固定式CAFS装置在特高压换流站中的应用

白光亚，李天佼，张 诚，赵伟利

（1.国家电网有限公司直流建设分公司，北京100052；2.山东诚信工程建设监理有限公司，济南250100）

特高压换电站中的电力设备复杂，易出现火灾，不仅会影响电力系统的正常运行，还会带来严重的人员伤亡与经济损失[1]。目前特高压换流站选用的灭火系统从火灾特性入手设计并安装相应的灭火装置，提高换流站火灾扑救的可靠性。

目前国内外研究成果，主要为文献[2]提出的水灭火系统，通过末端喷头喷出去的水直接灭火降温，但实际效果仅为5%～10%，且对操作技术的要求较高，操作不当会导致火势的进一步蔓延；文献[3]提出的大规模特高压换流站，其配置了数量较多的灭火装置，消防水池面积不断扩大，但是消防管道布置臃肿，不利于换流站的后期维护。

为解决传统灭火装置存在的应用问题，研发压缩空气泡沫灭火系统，简称CAFS。与常规的水灭火系统相比，CAFS 系统的灭火效率高出10 倍以上，且压缩空气泡沫产生于前端主机部分，因此受火焰、高温、烟气、爆炸等因素影响小，系统可靠性高，将其应用到特高压换流站中，能够在火灾发生时快速灭火，并防止火灾复燃。

1 特高压换流站中的固定式CAFS 装置设计

根据火灾发生的基本原理，火焰的稳定燃烧需要3 个要素的支持，分别为氧气、可燃物和火源，那么在灭火过程中只要破坏上述3 个要素中的一个，便可终止燃烧反应，控制火焰燃烧。

固定式CAFS 装置的原理是将泡沫原液和水按一定比例混合，再将压缩空气注入到泡沫混合液中，通过细化控制混合液的混合比例及均匀度，让其发泡成均匀、细腻、稳定的泡沫灭火剂，再通过管路系统输送至末端喷射装置[4]。

1.1 建立特高压换流站输电模型

通过统计特高压换流站所有设备型号及设备之间的连接方式，构建相应的结构模型，如图1所示。

图1 特高压换流站结构模型Fig.1 Structural model of UHV converter station

图1中换流站内的换流阀与换流变压器共同构成换流器。换流相位可使换流器处于整流或逆变状态。交流滤波器的作用是控制系统产生的谐波[5]。另外换流变压器的工作特征可以分为磁路和电路两部分，对应方程为

式中：i 的取值为1 或2；ri和ii分别为绕组的电阻和电流；Liσ和Ni分别为绕组的漏感和匝数；A，l，B，H和φ 分别表示的是变压器铁芯中有效横截面积、磁路长度、磁感应和磁场强度、磁通；Ei为变压器绕组的感应电势。同理可得到特高压换流站中整流阀、控制器、滤波器等组件的运行表达式。为了避免换流站中任意2 个设备之间的运行干扰，设置了最小空气净距，其计算公式为

式中：d 为最小空气净距的计算结果；kj和U50-corr分别为电气设备表征电极形状特性的间隙系数和标准大气条件下的冲击放电电压。

1.2 分析固定式CAFS 装置的应用要求

在特高压换流站输电模型下，分析各个组件工作模式，可以得出特高压换流站火灾发生的特点[6]。

1.3 选择固定式CAFS 装置组件型号

固定式CAFS 装置的具体组成情况，如图2所示。

图2 固定式CAFS 装置组成Fig.2 Composition diagram of fixed CAFS device

1.3.1 进水组件

把系统的进水管道连通到站内的消防水源管道，采用由过滤器、闸阀、止回阀、增压泵等组成的双通道给水管道，根据进水的压流速度形成无负压叠压供水效应，对主机持续供水。

1.3.2 泡沫比例混合组件

由于CAFS 装置中泵流量的调节是通过变转速实现的，因此柱塞泵选择定排量型。在泡沫混合过程中，根据泡沫比例的计算结果[7]，柱塞泵的定排量计算公式为

式中：D，S 和Z 分别对应的是活塞直径、行程和数量。电机部分选择直流电机，其转速与功率参数根据柱塞泵的参数确定，分别为1450 r/min 和300 W。根据确定的水泵压力选择型号为1W2.4-10.5 的漩涡式水泵和SZGB-4A 传感器。

