直流换流站换流阀火灾监视系统及自动灭火方案

0 引言

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。

传统的烟感探测器是以探测室内烟雾为依据的报警装置，适用于层高12 m以下的建筑，不适宜高大空间的阀厅，此类探测设备灵敏度也比VESDA低，只在早期的换流站中使用过。

VESDA对烟雾敏感，紫外(红外)探测系统对明火及电弧敏感。本文推荐阀厅火灾监视系统的火灾监测方法采用VESDA和紫外(红外)探测系统相结合的方法，以确保阀厅火灾监测的准确性。紫外火焰探测器一般选用对电弧及火焰燃烧频谱高敏感而对太阳光不敏感的紫外传感器，以高性能单片计算机为核心，采用独特的数学算法对传感器的火焰信号进行鉴别和处理，提取出有效的火焰信息，从而实现了对火焰信号的快速响应和准确识别。与红外火焰探测器相比，它具有灵敏度高、火焰响应速度快、成本较低等优点，既可以监测碳氢化合物火焰(汽油、丙烷、甲烷、酒精等)也可以识别非碳氢化合物火焰(氢气，硅烷，肼，镁及电气火灾)。

1.2 一次结构设计

VESDA的管路布置以探测范围覆盖阀厅全部面积为原则，至少要有2个探测器检测到同一处的烟雾。在阀厅空调进风口处装设烟雾探测探头，启动周边环境背景烟雾浓度参考值设定功能，防止外部烧秸秆等产生的烟雾引起阀厅内VESDA误动。阀厅内VESDA的探测器布置如图1所示。

图1中，阀塔A、B、C相顶部钢梁各安装1台

VESDA探测器，吸气管环绕布置，换流变阀侧套

管侧安装2台VESDA探测器，阀厅空调进风管和进风口各安装1台VESDA探测器，每极阀厅共安装7台VESDA探测器。

阀厅紫外探测系统的探头布置也以完全覆盖阀厅面积为原则，并且阀厅中有火焰产生时，发出的明火或弧光能够至少被2个探测器检测到。单只探测器紫外中心轴线视距探测最大为45 m，最大保护角度120°，在单边60°视角线的保护距离为cos60°´45 m =22.5m，在单边45°视角线的保护距离为cos45°´45 m=32 m。最大保护面积为扇形，如图2所示。

紫外火焰探测器安装在换流站阀厅构架工字梁或阀厅内墙壁上，用于监视阀厅的整流阀体及整流变高压设备的电气火灾。目前典型特高压直流输电工程高端阀厅的长度约为90 m，宽度约为35 m，梁高度约为26 m;低端阀厅的长度约为76.5 m，宽度约为24.1 m，梁高度约为16 m，根据紫外探测器的保护面积，每个阀厅安装10~14台紫外火焰探头，可以确保阀厅内能发生明火或弧光的部位被2个探测器同时探测。

阀厅紫外探测传感器典型布置图，参见图3。图3中每极阀塔A、B、C相两侧顶部钢梁共安装10台紫外火焰探测器，其中换流变阀侧套管侧安装

图3 阀厅紫外探测传感器布置

Fig. 3 Installation map of UV sensors on valve hall

4台，阀厅走廊侧安装4台，两端各安装1台。结合图2紫外探测器的保护面积以及典型阀厅面积可知，图3所示的紫外火焰探测器监测范围，可覆盖全阀厅面积，满足阀层中有火焰时发出的明火或弧光能够至少被2个探测器检测到的要求。

1.3 控制保护二次逻辑设计

在早期工程中，采用VESDA的阀厅火灾监视系统具有跳闸功能，但由于设备可靠性不高，频繁发生误动的情况，最终退出了跳闸功能。2013年某换流站曾发生换流阀触发板起火后直流未及时停运，造成起火部位电源无法切除，发生持续放电、故障范围扩大的情况。本文建议阀厅火灾监视系统仍需投入跳闸功能。为确保跳闸功能的准确动作，本文采用了VESDA和紫外探测系统同时进行阀厅火灾监测，同时对火灾监视系统的跳闸逻辑进行重新设计。

