換流變壓器（簡稱換流變）是直流輸電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，換流變壓器和換流閥共同作為交流和直流系統(tǒng)的接口設(shè)備，在交流電網(wǎng)與直流線路之間起連接和協(xié)調(diào)作用。

換流變本體被布置在閥廳外，網(wǎng)側(cè)套管在閥廳外與交流系統(tǒng)連接；閥側(cè)套管穿過閥廳的防火封堵墻后與閥廳內(nèi)的閥組連接，換流變閥側(cè)套管升高座一般插入閥廳內(nèi)。閥廳防火墻進(jìn)換流變閥側(cè)套管位置預(yù)留有孔洞，便于換流變就位，換流變就位后對孔洞進(jìn)行封堵。

本文針對換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的換流變火災(zāi)隱患源和火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，分析了閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，最后提出了閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施和建議。

1 換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

國內(nèi)外換流變壓器閥側(cè)套管及含油升高座安裝結(jié)構(gòu)常見有兩種，即油氣組合絕緣套管結(jié)構(gòu)和SF6氣體絕緣套管結(jié)構(gòu)。

1）油氣組合絕緣套管結(jié)構(gòu)

油氣組合絕緣套管結(jié)構(gòu)采用油紙電容式（芯體外部采用SF6氣體填充），套管下部電容芯體浸在換流變壓器油中，上部油紙電容芯體通過剛性環(huán)氧樹脂筒與SF6氣體隔開，油膨脹閥系統(tǒng)用于換流變壓器油與套管電容芯體油的相互交換。

換流變閥側(cè)升高座伸入閥廳，套管末屏、SF6密度繼電器均在閥廳側(cè)靠近升高座處的套管法蘭上布置。典型的特點(diǎn)是，閥側(cè)套管升高座與換流變油箱連通，閥側(cè)套管升高座充滿絕緣油，因此閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)閥側(cè)套管內(nèi)的絕緣油分為兩部分，一部分是升高座中的絕緣油，此部分油和換流變本體的油相通；另一部分是套管的油，此部分的油和換流變本體油隔開，當(dāng)套管內(nèi)部的油壓高于變壓器油壓時(shí)，通過套管上的單向逆止閥油流向變壓器，反之，當(dāng)套管內(nèi)部的油壓低于變壓器油壓時(shí)，通過套管上的另一個(gè)單向逆止閥油流向套管。

圖1 閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的結(jié)構(gòu)

2）SF6氣體絕緣套管結(jié)構(gòu)

SF6氣體絕緣套管的特點(diǎn)是采用膠浸紙電容芯子，換流變閥側(cè)升高座由防火封堵隔絕在戶外，套管法蘭穿墻，套管末屏、SF6取氣口均在戶外側(cè)靠近升高座處的套管法蘭上布置。SF6氣體絕緣套管及升高座的布置方式如圖2所示。

圖2 SF6氣體絕緣套管及升高座的布置方式

2 換流變火災(zāi)隱患源和火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)

2.1 換流變火災(zāi)隱患源

根據(jù)火災(zāi)原理，可燃物、助燃物和著火源這“燃燒三要素”是形成火災(zāi)的3個(gè)必不可少的條件。換流變各部件常見的可燃材料有絕緣油、紙板、絕緣成型件、層壓木、環(huán)氧樹脂、尼龍拉帶等。助燃物包括氧氣等，換流變本體為密封結(jié)構(gòu)，油箱內(nèi)部不含氧化物，也不會分解氧化物，因此，為換流變火災(zāi)提供助燃物的是空氣中的氧氣。著火源包括高溫、電弧、火花或明火。

根據(jù)“燃燒三要素”原理及換流變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生換流變火災(zāi)條件可總結(jié)為如下兩種情況：

• 1）換流變絕緣油溫度高于自燃點(diǎn)，外殼破損，絕緣油外泄發(fā)生自燃，產(chǎn)生火災(zāi)。
• 2）換流變絕緣油溫度高于閃點(diǎn)，外殼破損，絕緣油外泄，同時(shí)在電弧火花的作用下，發(fā)生引燃，產(chǎn)生火災(zāi)。

換流變絕緣油要接觸到空氣需泄漏至換流變充油殼體外，充油殼體需出現(xiàn)破損口；同時(shí)，絕緣油在其溫度高于自燃點(diǎn)時(shí)泄漏至換流變充油殼體外，方可產(chǎn)生火災(zāi)。

形成換流變火災(zāi)隱患源為絕緣油的受熱自燃形成的火災(zāi)，其中“燃燒三要素”分別為絕緣油、空氣、故障溫升（電弧放電）。故障溫升后的絕緣油需要通過充油殼體的破損口外泄，方可接觸到空氣，因此，根據(jù)絕緣油故障溫升膨脹后導(dǎo)致充油殼體出現(xiàn)破損口的位置不同，換流變火災(zāi)隱患源可總結(jié)為5種，即網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)、網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處火災(zāi)、油箱本體火災(zāi)、閥側(cè)套管火災(zāi)、閥側(cè)套管與升高座連接處火災(zāi)。