1.3.3 储存组件

储存组件即泡沫原液储存系统，共储存配置为3%的泡沫原液20 t。泡沫罐有保温防撞措施，同时配有观测实时液位的磁翻板液位计和遥传数字液位计，便于操作人员在第一时间了解泡沫原液储存情况。泡沫罐内还设有检修人员孔、加液口、溢流孔、排空管、取样管等设备。

1.3.4 自动调压控制组件

自动调压装置由泵、溢流阀、调压阀及连接管路构成，用来向压力系统供液，其工作原理如图3所示。

图3 自动调压供液装置工作原理Fig.3 Working schematic diagram of automaticpressure regulating liquid supply device

水泵输出液体由溢流阀控制，其压力保持在溢流阀设定范围内，再通过调压阀将液体压力供给系统[8]。随着泵排出液压力的变化，调节阀阀芯自动调节阀门开度，始终保持平衡。当调压阀处于开启和平衡状态时，阀芯的压力平衡方程为

式中：变量p0，p1和p2分别为泵出口、控制和供液压力；A0和A′表示阀芯下、上作用面积；A1和A1′表示隔膜上、下作用面积；m 和g 表示阀芯质量和重力加速度。

1.4 配制固定式CAFS 装置的泡沫灭火剂

根据火灾类型，选择合适的灭火剂[9]。在诸多火灾类型中，C 类火灾专指带电电气设备引起的火灾，应选择C 类泡沫灭火剂。C 类灭火剂配置方式独特，属于泡沫润湿剂的一种。泡沫灭火剂与水充分混合后能够提高水分子的渗透性能，降低水分子的表面张力。

在配置灭火剂前，首先须计算压缩空气泡沫配方中各个成分的混合比。C 类泡沫的混合比例须控制在1%以下。设定固定式CAFS 装置中的柱塞泵组件在达到最大流量α 时对应的泡沫比例为1%，此时装置中的水流量用β 表示。那么在β 不变的条件下，固定式CAFS 装置中泡沫灭火剂的最低混合比例可以表示为

式中：γ 表示柱塞泵在最低流量点上的流量值。

利用静态混合器按照公式（5）的计算结果，混合处理多个成分，并保证装置内的空气处于平衡状态[10]。

1.5 实现固定式CAFS 装置的设计与安装

连接固定式CAFS 装置的各个组件，并将配置好的灭火剂注入到装置内。起火时，首先利用空压机设备启动该装置，吸入大量空气，同时借助水泵向管路内供水，流经泡沫混合组件的水与泡沫原液按配置比例混合[11]；其次将带压空气、水、泡沫液输送到混合室内进行混合搅拌 （混合仅在混合室进行）。混合完成后产生的高能灭火泡沫经过混合室进入一个密闭的管路系统，由管路系统上的各个喷射装置喷入火中。因为喷射装置上不装有任何吸气装置，在进入混合室前吸入的空气在喷出后恢复常压状态；最终将具有灭火性能的空气泡沫尽可能地喷射到可燃物表面。

将设计并调试完成的固定式CAFS 装置安装到特高压换流站的指定位置上，具体的安装结果如图4所示。

图4 固定式CAFS 装置在特高压换流站中的安装示意图Fig.4 Schematic diagram of installation of fixed CAFS device in UHV converter station

在安装过程中须考虑换流站进场的时间，按照以下顺序进行安装，即管路安装、主机设备安装、阀室安装、电气线路连接和调试。CAFS 的管路安装必须在安装每个换流位置之前完成，避免发生交叉作业。管道焊缝探伤、冲刷、加压3 道安装流程必须在系统试喷前完成。冲刷和加压的前提是站区消防水系统必须投入使用，消防水池中消防泵组可抽水量不少于1000 m3。应制定专项方案，明确范围、检测数据、电动阀门保护措施、应急措施等内容。打压完成后采用法兰连接的方式连接喷淋管道，并完成管道冲洗。

2 应用性能测试实验分析

为了测试固定式CAFS 装置在特高压换流站中的应用性能，设计性能测试实验，定性分析量化的测试结果。由于特高压换流站的危险性较高，火灾形势很难控制。为了降低实验对实际工作环境产生的负面影响，此次实验采用仿真的形式进行。

