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摘要：高压/低压预装式变电站(简称预装式变电站)尺寸和结构形式多样，从10~220 kV供电系统均有广泛的应用。随着我国用电量的增加，电气火灾形势日趋严峻，因此预装式变电站防火设计也异常重要。但目前预装式变电站的防火标准只对外壳进行了简单的约束，防火设计存在部分无标准可依的现象。通过对预装式变电站内风险源、成因和火灾形式的研究，针对性地分析出预装式变电站防火的设计重点；并结合工作中遇到的实际问题，提出了“防火为主，局灭为辅”的核心设计思想，方案包括大中小型的预装式变电站的不同设计思路，预装式变电站材质和内部设备无油化设计，重点设备的布置策略等；对预装式变电站防火设计的一些关键措施进行了阐述，包括基础电缆夹层防火设计方案，防火间隔设计方案、底部通风防火方案及环境凝露防火方案等。
关键词：箱式变电站；电气火灾；设计方案
Research on Fire Protection Design Scheme of Prefabricated Substations You Hengyuan1,2，Qu Dongming1
(1.Qingdao TGOOD Electric Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266101,China;2.Sichuan Academy of Mountain Rail Transit Science,Chengdu 610000,China)
Abstract:Prefabricated substation have various sizes and structural forms,and they are widely used in 10~220 kV electric power system.With the increase of electricity consumption in China,the situation of electrical fire is becoming more and more serious,therefore,the fire protection design of prefabricated substations are extremely important.At present,the fire protection standard of prefabricated substation only regulates the shell simply.In many cases there is no standard for fire protection design.Through the study of risk sources,causes and main fire forms in the prefabricated substation,the key points of fire prevention design in them were analyzed.Combined with the practical problems encountered in the work,the core idea of fire prevention was put forward,that was,"fire prevention as the priority,local fire extinguishing as the auxiliary".The scheme included different design ideas of large,medium and small prefabricated substations,oil-free design of material and material strength requirements of shell;lay out strategy of key equipment in prefabricated substations,etc.In addition,some key measures of fire protection design of prefabricated substations were expounded,including the fire protection design scheme of base cable interlayer,the fire protection interval design scheme,the ventilation fire protection scheme at the bottom and the condensation fire protection scheme.
Key words:prefabricated substation;electrical fire;design scheme
0引言
随着工业化、信息化、城镇化和农业现代化同步推进，我国用电量持续硬性提升，用电设备增加、用电方式多样化的趋势更为突出。同期，电气火灾形势势必日趋严峻[1]。预装式变电站作为未来供电设备的发展方向，其防火设计也是重中之重。目前预装式变电站一直无明确的防火设计标准，在《高压/低压预装式变电站》GB/T 17467—2020[2]内6.104.2防火性能的描述中只是介绍了外壳的防火性能要求，且外壳材质也无明确限制；标准内防火设计只是将预装式变电站作为一个整体来考虑。另外预装式变电站消防要求的弱化和简化也是共识，因此吴辰璇等[3]提出“从消防验收来看，传统变电站针对建筑消防验收的规范要求较多，而装配式变电站的预制舱不属于建筑，消防验收相对较容易”。