國內(nèi)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)雖然對建筑構(gòu)件燃燒試驗(yàn)、耐火試驗(yàn)以及燃燒性能作出了規(guī)定，但暫時(shí)沒有針對換流變材料、絕緣材料燃燒試驗(yàn)和阻燃等級的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。換流變絕緣材料主要是非金屬固體材料，國內(nèi)外有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對固體非金屬材料的燃燒性能作出規(guī)定。

2.2 換流變火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)

下面，按照上述5個(gè)火災(zāi)隱患源，分別詳述換流變主動火災(zāi)行為過程，分析火災(zāi)各階段的發(fā)展特點(diǎn)。

1）網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)

第一階段。由網(wǎng)側(cè)套管內(nèi)部絕緣故障導(dǎo)致套管絕緣油在高溫下分解產(chǎn)生氣體，同時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹力，使網(wǎng)側(cè)套管受膨脹力出現(xiàn)破損口，絕緣油從破損口外泄接觸空氣，當(dāng)絕緣油溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)套管起火。電弧發(fā)熱應(yīng)力導(dǎo)致套管破裂的同時(shí)，通常還伴隨物理爆炸。換流變內(nèi)部的電弧產(chǎn)生氣體為可燃?xì)怏w，也會隨同絕緣油從破裂口外泄，在空氣中的濃度達(dá)到爆炸極限后，便會發(fā)生化學(xué)燃爆。由于套管體積較小，因此物理爆炸能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)燃爆能量。

第二階段。網(wǎng)側(cè)套管火災(zāi)蔓延至套管與升高座連接處，該連接處受火災(zāi)影響導(dǎo)致升高座孔口破損，絕緣油在重力作用下在升高座孔口破損處開始外溢燃燒，并通過油箱本體外壁流淌至油坑，最終使升高座孔口破損處以上部分的絕緣油全部外溢。

第三階段。油箱內(nèi)的絕緣油進(jìn)一步燃燒損耗，油位下降至本體頂蓋內(nèi)壁以下，油面和油箱本體頂部形成一定的空間，空氣進(jìn)入，火勢迅速蔓延至整個(gè)油箱油面及露出油面的紙板等可燃材料，紙板被浸入大量的絕緣油，可燃性等同于絕緣油，但已不屬于液體火災(zāi)，而等同于固體火災(zāi)，油箱本體內(nèi)火災(zāi)為液體和固體的混合火災(zāi)。

而油面以下的可燃材料未接觸空氣，不滿足“燃燒三要素”條件而未發(fā)生火災(zāi)；高于油箱本體頂面的中性點(diǎn)和閥側(cè)套管升高座孔口位置接觸空氣，且受換流變油箱本體內(nèi)的火災(zāi)破壞出現(xiàn)破損口。油箱本體內(nèi)絕緣油由于火災(zāi)受熱大量汽化，通過網(wǎng)側(cè)高壓套管、中性點(diǎn)套管、閥側(cè)套管升高座孔口位置向油箱本體外側(cè)飄散，并在孔口位置形成噴射火。

第四階段。油箱內(nèi)液態(tài)流動絕緣油燃燒耗盡，僅剩紙板等固體可燃物火災(zāi)，所有套管升高座孔口均受火災(zāi)破壞而出現(xiàn)破損口，孔口位置均形成噴射火。

圖3 網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)的四個(gè)階段

第五階段。油箱本體內(nèi)可燃物全部燃燒耗盡，“燃燒三要素”中的可燃物不復(fù)存在，火災(zāi)結(jié)束。根據(jù)現(xiàn)有火災(zāi)案例，換流變主動火災(zāi)從第一階段到最后火災(zāi)結(jié)束歷時(shí)10h以上。

2）網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處火災(zāi)

網(wǎng)側(cè)高壓套管內(nèi)部發(fā)生絕緣故障，導(dǎo)致絕緣油在高溫下分解產(chǎn)生氣體，同時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹力，網(wǎng)側(cè)套管受膨脹力出現(xiàn)破損口，絕緣油從破損口外泄接觸空氣，當(dāng)絕緣油溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處破損口位置起火。該位置火災(zāi)即網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)的第二階段，因此網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處火災(zāi)從網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)的第二階段向后發(fā)展，直至火災(zāi)結(jié)束，不再詳細(xì)論述。

網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處火災(zāi)同樣會伴隨物理爆炸和化學(xué)燃爆，物理爆炸能量略大于套管物理爆炸能量，但仍小于化學(xué)燃爆能量。

3）油箱本體火災(zāi)