2.1 选择特高压换流站环境

实验选择的特高压换流站为青豫特高压驻马店±800 kV 换流站工程，该工程起点为青海省海南换流站，终点为河南省驻马店换流站，全程共计1588 km。经过3年的运行，该换流站的工作模式逐渐趋于稳定，平均年输电量达到400×109kW 以上。为了降低实验工作量，选择青海省省内的多个特高压换流站作为实验对象，并收集其历史运行数据作为实验的基础数据。

2.2 配置应用性能测试实验平台

特高压换流站实验环境以及所有点火、灭火设备均使用VeriStand 软件建立相应的仿真平台。通过VeriStand 软件添加仿真模型和硬件端口，经过仿真映射控制模型动作。配置系统资源和软、硬件的集成。

固定式CAFS 装置喷出的泡沫属于一种半液态物质，会因为内部流体的演变而发生变化，因此在实验开发平台下嵌入一个AMESim 插件，主要用来模拟实验环境中的流体介质，涉及的流体介质在实验环境中对应的参数设置情况，如表1所示。

表1 仿真环境中流体介质参数设置Tab.1 Setting of fluid media parameters in simulation environment

另外实验平台中还设置了触发、蔓延等控件，用来控制仿真特高压换流站中火势的严重程度及固定式CAFS 装置的使用状态。实验平台中还须嵌入泡沫收集器、温度测定仪等性能测试装置，在实验结束后可以调取后台数据，直接得出量化的测试结果。

2.3 设置火源模拟火灾场景

在相同实验环境下设置多个火灾场景，火源位置分别为变压器、滤波器、电阻丝等，其中变压器火灾类型在第10 s 的模拟场景，如图5所示。

图5 火灾场景模拟Fig.5 Fire scene simulation

2.4 设置应用性能测试指标

实验分别从两个方面来分析固定式CAFS 装置的应用性能，一方面是固定式CAFS 装置自身的发泡倍数，其计算公式为

式中：W1和W 分别为泡沫充满前后容器的重量；ν表示容器的容积；ρ 为泡沫混合液的密度。另一方面是分析在模拟特高压换流站不同的火灾场景下，应用固定式CAFS 装置前后的火灾面积、持续时间。

2.5 设置固定式CAFS 装置运行参数

将设计的固定式CAFS 装置安装在仿真模拟环境中，其运行参数如表2所示。

表2 固定式CAFS 装置运行参数Tab.2 Operation parameters of fixed CAFS device

2.6 应用性能测试过程与结果分析

除了设计的固定式CAFS 装置外，还设置了传统水灭火系统[2]应用的PQ4 泡沫枪和PQ8 泡沫枪作为实验的2 个对比项。3 种灭火装置在相同的火灾场景中进行应用，且运行参数与测试指标均相同，保证实验变量的唯一性。在特高压换流站环境中的不同位置上启动火源，并在10 s 后同时启动3 个灭火装置，通过相关数据的统计与处理，得出灭火装置发泡倍数的测试结果，如表3所示。

从表3中可知，3 种灭火装置的平均发泡倍数分别为16.6 倍、17.9 倍和19.3 倍。另外通过分析火灾后场景，调取后台数据，可以得出最终的应用性能测试结果，如表4所示。

表3 灭火装置发泡倍数测试结果Tab.3 Test results of foaming multiple of fire extinguishing device

表4 应用性能测试结果Tab.4 Application performance test results

由表4可知，将3 种不同的灭火设备应用到特高压换流站场景中，最终的平均受灾面积分别为159.35 m2，138.83 m2和113.74 m2。从火灾的持续时间来看，应用3 种设备的平均受灾时间为0.57 h，0.39 h 和0.25 h。由此可见，应用设计的固定式CAFS装置的特高压换流站场景受灾程度更低。

3 结语

应用固定式CAFS 装置降低了特高压换流站的救灾难度，同时降低了火灾所带来的各方面损失。然而受到时间和空间的限制，实验选择的对比项较少，且采用的是仿真方式，因此得出的实验结果可能会存在误差，从而降低实验结果的可信度。针对这一问题还需要在今后的研究工作中进一步补充与完善。