、穩(wěn)定的泡沫滅火劑，再通過(guò)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(guò)統(tǒng)計(jì)特高壓換流站所有設(shè)備型號(hào)及設(shè)備之間的連接方式，構(gòu)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 特高壓換流站結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of UHV converter station

圖1中換流站內(nèi)的換流閥與換流變壓器共同構(gòu)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(chǎn)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(duì)應(yīng)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(zhǎng)度、磁感應(yīng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通；Ei為變壓器繞組的感應(yīng)電勢(shì)。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(yùn)行表達(dá)式。為了避免換流站中任意2 個(gè)設(shè)備之間的運(yùn)行干擾，設(shè)置了最小空氣凈距，其計(jì)算公式為

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

1.2 分析固定式CAFS 裝置的應(yīng)用要求

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

1.3 選擇固定式CAFS 裝置組件型號(hào)

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(jìn)水組件

把系統(tǒng)的進(jìn)水管道連通到站內(nèi)的消防水源管道，采用由過(guò)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(jìn)水的壓流速度形成無(wú)負(fù)壓疊壓供水效應(yīng)，對(duì)主機(jī)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(diào)節(jié)是通過(guò)變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，因此柱塞泵選擇定排量型。在泡沫混合過(guò)程中，根據(jù)泡沫比例的計(jì)算結(jié)果[7]，柱塞泵的定排量計(jì)算公式為

式中：D，S 和Z 分別對(duì)應(yīng)的是活塞直徑、行程和數(shù)量。電機(jī)部分選擇直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)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(hào)為1W2.4-10.5 的漩渦式水泵和SZGB-4A 傳感器。

1.3.3 儲(chǔ)存組件

儲(chǔ)存組件即泡沫原液儲(chǔ)存系統(tǒng)，共儲(chǔ)存配置為3%的泡沫原液20 t。泡沫罐有保溫防撞措施，同時(shí)配有觀測(cè)實(shí)時(shí)液位的磁翻板液位計(jì)和遙傳數(shù)字液位計(jì)，便于操作人員在第一時(shí)間了解泡沫原液儲(chǔ)存情況。泡沫罐內(nèi)還設(shè)有檢修人員孔、加液口、溢流孔、排空管、取樣管等設(shè)備。

1.3.4 自動(dòng)調(diào)壓控制組件

自動(dòng)調(diào)壓裝置由泵、溢流閥、調(diào)壓閥及連接管路構(gòu)成，用來(lái)向壓力系統(tǒng)供液，其工作原理如圖3所示。

圖3 自動(dòng)調(diào)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(shè)定范圍內(nèi)，再通過(guò)調(diào)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(diào)節(jié)閥閥芯自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，始終保持平衡。當(dāng)調(diào)壓閥處于開啟和平衡狀態(tài)時(shí)，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(zhì)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(zāi)類型，選擇合適的滅火劑[9]。在諸多火災(zāi)類型中，C 類火災(zāi)專指帶電電氣設(shè)備引起的火災(zāi)，應(yīng)選擇C 類泡沫滅火劑。C 類滅火劑配置方式獨(dú)特，屬于泡沫潤(rùn)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(jì)算壓縮空氣泡沫配方中各個(gè)成分的混合比。C 類泡沫的混合比例須控制在1%以下。設(shè)定固定式CAFS 裝置中的柱塞泵組件在達(dá)到最大流量α 時(shí)對(duì)應(yīng)的泡沫比例為1%，此時(shí)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(diǎn)上的流量值。

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

1.5 實(shí)現(xiàn)固定式CAFS 裝置的設(shè)計(jì)與安裝

連接固定式CAFS 裝置的各個(gè)組件，并將配置好的滅火劑注入到裝置內(nèi)。起火時(shí)，首先利用空壓機(jī)設(shè)備啟動(dòng)該裝置，吸入大量空氣，同時(shí)借助水泵向管路內(nèi)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(nèi)進(jìn)行混合攪拌 （混合僅在混合室進(jìn)行）。混合完成后產(chǎn)生的高能滅火泡沫經(jīng)過(guò)混合室進(jìn)入一個(gè)密閉的管路系統(tǒng)，由管路系統(tǒng)上的各個(gè)噴射裝置噴入火中。因?yàn)閲娚溲b置上不裝有任何吸氣裝置，在進(jìn)入混合室前吸入的空氣在噴出后恢復(fù)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(shè)計(jì)并調(diào)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(jié)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(guò)程中須考慮換流站進(jìn)場(chǎng)的時(shí)間，按照以下順序進(jìn)行安裝，即管路安裝、主機(jī)設(shè)備安裝、閥室安裝、電氣線路連接和調(diào)試。CAFS 的管路安裝必須在安裝每個(gè)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(yīng)制定專項(xiàng)方案，明確范圍、檢測(cè)數(shù)據(jù)、電動(dòng)閥門保護(hù)措施、應(yīng)急措施等內(nèi)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(yīng)用性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試固定式CAFS 裝置在特高壓換流站中的應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，定性分析量化的測(cè)試結(jié)果。由于特高壓換流站的危險(xiǎn)性較高，火災(zāi)形勢(shì)很難控制。為了降低實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際工作環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，此次實(shí)驗(yàn)采用仿真的形式進(jìn)行。