換流變本體發(fā)生絕緣故障，高能量電弧產(chǎn)生的高溫使得絕緣油分解出大量氣體，同時(shí)產(chǎn)生較大膨脹力，油箱本體的壁板或管道的焊接或法蘭螺栓連接處受膨脹力出現(xiàn)破損口，或膨脹力直接導(dǎo)致?lián)Q流變本體油箱破裂，絕緣油在重力作用下從破損口外泄接觸空氣，當(dāng)絕緣油溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，油箱本體破裂口位置起火。油箱內(nèi)部的電弧發(fā)熱能量較強(qiáng)，因此油箱破裂的同時(shí)會伴隨較強(qiáng)的物理爆炸；而換流變內(nèi)部的電弧氣體隨同絕緣油從破裂口外泄，同樣會發(fā)生化學(xué)燃爆。

圖4 油箱本體火災(zāi)

油箱本體火災(zāi)的發(fā)展和網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)第三階段、第四階段和第五階段基本一致。

4）閥側(cè)套管火災(zāi)

• 第一階段。與網(wǎng)側(cè)套管火災(zāi)類似，閥側(cè)套管內(nèi)部出現(xiàn)絕緣故障，導(dǎo)致閥側(cè)套管位置起火，同樣會伴隨物理爆炸和化學(xué)燃爆，物理爆炸能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)燃爆能量。
• 第二階段。閥側(cè)套管火災(zāi)蔓延至與升高座連接處，該連接處因火災(zāi)導(dǎo)致升高座孔口破損，絕緣油在重力作用下、在升高座孔口破損處開始外溢燃燒，并流淌至地面，最終升高座孔口破損處以上部分的絕緣油全部外溢。閥側(cè)套管火災(zāi)的前兩個(gè)階段如圖5所示。
• 第三階段。油箱內(nèi)的絕緣油進(jìn)一步燃燒損耗，油位下降至本體頂蓋內(nèi)壁以下，油面和油箱本體頂部形成一定的空間，空氣進(jìn)入，火勢迅速蔓延至整個(gè)油箱油面及露出油面的紙板等其他可燃材料。該位置火災(zāi)即網(wǎng)側(cè)套管火災(zāi)的第三階段，后續(xù)階段不再詳細(xì)論述。

圖5 閥側(cè)套管火災(zāi)的前兩個(gè)階段

5）閥側(cè)套管與升高座連接處火災(zāi)

絕緣油從閥側(cè)套管升高座連接處的破裂口外泄，接觸空氣，當(dāng)絕緣油溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，或絕緣油達(dá)到閃點(diǎn)并接受電弧火花條件，閥側(cè)套管與升高座連接處破裂口位置起火。該位置火災(zāi)即閥側(cè)套管火災(zāi)的第二階段，后續(xù)階段不再詳細(xì)論述。

閥側(cè)套管與升高座連接處火災(zāi)同樣會伴隨物理爆炸和化學(xué)燃爆，物理爆炸能量略大于套管物理爆炸能量，但仍小于化學(xué)燃爆能量。

3 閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的換流變火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

3.1 換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

換流變網(wǎng)側(cè)套管多采用油紙電容型套管，油紙電容型套管起火是變壓器火災(zāi)的常見情況。套管中絕緣介質(zhì)壓力較大，不可避免地存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

在套管發(fā)生電弧故障時(shí)，若電弧故障發(fā)生在法蘭和下瓷套，下瓷套碎裂，則電弧首先會發(fā)生在油下，但沒有氧氣不會發(fā)生點(diǎn)燃。然而，夾緊的應(yīng)力和瓷套破裂的應(yīng)力在大多數(shù)情況下會導(dǎo)致套管結(jié)構(gòu)向上移動。電弧會延伸發(fā)生在導(dǎo)電桿到法蘭或者其他接地金屬上，油從套管法蘭溢出，然后暴露在空氣中被點(diǎn)燃。

如果電弧故障發(fā)生在法蘭和上瓷套，并且由于電弧氣體產(chǎn)生的壓力，上瓷套就會發(fā)生爆炸，電弧會點(diǎn)燃?xì)錃夂吞細(xì)錃怏w。由于突然失去對上瓷套的夾緊應(yīng)力，導(dǎo)致電容芯子在大多數(shù)情況下會從法蘭上脫落并向下移動進(jìn)入變壓器油箱。這樣熱油流過套管法蘭并溢出換流變油箱，引起火災(zāi)。

根據(jù)網(wǎng)側(cè)高壓套管的火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，火災(zāi)發(fā)生在網(wǎng)側(cè)高壓套管或套管與升高座的連接處，下一階段火災(zāi)發(fā)展至換流變本體油箱內(nèi)部，油箱內(nèi)絕緣油、紙板等固體可燃物燃燒；換流變本體油箱內(nèi)火災(zāi)導(dǎo)致閥側(cè)套管升高座內(nèi)絕緣油和出線裝置起火，升高座出現(xiàn)破損口后絕緣油噴射至閥廳，導(dǎo)致閥廳內(nèi)設(shè)備起火；或者火災(zāi)燃燒時(shí)間長后可能導(dǎo)致?lián)Q流變孔洞防火封堵坍塌，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展至閥廳，使閥廳內(nèi)設(shè)備起火。