箱式变电站从体积上划分，主要有小型的欧变和美变及特殊的华变；中型的内部集成监控等设备的无人值守站，单体尺寸(长×宽×高)最大可达4 m×20 m×3.2 m；大型的如110 kV以上变电站，结构可设计2~3层，电压等级可达到220 kV。故预装式变电站种类繁多，防火设计难以用统一标准来规定。
预装式变电站的内部设备和结构多样，防火难度不一，防火重要性不同，只对外壳进行防火约束显然不合适，尤其是预装式变电站内部的隔室之间，预装式变电站与基础电缆夹层之间等防火重点部位，都需要有一个合理的设计方案。
本文通过对消防规范内容的分析，参照电气消防的基本原理，结合自身工作的经验，提出了部分预装式变电站防火的设计方案，希望起到抛砖引玉的作用。
1现象分析
预装式变电站的电气火灾危险源角主要是变压器(包括含油和干式设备)，电压互感器、绝缘子、避雷器、电缆等。主要成因是短路、过载、接触不良、漏电、绝缘老化、过电压等。发生电气火灾最重要的形式是电弧性短路。另外过载、接触不良等引起的局部过热[4]以及漏电造成局部过热和电火花的破坏[5]都能通过引燃自身可燃物和周围可燃物形成火灾。另外，蓄电池劣化，产生氢气并造成的爆炸也是发生较多的电气火灾的缘由，同理电容器等易受过电压击穿的设备，同样是发生火灾的关键。
预装式变电站电气火灾除有以上电气火灾的共性外，还有其不同于常规电气火灾的鲜明特点。箱式变电站的结构特点是结构紧凑，隔室区分不明显(主要是为了优化结构设计)，预装式变电站基础电缆复杂，环境控制难度较大，通风散热结构受限等，决定了预装式变电站防火设计难度更高。结构紧凑使预装式变电站隔室之间的防火蔓延问题比较突出，彭加立[6]提到预装式变电站低压侧燃弧造成了高压侧熔断器爆炸，引起了事故扩大。预装式变电站的各个隔室在很多情况下往往不能完全隔离开高压室、低压室以及自动化室甚至是变压器室；另外预装式变电站基础内电缆比较多，也存在隔离不完善的情况。如訾勇[7]提到了由于基础内电缆着火、电缆防火封堵不合格、各隔室隔离不充分，从而造成整个预装式变电站的烧毁。预装式变电站的应用环境复杂，环控设计就比较复杂，环境的凝露也是造成预装式变电站火灾的重要因素。如张力游[8]描述的预装式变电站基础内潮气入侵造成开关柜表面爬电现象，从而产生火灾隐患。另外预装式变电站内的基础一般可以作为通风的通道，这与防火封堵有先天的矛盾，也存在此类复杂问题。
2解决方案
预装式变电站的防火设计首先选择“主动消防”方案，即方案满足消防标准要求，保证变电站内难以发生火灾。如果在主动消防无法满足或者必须要有“被动消防”的时候选择合适的灭火措施。各种气体灭火系统可以是全淹没式。各种小型化探火管气体和气溶胶的是局部应用式。“采用局部应用式会比采用全淹没方式从经济上更为节省，最主要的是全淹没灭火方式需要保护对象有较好的封闭条件，而局部应用灭火方式无需这样的条件[9]。”另外细水雾和水喷雾以及泡沫等灭火方式有针对性应用场合。
全淹没气体灭火系统要求预装式变电站内全管路设计，而气灭管路对预装式变电站承重能力的要求比较高，气灭管路结构对预装式变电站框架拼接结构要求高，结构设计难度大。全淹没存在实现的难度和维护的问题，因此，本文提出防火的设计方案是减少产生条件，隔绝火灾危害，和采用局部应用灭火方式，即，“防火为主，局灭为辅”。
2.1预装式变电站常规防火设计
预装式变电站防火设计首先满足GB/T 17467—2020[2]的要求，外壳的整体防火性能耐火等级要达到二级以上，变电站的主要构件和防护板防火等级至少需满足A1级以上，双层保温彩钢瓦防火等级仅为B2级，不允许采用。
预装式变电站内部需采用无油化设计，防止火灾蔓延造成损失扩大。预装式变电站的隔室之间必须按《防火封堵材料》GB 23864—2009[10]相关要求设置防火封堵，因为预装式变电站通常为无人值守站，推荐封堵材料耐火时间为3 h。
感温和感烟报警装置的安装须按《火灾自动报警系统施工及验收标准》GB 50166—2019[11]的要求执行，注意预装式变电站安装环境复杂，在环境灰尘量大的条件下，选用感烟器的灵敏度可适当降低，防止频繁报警。
预装式变电站内变压器为防火重点，且体积巨大，破坏性最大，通常设计在预装式变电站的中部，从有利于自然通风散热和减少防火蔓延的角度，推荐设置在箱体一侧端头。
预装式变电站中高压电缆室的防火，可在电缆室设置弧光保护装置，在电缆或预制式电缆终端设置温度在线监测装置实时监测电缆室的运行状态。为防止事故扩大，推荐在电缆室内设置冷气溶胶灭火装置。
预装式变电站基础的防火，第一要防水，尤占山等[12]指出，电缆故障往往是因为长时间浸水所致，因此预装式变电站必须严格做好防水和封堵，防止基础内电缆爆破甚至产生火灾。另外基础长期存水造成的凝露和局放问题也是箱变的火灾隐患。
根据“防火为主，局灭为辅”的思想，大中小型预装式变电站防火设计设计方案简单描述如下：小型预装式变电站一般可设置感烟器、感温器，采集消防信号，发生火灾后及时隔离，局部以气溶胶灭火为主，防止火灾事故扩大，危害附近人身财物安全。中型预装式变电站各个功能隔室也未完全分开，因此也须设置感烟器、感温器，配置手动干粉灭火器；可对关键设备设置极早期火灾监测装置，不推荐设置全淹没气体灭火系统，可在关键设备处设置小型探火管式气灭系统；也可以设置气溶胶灭火装置，比如在高压电缆室设置[13]。大型预装式变电站防火设计推荐参考要求更高的《火力发电厂与变电站设计防火规范》GB 50229—2019[14]相关要求。大型预装式变电站各个功能隔室，根据标准要求设置自动灭火系统，关键隔室二次预制舱设置全淹没灭火系统；另外，个别易发生火灾的单元柜，推荐增设小型自触发气体或气溶胶灭火装置；另外大型预制舱式预装式变电站上下两层布置时，金属电缆井需做防火封堵或设置灭火措施。