2.1 選擇特高壓換流站環(huán)境

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為青海省海南換流站，終點(diǎn)為河南省駐馬店換流站，全程共計(jì)1588 km。經(jīng)過(guò)3年的運(yùn)行，該換流站的工作模式逐漸趨于穩(wěn)定，平均年輸電量達(dá)到400×109kW 以上。為了降低實(shí)驗(yàn)工作量，選擇青海省省內(nèi)的多個(gè)特高壓換流站作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并收集其歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 配置應(yīng)用性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

特高壓換流站實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及所有點(diǎn)火、滅火設(shè)備均使用VeriStand 軟件建立相應(yīng)的仿真平臺(tái)。通過(guò)VeriStand 軟件添加仿真模型和硬件端口，經(jīng)過(guò)仿真映射控制模型動(dòng)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(zhì)，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部流體的演變而發(fā)生變化，因此在實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)下嵌入一個(gè)AMESim 插件，主要用來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的流體介質(zhì)，涉及的流體介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置情況，如表1所示。

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

另外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中還設(shè)置了觸發(fā)、蔓延等控件，用來(lái)控制仿真特高壓換流站中火勢(shì)的嚴(yán)重程度及固定式CAFS 裝置的使用狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中還須嵌入泡沫收集器、溫度測(cè)定儀等性能測(cè)試裝置，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以調(diào)取后臺(tái)數(shù)據(jù)，直接得出量化的測(cè)試結(jié)果。

2.3 設(shè)置火源模擬火災(zāi)場(chǎng)景

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下設(shè)置多個(gè)火災(zāi)場(chǎng)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(zāi)類型在第10 s 的模擬場(chǎng)景，如圖5所示。

圖5 火災(zāi)場(chǎng)景模擬Fig.5 Fire scene simulation

2.4 設(shè)置應(yīng)用性能測(cè)試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)分別從兩個(gè)方面來(lái)分析固定式CAFS 裝置的應(yīng)用性能，一方面是固定式CAFS 裝置自身的發(fā)泡倍數(shù)，其計(jì)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(zāi)場(chǎng)景下，應(yīng)用固定式CAFS 裝置前后的火災(zāi)面積、持續(xù)時(shí)間。

2.5 設(shè)置固定式CAFS 裝置運(yùn)行參數(shù)

將設(shè)計(jì)的固定式CAFS 裝置安裝在仿真模擬環(huán)境中，其運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

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

2.6 應(yīng)用性能測(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

除了設(shè)計(jì)的固定式CAFS 裝置外，還設(shè)置了傳統(tǒng)水滅火系統(tǒng)[2]應(yīng)用的PQ4 泡沫槍和PQ8 泡沫槍作為實(shí)驗(yàn)的2 個(gè)對(duì)比項(xiàng)。3 種滅火裝置在相同的火災(zāi)場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用，且運(yùn)行參數(shù)與測(cè)試指標(biāo)均相同，保證實(shí)驗(yàn)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(dòng)火源，并在10 s 后同時(shí)啟動(dòng)3 個(gè)滅火裝置，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理，得出滅火裝置發(fā)泡倍數(shù)的測(cè)試結(jié)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(guò)分析火災(zāi)后場(chǎng)景，調(diào)取后臺(tái)數(shù)據(jù)，可以得出最終的應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果，如表4所示。

表3 滅火裝置發(fā)泡倍數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of foaming multiple of fire extinguishing device

表4 應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Application performance test results

由表4可知，將3 種不同的滅火設(shè)備應(yīng)用到特高壓換流站場(chǎng)景中，最終的平均受災(zāi)面積分別為159.35 m2，138.83 m2和113.74 m2。從火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間來(lái)看，應(yīng)用3 種設(shè)備的平均受災(zāi)時(shí)間為0.57 h，0.39 h 和0.25 h。由此可見(jiàn)，應(yīng)用設(shè)計(jì)的固定式CAFS裝置的特高壓換流站場(chǎng)景受災(zāi)程度更低。

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用固定式CAFS 裝置降低了特高壓換流站的救災(zāi)難度，同時(shí)降低了火災(zāi)所帶來(lái)的各方面損失。然而受到時(shí)間和空間的限制，實(shí)驗(yàn)選擇的對(duì)比項(xiàng)較少，且采用的是仿真方式，因此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)存在誤差，從而降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。針對(duì)這一問(wèn)題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。