3.2 換流變本體的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)換流變絕緣材料（絕緣油或固體材料）的電場強(qiáng)度超過其擊穿場強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)致絕緣發(fā)生擊穿和產(chǎn)生高能電弧放電。電弧與絕緣油之間的熱量快速傳遞，導(dǎo)致電弧附近油的溫度快速升高。電弧能量加熱并汽化周圍的油，將這些蒸汽裂解成小分子和可燃?xì)怏w，將氣體裂解成等離子體。電弧周圍氣泡內(nèi)的壓力迅速增加。氣體和周圍液體之間的壓力差產(chǎn)生壓力波，從電弧位置傳播至整個(gè)變壓器油箱。

油箱壁可以承受這些壓力的時(shí)間很短，如果超過靜壓極限，油箱就將破裂。油箱破裂的原因，不是油箱在很短時(shí)間內(nèi)承受很高的壓力，而是焊接和螺栓連接受到的壓力超過了彈性應(yīng)力范圍，使油箱壁和附件變形才導(dǎo)致破裂。如果換流變油箱在有電弧的情況下發(fā)生破裂，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w就會釋放到周圍的大氣中。高溫絕緣油、可燃?xì)怏w與周圍空氣中的氧氣接觸，引起火災(zāi)。

換流變內(nèi)部發(fā)生絕緣擊穿和高能電弧放電，油箱內(nèi)壓力迅速升高可能使閥側(cè)套管升高座法蘭處破裂，絕緣油噴射至閥廳，導(dǎo)致閥廳內(nèi)設(shè)備起火；或者換流變本體油箱內(nèi)火災(zāi)使閥側(cè)套管升高座內(nèi)絕緣油和出線裝置起火，升高座出現(xiàn)破損口后絕緣油噴射至閥廳，導(dǎo)致閥廳內(nèi)設(shè)備起火；或者火災(zāi)燃燒時(shí)間長后使換流變孔洞防火封堵坍塌，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展至閥廳，引發(fā)閥廳內(nèi)設(shè)備起火。

3.3 換流變閥側(cè)套管孔洞防火封堵的失效風(fēng)險(xiǎn)

閥廳防火墻進(jìn)換流變套管位置預(yù)留有孔洞，便于換流變就位，換流變就位后對孔洞進(jìn)行封堵?，F(xiàn)有孔洞封堵的方案是國內(nèi)直流工程通用的方案，即采用防火板封堵，防火板采用鋼構(gòu)件被固定在孔洞邊緣的砼防火墻上。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定，目前閥廳防火墻穿入換流變閥側(cè)套管預(yù)留孔洞防火封堵方案如下：主體大孔封堵材料選用結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板（150mm厚Paroc板），小孔封堵材料采用硅酸鋁纖維棉填縫、硅橡膠防水密封套筒封口、不銹鋼管卡固定，如圖6所示。

Paroc板的中間部分是經(jīng)過壓密的巖棉材料，表面為0.6mm厚的非磁性鋼板。Paroc板封堵由多塊Paroc小板逐塊向上拼接而成，Paroc小板與Paroc小板之間采用單面卡口連接，另一面用自攻螺釘固定，并預(yù)先嵌入密封膠。Paroc板整體通過安裝螺釘固定在角鋼邊框上，角鋼邊框通過膨脹螺絲固定在防火墻上，封堵的縫隙通過巖棉填充處理。套管開孔處的小孔采用巖棉填充、外層加高溫硫化硅橡膠包裹的封堵方式。

圖6 閥廳防火墻穿入換流變閥側(cè)套管預(yù)留孔洞防火封堵

該孔洞封堵方案存在以下兩個(gè)隱患：

• 1）換流變閥側(cè)套管與升高座連接處存在破損的可能性，一旦破損較為嚴(yán)重，閥側(cè)套管就有可能完全脫落。在套管跌落過程中，有可能撞擊孔洞封堵防火板，若防火板受撞擊后可能破損，則防火能力失效。
• 2）防火板與孔洞邊緣砼防火墻固定的鋼構(gòu)件，在火災(zāi)后20min左右結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎減少殆盡，在換流變火災(zāi)熱輻射等外力的作用下，整個(gè)防火板有可能完全倒塌。
• 造成隱患的主要原因是，防火板機(jī)械強(qiáng)度不足，防火板與防火墻固定構(gòu)件的耐火能力不足。

3.4 換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2014第6.1.5條規(guī)定，可燃?xì)怏w和甲、乙、丙類液體的管道嚴(yán)禁穿越防火墻，條文解釋可燃?xì)怏w和可燃液體管道穿越防火墻，很容易將火災(zāi)從防火墻的一側(cè)引致另一側(cè)。穿越閥廳防火墻的換流變充油閥側(cè)套管及升高座等同于丙類液體管道，有違反GB 50016—2014第6.1.5條規(guī)定的嫌疑。