阀厅内所有VESDA传感器、紫外探头、进风口VESDA传感器的信号均接入控制保护系统，由控制保护系统经过判断逻辑出口跳闸[20-21]。阀厅火灾

跳闸逻辑考虑2种情况。1)阀厅内所有VESDA探测传感器中有一个监测到烟雾报警，且同时阀厅内所有紫外探头中有一个监测到弧光，当上述2个条件同时满足时允许跳闸;2)若进风口处VESDA传感器监测到烟雾时，闭锁VESDA的跳闸出口回路(避免因阀厅外环境因素引起火灾报警系统误动)，在进风口处VESDA传感器监测到烟雾的情况下若有2个及以上紫外探头同时发出报警，仍允许跳闸出口，跳闸闭锁信号经100 ms的延时后执行后续闭锁直流处理逻辑，该逻辑为启动Y闭锁、跳交流进线开关并锁定开关、执行极隔离。在跳闸出口之前增加“阀厅消防跳闸可用”遥控逻辑，在运行人员操作界面上增加“阀厅消防跳闸可用/不可用”按钮，便于运行人员在后台手动投入或退出阀厅消防跳闸功能。跳闸逻辑如图4所示。

1.4 电源设计

为防止阀厅内电磁干扰对传输的信号造成干

图4 阀厅火灾监视系统跳闸逻辑

Fig 4 Trip-out logic for fire monitoring on valve hall

扰，跳闸和报警信号采用110 V电源设计，同时对VESDA和紫外报警传感器的信号接点扩展为3幅，在每个VESDA和紫外探测器下方的墙壁上安装信号扩展装置，阀厅每个紫外火焰探测器或VESDA探测器对应配置一个信号扩展装置，将探测器提供的24 V信号接点扩展为3对可用于±110 V的接点，1对用于火灾报警主机，另外2对分别接入控制保护A、B系统，每对的常开和常闭接点均接入，在控制保护逻辑中构成RS触发器回路，以防止因干扰引起的误动。由于各探测器在阀厅内的布置较为分散，无法给每个探测器的信号扩展装置提供单独的±110 V电源，需在每个阀厅的巡视走道布置1个电源箱，从对应的阀组电源系统提供1路±110 V

电源至电源箱，通过空开分成若干路110 V电源供给各个信号扩展装置，在信号扩展装置内配置

±110 V/±24 V的电源模块，转换后的±24 V电源为24 V扩展继电器的电源供电。

2 阀厅自动灭火系统

上文中提出了阀厅火灾监视系统的实现方法，但在阀厅出现火灾时仅能报警并及时闭锁直流尚不够完善，因为在发生火灾且火势较大时，运行人员因燃烧物有毒不能进入阀厅及时采取灭火措施，基于这种状况，本文提出一种直流换流站阀厅换流阀自动灭火方案及实现方法。

2.1 灭火剂的选择

3M™Novec™1230灭火剂是透明、无色、无臭、绝缘的液态环保洁净气体灭火剂，由于3M™Novec™1230的洁净、环保、无腐蚀、无残留物、不导电等对设备的友好特点，该灭火剂在国际上已经广泛应用并逐渐替代CO2、干粉、七氟丙烷等[22]。3M™Novec™1230灭火剂在室温下储存时为液态，在氮气推动喷放时即刻呈气态，3M™

Novec™1230具有很好的灭火效果，其机理是通过物理和化学两方面的作用灭火，对换流阀元件不会造成任何影响。该灭火剂的主要灭火机理是物理灭火，即通过分子强烈的热运动带走大量的热，从而达到冷却的作用，这一很强的吸热能力，使火焰快速丧失热量，也由此中断燃烧的链式反应;化学灭火作用即通过捕捉自由基，终止引起火焰传播的链式反应，从而阻止火势的发展;惰化作用将可燃物周围的氧气稀释或消耗至支持燃烧的浓度值以下，从而达到惰化灭火作用。

2.2 自动灭火系统的实现

通过在换流阀阀塔中预先安装采用阻燃材料的管道，管道在受热的情况下会软化但不会燃烧，管道布置在换流阀阀塔的每一层的换流阀组件上面，每层的管道汇集到一个总管道中，总管道通过阀厅延伸至阀厅外并接入膨胀罐中，膨胀罐与补液罐相连用于增加灭火剂压力并能够及时补充灭火剂，具有一定压力的灭火剂充满所有的管道，当换流阀组件起火时，热量会导致管道软化，灭火剂在管内压力的作用下从导管软化处喷出并喷向热源方向，实现自动灭火。

图5为换流阀阀塔及灭火主管道结构，图中标出了预安装的灭火主管道和阀塔组件安装位置，灭火管道延伸至阀厅外并接入膨胀罐，膨胀罐分别与补液罐和灭火管道相连。膨胀罐与补液罐中放置3M™Novec™1230灭火剂。膨胀罐用于增加灭火剂压力。补液灌用于及时补充灭火剂。