预装式变电站防火设计如电弧性短路，在独立采用继电保护无法满足可靠性、灵敏性和选择性时，有条件的情况下可将FAS系统(火灾报警系统)、CCTV(视频监控系统)和PSCADA系统(电力监控系统)信息联动，在高级软件中配置专家决策系统，通过软件方式强化预装式变电站的防火方案。
2.2预装式变电站基础内电缆夹层防火设计
预装式变电站底部一般采用槽钢和方钢作为主材，是预制式变电站结构最强的部分，因此其防火也易被忽视。预装式变电站中常用的国家标准Q235、Q345钢等在全负荷的情况下，到500℃左右，其强度下降至40％~50％，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都将迅速下降[15]。而电气火灾电弧温度可达2 000~3 000℃，高温的环境下结构承重能力急剧下降，短时间内整体的钢材结构会快速形变、坍塌，造成设备的完全损毁。因此预装式变电站整体框架结构设计时需考虑基础底部槽钢防火性能是否达标，尤其是长度跨度达10 m以上的中、大型预装式变电站，如果有条件推荐在预装式变电站底部基础中设置支撑立柱，另外预装式变电站基础钢材表面喷涂防火涂层，根据GB 50229—2019[14]中11.1.1条规定防火涂层按火灾危险性丙类，耐火等级二级标准选用。
2.3预装式变电站内防火间隔方案设计
预装式变电站重要的易燃易爆设备是蓄电池屏和电容器等。比如交直流电源屏中电池屏防火设计，根据GB 50229—2019[14]中表7.11.1中规定，蓄电池室火灾类别是C级，危险等级中，即火灾主要是由可燃气体氢气引爆的危害，氢气含量较低，危险不是非常严重。但是蓄电池爆炸是供电系统的严重事故，尤其是自动化程度高的无人化变电站。
预装式变电站设置独立防火间隔的意义在于将破坏性故障独立出来，防止故障的扩大化。防火设计推荐采用防火隔板作为主要防火结构，推荐采用耐火等级A级3h的玻镁防火板；进出电缆孔配无机耐火3 h防火泥。是另外，独立空间顶部设置小型IP54防护等级通风窗，对外换气并杜绝氢气的积累，同时顶部的通风窗在爆炸时与预装式变电站外壳解体，起到了泄压通道的作用。对于电容器的处理，也可采用独立防火间隔设计，推荐选择干式无油化产品，杜绝火灾发生。同时独立间隔可设置冷气溶胶灭火器等小型自触发灭火器。
2.4预装式变电站底部通风防火方案设计
通风设计是预装式变电站结构设计的重要部分，尤其是预装式变电站内部设置了大容量的发热设备时，通风降温是具有高效和节能的优势，是首选方案。而底部通风方案，通过“烟囱”效应可提高通风效率，是一个重要的降温通风方案。底部通风结构通过基础进风，防火封堵与通风就存在原则上的矛盾了。如果从消防原理分析，保证电缆不着火就成为唯一的解决办法。因此电缆夹层内设置的电缆需均为A级阻燃电缆，那么根据GB 50229—2019[14]中表7.11.1中规定，“当电缆夹层采用A类阻燃电缆时，其火灾危险性可为丁类”。丁类火灾危险性指生产过程中使用或产生易燃、可燃物的量较小，不足以构成爆炸或火灾危险。因此认为此时底部通风时，电缆夹层的火灾危害可忽略。
2.5预装式变电站凝露防火方案设计
预装式变电站内部的凝露也是变电站产生火灾的重要原因，尤其是基础向上灌入的潮气危害最大。“空气湿度较大，引起绝缘套管凝露闪络及电站附近空气灰尘较多(或其他污秽颗粒)导致的污闪。在两种因素共同作用下，使母线绝缘下降，进而出现母线单相接地或单相短时接地故障现象。[16]”因为凝露问题常发生在南方，尤其是在云南和贵州等高海拔地区，KYN61柜出现大量隐患，也因此在很多地区此柜型是禁用的。防凝露通常的方法是加强封堵，增强绝缘件表面爬电距离等。然而许多情况仅仅靠以上两种手段还不能有效解决，而根源上解决防凝露防火问题，方案是杜绝预装式变电站内产生凝露的条件，即预装式变电站内环境湿度环境不达到露点条件。方法是在预装式变电站内设置露点控制器，同时采集温度和湿度，计算是否达到露点条件来决定处理办法。防止凝露发生的处理措施主要有除湿、加温以及通风等。本文认为直接除湿是最有效的方法，原因是凝露产生的条件非常复杂，无论是通风还是加温都是间接解决产生露点的条件，只是“扬汤止沸”，同一个地区在可能在不同时段存在温差大和外部湿度大两种产生凝露的条件。湿度大的时候，通风会加剧凝露；温差大的时候，加温会使凝露在箱体顶部聚集，加剧凝露危害，因此措施单一，往往顾此失彼，选用除湿机为主治理，才是除根之道。方案设计根据除湿量的多少，在开关柜设置专用除湿机而在中大型预装式变电站中采用工业级除湿机。
3结束语
预装式变电站完善可靠的防火设计是其稳健发展的重要基础。本文通过分析预装式变电站电气火灾的特点，提出了“防火为主，局灭为辅”的设计思想，并阐述了常规防火设计方案和几个典型非常规防火设计方案。在方案上采用了主动消防和被动消防相结合的策略，主动消防是从预防和根治的角度，采取隔离和主动防御的措施；被动消防是从经济实用和简单易用的角度，选择相对合适的灭火措施。
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