根據(jù)換流變被動火災(zāi)的研究，換流變充油閥側(cè)套管及升高座穿入閥廳是換流變被動火災(zāi)被引燃的主要通道，充油閥側(cè)套管及升高座將換流變主動火災(zāi)引至閥廳，與條文的解釋一致，因此可以認(rèn)為，充油閥側(cè)套管及升高座插入閥廳違反了GB 50016—2014第6.1.5條規(guī)定。

根據(jù)前文第2節(jié)的分析，換流變的主動火災(zāi)均會導(dǎo)致?lián)Q流變閥側(cè)套管升高座孔口處破損，并形成噴射火。

換流變穿入閥廳的閥側(cè)套管采用充油套管時(shí)，閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳，升高座孔口位于閥廳內(nèi)，孔口的噴射火會直接蔓延進(jìn)閥廳。而干式閥側(cè)套管采用干式絕緣充SF6氣體套管，套管升高座未伸入閥廳內(nèi)部，升高座位于閥廳外，孔口的噴射火被防火封堵隔離在閥廳外，在防火封堵有效防火時(shí)間內(nèi)，并不會蔓延進(jìn)閥廳，但在防火封堵失效后，孔口的噴射火仍然會通過防火封堵蔓延進(jìn)閥廳。

穿入閥廳的換流變閥側(cè)套管及升高座，等同于油管穿越防火墻，防火墻并不能阻止套管及升高座內(nèi)部絕緣油火災(zāi)的蔓延。

閥側(cè)套管結(jié)構(gòu)含油升高座伸入閥廳內(nèi)部，穿入閥廳的套管升高座與換流變本體連通，換流變本體的火災(zāi)均會導(dǎo)致閥側(cè)套管升高座發(fā)生燃爆，使漏油進(jìn)一步蔓延至閥廳。同時(shí)，進(jìn)入閥廳的換流變閥側(cè)套管及升高座，含油套管升高座本身就是隱患源，在閥側(cè)套管本體發(fā)生絕緣故障時(shí)，會導(dǎo)致升高座孔口破損發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致閥廳內(nèi)設(shè)備發(fā)生火災(zāi)。

換流變閥側(cè)套管升高座穿入閥廳，不僅把含油設(shè)備帶入閥廳，還增加了一個(gè)將火災(zāi)從閥廳外部換流變本體延伸至閥廳內(nèi)部的途徑，大大增加了換流變火災(zāi)的危害性。

4 換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

針對以上闡述的換流變火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，特別是閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳帶來的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了以下針對性的優(yōu)化措施和建議。

4.1 換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)的防范措施

1）采用干式套管替代現(xiàn)有瓷絕緣外套的油浸式套管

建議開展500kV干式套管應(yīng)用于換流變網(wǎng)側(cè)套管的技術(shù)論證，考慮采用干式套管或復(fù)合絕緣外套的套管來替代現(xiàn)有瓷絕緣外套的油浸式電容結(jié)構(gòu)的套管。油紙電容型套管起火是變壓器火災(zāi)的常見情況。

膠浸紙或合成樹脂粘合紙?zhí)坠苁бl(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)明顯要低。其原因是該類型套管在油側(cè)（下端）沒有下瓷套，因此，套管下端的故障不會導(dǎo)致下瓷套破損，在大多數(shù)情況下不會導(dǎo)致夾緊壓力的損失或套管上瓷套的損壞，除非在電弧能力非常大的情況下，否則不會導(dǎo)致套管漏油。

現(xiàn)在普遍應(yīng)用干式套管。干式套管在空氣側(cè)使用復(fù)合絕緣外套，基本消除了在發(fā)生套管故障時(shí)瓷套破碎的風(fēng)險(xiǎn)，能夠進(jìn)一步降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；而且硅橡膠等復(fù)合絕緣材料助燃等級高，在沒有持續(xù)熱量輸入的情況下不會持續(xù)著火。

油浸式瓷絕緣套管是引發(fā)變壓器火災(zāi)數(shù)量最多的部件。普遍認(rèn)為，膠浸紙（RIP）絕緣套管在電容型高壓套管中火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最小。使用RIP絕緣高壓套管是降低換流變火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。

從防范換流變火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，采用干式套管或復(fù)合絕緣外套的套管是較好的選擇，可以減少換流變火災(zāi)的隱患源，大幅度降低換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管、網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。對于換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管的選擇，還應(yīng)該考慮套管絕緣、套管運(yùn)行情況等多方面的因素。

