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我国是世界上直流输电工程最多、直流输送容量最大的国家。换流阀是直流换流站内的核心设备,价格昂贵。换流阀通常安装在相对封闭的阀厅内,换流阀及阀厅的投资几乎占到全站投资的1/4,换流阀的保护成为直流换流站关注的重点之一[1-12]。截至目前,国内外的直流输电工程中均发生过或大或小的换流阀火灾事故,造成了较大的经济损失[13-15]。换流阀起火的原因主要有阀塔内的元器件故障、局部放电等。为此,阀厅内一般装设火灾烟雾报警系统。早期工程火灾烟雾报警系统采用吸气式空气采样烟雾探测报警系统(very early smoke detection apparatus,VESDA),并投入了跳闸功能,在检测到烟雾时直接闭锁直流。但早期火灾烟雾报警系统设计功能单一,无法准确鉴别阀厅火灾和阀厅外燃烧麦秆、烟尘等造成的火灾报警,常常出现误动的情况,影响了直流输电系统的可靠性,为此,早期换流站一度退出了VESDA的跳闸功能,仅保留报警功能。然而一旦发生阀塔起火时,如不及时停运直流,将导致火灾扩散,造成巨大的经济损失。因此,火灾报警系统由跳闸改为报警并非最优方案。提高火灾报警系统的可靠性,以准确判断阀塔放电或火灾并及时准确闭锁直流,是需要着重研究的问题。
阀厅发生火灾时会发出报警信息,运行人员发现火情后根据火势大小情况,可到阀厅巡视走道(在阀厅内距离地面10 m左右内墙壁上安装的钢架走道)上检查设备状况,在火势无法自行熄灭时使用灭火器远距离灭火,灭火介质有干粉、泡沫、CO2、水等。干粉、泡沫、CO2、水这些灭火介质均会对健全的换流阀造成二次损坏。比如CO2会造成局部低温而损坏设备电气性能,水会导致设备绝缘破坏。在火势较大时,因换流阀燃烧时产生大量有毒气体,规程规定禁止运行人员进入阀厅,此时所能做的就是关闭阀厅的通风,等待火势自行熄灭,国外曾出现因单个阀塔起火,最终导致整个阀厅全部烧毁的案例。如何在直流换流站阀厅内的换流阀阀塔内元件起火时及时、有效使用合适灭火介质灭火,将损失降至最低,是目前面临的另一个难题。
本文研究了一种结合紫外探测、烟雾报警功能的新一代火灾报警系统和预安装在阀塔上的火灾自动灭火系统,新设计的火灾报警系统比早期直流工程安装的火灾报警系统运行可靠性更高、报警更准确。火灾自动灭火系统采用新一代哈龙替代品3M™Novec™1230灭火剂作为灭火介质,可以在不对阀塔造成污染的情况下完成阀塔自动灭火,对于提高换流阀运行可靠性和阀塔出现火情时的及时、高效灭火具有应用价值。
1 阀厅火灾监视系统
1.1 火灾监测方法
目前国内在建和已投运的换流站阀厅中主要采用4类火灾探测设备或系统,包括VESDA、紫外火焰探测器、红外火焰探测器(或紫外红外复合型火焰探测器)及传统的烟感探测器[16-19]。
VESDA是通过对阀厅内空气的主动吸入和采样,实时监测阀厅内空气的烟雾浓度,以判断阀厅内是否有烟雾产生和火灾发生,通常根据烟雾浓度可以输出4级报警,分别是警告、行动、火警1和火警2,采用火警2(最高级别报警)作为跳闸判据。该系统适用于高大空间建筑,可以提供高灵敏度的烟雾探测;对于先有烟雾产生再发生明火类型的火灾,此类火灾探测系统响应时间最短。
紫外火焰探测器、红外火焰探测器或紫外红外复合型火焰探测器的探测原理基本相同,紫外火焰探测器通过对明火或电弧光谱进行分析,判断是否有火焰或者电弧产生,以此判断火灾的发生,此类火焰探测器对明火及电弧十分敏感。红外火焰探测器则对特定的红外光谱辐射进行监测,并以此判断火灾的发生,适用于无烟液体和气体火灾以及产生烟雾的明火火灾探测。紫外红外复合型火焰探测器则综合了两者的优点,适用范围广,但是价格相对较高。该类探测器响应速度快,误报率低。阀厅的主要保护对象为换流阀等主设备,阀体的主要火灾工况是以电弧探测为主要手段的电气火灾为主,辅以建筑火灾的特点,因此火焰探测器的选型应首选对电弧敏感的紫外火焰探测器,或紫外红外复合型火焰探测器,不建议采用红外火焰探测器,另由于紫外红外复合型火焰探测器的价格相对单紫外火焰探测器偏高,通常推荐使用单紫外火焰探测器。
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