图6为换流阀阀组件及预安装的灭火管道结构，阀组件由电容器、电阻器、阀基电子设备触发电路板、光纤及导线、晶闸管和固定支架构成。换流阀

图5 换流阀阀塔及灭火主管道结构

Fig. 5 Pipeline configuration to extinguish fire and valve tower of converter

图6 阀组件及预安装的灭火管道结构

Fig. 6 Preinstall pipeline configuration to extinguish fire and valve module structure

运行过程中，阀塔组件中的元件均会发热，当出现过热、短路等故障时会导致元器件起火。阀组件上部也预安装了灭火管道，阀组件上的灭火管道为分支管道，每个阀组件的分支管道接入阀塔主管道，分支管道端部装有放气阀门，在分支管道中充入灭火剂时，将放气阀门打开，灭火剂充满分支管道后，将放气阀门关闭。所有的分支管道均充满灭火剂后，就可以通过膨胀管向管道内的灭火剂增加压力，发生火灾时，灭火剂能够从分支管道中喷出，从而实现快速、就近灭火的功能。整个阀厅火灾自动灭火系统的管道布置可以与换流阀冷却水管同路径安装。

如图7所示，阀组件元件起火时，火苗附近的温度升高，分支管道在受热的情况下出现软化，具有一定压力的灭火剂从管道软化点处喷出，灭火剂喷出的方向与起火位置的方向一致，灭火剂可以迅速灭火，实现快速、及时灭火，将损失降低到最低限度。由于3M™Novec™1230灭火剂具有洁净、环保、无腐蚀、无残留物、不导电等对设备友好的特点，喷出的灭火剂汽化后不会对设备造成二次破坏。

图7 阀组件元件起火时灭火过程示意图

Fig. 7 Sketch map of extinguish fire

when the converter components on fire

3 工程应用

2013—2014年，国家电网公司在运的29座换流站均进行了阀厅火灾报警系统改造工作，按照本文设计方案将阀厅火灾监视系统由报警改投跳闸，监视系统采用VESDA和紫外探测系统相结合方式，在每个阀厅内各安装10台左右的VESDA探测器和紫外火焰探测器，将探测器监视信号接入直流控制保护系统。跳闸条件为当1台VESDA探测器和1台紫外探测器同时报警且进气口VESDA探测器不报警时发出跳闸指令，当2台紫外探测器报警时也发出跳闸指令。跳闸出口逻辑采取3取2和系统切换相结合方式。各站改造投运以来系统总体运行稳定可靠，未发现误动和拒动风险。因VESDA探测灵敏度和对空气滤网的洁净度要求较高，个别换流站VESDA探测器在出现紧急高气流和紧急低气流时误报警现象，对传感器滤网机型清洗或更换后未再出现误报警现象。

目前已经研发了采用3M™Novec™1230气体灭火剂的手提式和推车式灭火器，配置在阀厅大门或巡视走道入口处，有效射程不小于8 m，喷射时间不小于20 s。阀厅火灾自动灭火系统目前处于研发阶段，并且研制了样机，从工程设计而言具有可行性，后续需要根据直流换流站换流阀运行情况推广应用该项技术。在出现阀厅火势较大或烟尘等有害气体较多，人员无法进入并实施手动灭火措施时，自动灭火系统可实现自动灭火，避免火势扩大蔓延。

4 结论

本文提出了一种直流换流站阀厅火灾监视及自动灭火方案，该方案由换流阀火灾监视系统和阀厅自动灭火系统2部分组成。火灾监视系统结合了VESDA和紫外探测系统的特点，采用烟雾和紫外2种火灾探测方法，同时通过对跳闸逻辑的合理设计，确保了火灾监视系统跳闸的准确性和可靠性。阀厅自动灭火系统利用对电子元件无污染和损害的3M™Novec™1230灭火剂为灭火介质，在阀塔中预安装自动灭火管道，该管道可与阀塔水管同路径铺设，利用管道在火源作用下软化并朝火源方向自动喷出灭火剂的方法来实现早期、快速灭火，降低火灾损失。文中所提的火灾监视系统已用于实际工程，运行良好。阀厅自动灭火系统也在换流阀厂家进行了结构设计，具备实际工程应用的条件。

原标题：直流换流站换流阀火灾监视系统及自动灭火方案