2）對換流變網(wǎng)側(cè)套管升高座增設(shè)專門的水霧噴頭

對換流變BOX-IN內(nèi)部網(wǎng)側(cè)套管升高座以及網(wǎng)側(cè)套管突出BOX-IN外側(cè)部分升高座增設(shè)專門噴頭保護(hù)，管道接入對應(yīng)換流變水噴霧管道。措施實(shí)施后，固定滅火系統(tǒng)完全符合規(guī)程GB 50229—2006《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，能更有效地?fù)錅鐡Q流變初期的第一、二階段火災(zāi)，防止火災(zāi)發(fā)展至難以撲滅的第三階段。該方案實(shí)施難度和工程量較小，可針對現(xiàn)有水噴霧滅火系統(tǒng)和泡沫噴霧系統(tǒng)進(jìn)行改造。

4.2 提升換流變本體防火能力的措施

1）選用不可燃或阻燃等級較高的材料

換流變本體、部件采用不可燃或阻燃等級較高的材料，可延緩換流變本體的火災(zāi)發(fā)展，為采用消防設(shè)施控制換流變火災(zāi)爭取更多的時(shí)間，從而提高換流變本體防火能力。根據(jù)燃燒試驗(yàn)結(jié)果，絕緣紙板材料要求不低于HB級，硅橡膠材料要求不低于V-0級，玻璃鋼材料要求不低于HB級，環(huán)氧樹脂材料要求不低于HB級。

2）提高變壓器油的閃點(diǎn)或采用不易燃絕緣介質(zhì)

變壓器油的閉口閃點(diǎn)是表征電力設(shè)備著火危險(xiǎn)點(diǎn)的重要指標(biāo)[8]。變壓器油是石油的一種分餾產(chǎn)物，屬低黏度油品，在換流變等電氣設(shè)備中起冷卻、絕緣和散熱作用?？梢杂瞄]口閃點(diǎn)來表征變壓器油的著火危險(xiǎn)性，閉口閃點(diǎn)愈低，愈易燃，火災(zāi)的危險(xiǎn)性愈大；反之亦然。

提高變壓器礦物絕緣油的閃點(diǎn)可有效提升換流變的防火能力。可提高現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中變壓器油的閃點(diǎn)（閉口）在投運(yùn)前和運(yùn)行中均應(yīng)大于135℃的要求，對于換流變等大型變壓器，將變壓器油的閃點(diǎn)（閉口）要求提高至140℃，甚至是150℃，以降低換流變火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，未來可考慮采用植物油等高閃點(diǎn)的絕緣油作為換流變的絕緣介質(zhì)。

使用不易燃的絕緣冷卻介質(zhì)可以大大降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)?？刹捎弥瘘c(diǎn)大于300℃的不易燃液體絕緣介質(zhì)，如合成或天然油脂、液態(tài)硅。

隨著技術(shù)的發(fā)展，未來選擇干式變壓器或氣體絕緣變壓器可消除與變壓器油起火相關(guān)的火災(zāi)危險(xiǎn)。絕緣介質(zhì)的典型特征見表1。

表1 絕緣介質(zhì)的典型特征

3）提高換流變油箱的性能

避免油箱破裂和保證油的密封性，對于避免換流變故障以及降低換流變由輕微火災(zāi)升級為重大或?yàn)?zāi)難性火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是至關(guān)重要的。提高換流變油箱的性能，可有效降低換流變本體的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

• （1）確保換流變油箱具有所需的機(jī)械強(qiáng)度。在油箱設(shè)計(jì)過程，考慮油箱在不同應(yīng)力負(fù)荷下的受力情況，重點(diǎn)考慮焊接、法蘭和螺栓等變壓器油箱的薄弱部位，提高應(yīng)力薄弱部位的機(jī)械強(qiáng)度，則可以提高油箱的抗斷裂強(qiáng)度。
• （2）提高焊接工藝，增強(qiáng)換流變油箱焊接位置的機(jī)械強(qiáng)度。
• （3）選用彈塑性更高的材料用于制作換流變油箱，以提高換流變油箱的抗斷裂強(qiáng)度。
• （4）為降低油箱承受的內(nèi)部壓力，可采用增加油箱伸縮性的措施。使用大直徑連接管道的儲油柜可以增加膨脹體積，以提高油箱的伸縮性。
• （5）在換流變出廠試驗(yàn)中，增加換流變油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證換流變油箱的強(qiáng)度。油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)是變壓器特殊試驗(yàn)項(xiàng)目，GB 1094.1—2013《電力變壓器第1部分：總則》第11.10節(jié)規(guī)定，在液浸式變壓器壓力變形試驗(yàn)中，油箱的試驗(yàn)壓力應(yīng)比正常運(yùn)行時(shí)的壓力高35kPa；若變壓器裝有壓力釋放裝置，則試驗(yàn)時(shí)的壓力應(yīng)高于壓力釋放裝置動作壓力至少10kPa。液浸式變壓器的壓力變形試驗(yàn)、真空變形試驗(yàn)的永久變形量≤5mm（換流變技術(shù)規(guī)范書要求）。
• （6）合理設(shè)置換流變本體壓力釋放閥和分接開關(guān)壓力釋放閥的動作值，減小換流變油箱破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 換流變閥側(cè)套管孔洞防火封堵的優(yōu)化措施

在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上考慮閥廳封堵防爆、耐火、安裝、包邊密封結(jié)構(gòu)及方便檢修拆卸。

大封堵采用4層結(jié)構(gòu)，由室外向室內(nèi)依次為防火層、防爆層、隔熱層、防火層。

采用100mm厚結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板+9.5mm厚不銹鋼面層防爆板+不銹鋼龍骨+50mm厚結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板+1.5mm厚不銹鋼屏蔽平板，不銹鋼龍骨中間填充硅酸鋁纖維防火棉，100mm厚結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板與9.5mm厚不銹鋼面層防爆板錯(cuò)縫固定。

換流變套管與結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板之間縫隙（小孔）采用硅酸鋁纖維防火棉填充，陶瓷化硅橡膠防水密封套筒包裹，采用不銹鋼自攻自鉆螺釘和20X4鋁合金壓環(huán)，將陶瓷化硅橡膠防水密封套筒與結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板固定，用不銹鋼管卡將陶瓷化硅橡膠防水密封套筒與換流變套管固定。

本方案采用防爆板來提高洞口封堵的抗沖擊波能力，同時(shí)提高了封堵的耐火極限。

防爆板是由增強(qiáng)纖維水泥板表面加壓鍍鋅鋼材料構(gòu)成的耐火防爆材料，主要用于防爆隔墻、防爆天花板、防爆排煙風(fēng)管、電纜管、防爆電纜保護(hù)、防爆門和鋼結(jié)構(gòu)防爆保護(hù)等多種系統(tǒng)。防爆板具有阻燃性（持續(xù)4h的燃燒試驗(yàn)）、抗爆性、抗沖擊性、防潮和消防、抗震、質(zhì)量輕、抗腐蝕、幅面較大、耐候性能（不隨著氣溫的變化改變）、高電阻、吸音、抗凍等多種優(yōu)良特性。

該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在國網(wǎng)某特高壓直流輸電工程應(yīng)用，并成功將一起換流變火災(zāi)隔絕在閥廳外，避免了換流變火災(zāi)蔓延至閥廳。防火封堵的優(yōu)化措施方案如圖7所示。

4.4 換流變閥側(cè)套管升高座穿入閥廳的優(yōu)化措施

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2014第6.1.5條規(guī)定，可燃?xì)怏w和甲、乙、丙類液體的管道嚴(yán)禁穿越防火墻。條文解釋可燃?xì)怏w和可燃液體管道穿越防火墻，很容易將火災(zāi)從防火墻的一側(cè)引致另一側(cè)。穿越閥廳防火墻的換流變充油閥側(cè)套管及升高座等同于丙類液體管道，充油閥側(cè)套管及升高座穿入閥廳違反了GB 50016—2014第6.1.5條規(guī)定。

圖7 防火封堵的優(yōu)化措施方案

因此，針對新建工程，換流變穿入閥廳的閥側(cè)套管應(yīng)采用純SF6絕緣套管或者干式套管，其升高座不穿入閥廳。

對于現(xiàn)有直流工程，針對換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的結(jié)構(gòu)，是否可將閥側(cè)套管更換為非充油純SF6絕緣套管或者干式套管，在更換為非充油的純SF6絕緣套管或者干式套管后，是否可將換流變向閥廳外側(cè)移動，以使穿入閥廳的含油升高座移至室外，需針對具體工程進(jìn)行專門的研究和論證。

針對現(xiàn)有直流工程中閥側(cè)套管和含油升高座穿入閥廳的情況，如無法將充油套管更換為非充油的純SF6絕緣套管或者干式套管，則可考慮以下幾個(gè)方案來降低換流變火災(zāi)通過穿入閥廳的閥側(cè)套管和含油升高座這個(gè)通道蔓延至閥廳的風(fēng)險(xiǎn)。

1）異形防火板

針對閥側(cè)套管含油升高座進(jìn)入閥廳部分設(shè)置專門的異形防火板，將升高座隔離在閥廳室外側(cè)，如圖8所示。

根據(jù)換流變火災(zāi)過程，換流變充油閥側(cè)套管火災(zāi)能量并不算太大，當(dāng)蔓延至升高座孔口處時(shí)，火災(zāi)蔓延進(jìn)換流變內(nèi)部，火災(zāi)能量激劇增大；根據(jù)換流變被動火災(zāi)過程，被動火災(zāi)換流變直接在升高座孔口處被引燃，同時(shí)大量絕緣油從升高座孔口位置外泄。

異形防火板可將升高座孔口位置高能量火災(zāi)隔離在閥廳室外側(cè)，同時(shí)也將外泄絕緣油隔離在閥廳室外側(cè)，盡量不讓其進(jìn)入閥廳，僅閥側(cè)套管小能量的火災(zāi)無法隔離。

圖8 進(jìn)入閥廳套管含油升高座的異形防火板

但異形防火板對閥廳的電氣安全距離和場強(qiáng)均造成影響，需針對具體工程進(jìn)一步核算。異形防火板的施工難度非常大，目前并沒有實(shí)施案例，其實(shí)際隔火效能還不確定，并無相關(guān)檢測或試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）對閥側(cè)套管含油升高座設(shè)置專門細(xì)水霧消防系統(tǒng)進(jìn)行隔離

在穿入閥廳的閥側(cè)套管升高座處設(shè)置細(xì)水霧可兼顧保護(hù)孔洞防火封堵，同時(shí)設(shè)置噴頭保護(hù)。細(xì)水霧的高效冷卻作用、窒息作用及阻隔輻射熱作用可發(fā)揮以下防火效果：

• （1）對孔洞封堵進(jìn)行有效的降溫保護(hù)，提高防火封堵的阻火效能。
• （2）在將升高座火災(zāi)隔離在閥廳室外、阻隔火災(zāi)對閥廳的輻射熱等方面發(fā)揮重要的作用。

另外，細(xì)水霧更高的絕緣性，無液態(tài)水產(chǎn)生，不會有消防排水至地面，特別適用于閥廳高電壓環(huán)境，不會對閥廳電氣設(shè)備造成破壞。細(xì)水霧外觀和系統(tǒng)管道及水霧噴頭如圖9所示。

圖9 細(xì)水霧外觀圖和系統(tǒng)管道及水霧噴頭

每臺換流變插入閥廳的套管升高座及閥廳防火墻孔洞封堵均被設(shè)置細(xì)水霧噴頭保護(hù)隔離，每臺換流變對應(yīng)的保護(hù)隔離區(qū)域作為獨(dú)立分區(qū)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)與對應(yīng)換流變火災(zāi)自動報(bào)警連鎖。在換流變發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)自動報(bào)警信號連鎖啟動換流變自動滅火系統(tǒng)，同時(shí)連鎖啟動對應(yīng)換流變細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，將換流變火災(zāi)隔離在閥廳室外。

3）閥廳排油措施

根據(jù)換流變的火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳時(shí)，在閥側(cè)套管火災(zāi)過程中，閥側(cè)套管升高座孔口外泄的絕緣油均會進(jìn)入閥廳，并伴隨燃燒。燃燒的絕緣油到達(dá)閥廳地面后產(chǎn)生流淌火災(zāi)，對閥廳更多設(shè)備造成破壞。因此，有必要及時(shí)將滲漏進(jìn)閥廳的絕緣油排至安全區(qū)域，以減少對閥廳的破壞。

可考慮在閥廳內(nèi)含油升高座下方設(shè)置集油盤，集油盤設(shè)置排出管排至對應(yīng)換流變油坑。為不破壞閥廳的密封性，排出管設(shè)置電磁閥，正常情況下電磁閥關(guān)閉，在換流變發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)自動報(bào)警信號連鎖啟動換流變自動滅火系統(tǒng)，同時(shí)連鎖開啟該排油電磁閥。

總結(jié)

本文針對換流變閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的換流變火災(zāi)隱患源和火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，分析了網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)、網(wǎng)側(cè)高壓套管與升高座連接處火災(zāi)、油箱本體火災(zāi)、閥側(cè)套管火災(zāi)、閥側(cè)套管與升高座連接處火災(zāi)等5種火災(zāi)發(fā)展的特點(diǎn)；研究了閥側(cè)套管含油升高座穿入閥廳的火災(zāi)、網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)、換流變本體火災(zāi)、閥側(cè)套管孔洞防火封堵失效風(fēng)險(xiǎn)等火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并提出了以下優(yōu)化措施和建議。

• 1）對換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管火災(zāi)的防范措施。采用干式套管替代現(xiàn)有瓷絕緣外套的油浸式套管；換流變網(wǎng)側(cè)套管升高座增設(shè)專門的水霧噴頭。
• 2）對提升換流變本體防火能力的措施。選用不可燃或阻燃等級較高的材料；提高變壓器油的閃點(diǎn)或采用不易燃絕緣介質(zhì)；提高換流變油箱的性能，避免油箱破裂導(dǎo)致?lián)Q流變本體火災(zāi)。
• 3）對換流變閥側(cè)套管孔洞防火封堵的優(yōu)化措施。改進(jìn)原防火封堵方案，采用新型4層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高防火封堵的防火、防爆、隔熱性能。
• 4）對換流變閥側(cè)套管升高座穿入閥廳的優(yōu)化措施。針對新建工程，換流變穿入閥廳的閥側(cè)套管應(yīng)采用干式套管，其升高座不穿入閥廳。對于現(xiàn)有直流工程，對于穿入閥廳的閥側(cè)套管含油升高座，采用異形防火板、細(xì)水噴霧系統(tǒng)以及排油盤等措施，防范和延緩閥側(cè)套管升高座的火災(zāi)。