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摘要：介绍了大型变压器的火灾危害性、目前主要的消防启动方式，通过对变压器火灾的主要起因进行分析，从而引入变压器的电气量保护信号和非电量保护信号，并进行逻辑组合，将其和传统的启动方式在可靠性上进行分析比较，提出了变压器的差动保护动作信号、零序过电流保护动作信号、瓦斯保护等信号，都可以优选作为大型变压器消防灭火系统新的启动元件。
关键词：大型变压器；消防启动；电气量保护；非电气量保护；
1.变压器的火灾危害性
变压器是利用电磁感应的原理，把交流电能转变为不同电压、电流参数的另一种电能的设备。它内部的绝缘衬垫和支架，大多采用的是有机可燃物质，并有大量的绝缘油，因而潜伏着发生火灾的危险性。变压器油在高温或电弧作用下，会分解大量轻质的碳氢化合物，如氢气、乙炔等易燃性气体，这些易燃气体与空气混合，达到一定浓度时，形成爆炸性气体，遇高温就会发生爆炸，因而变压器油是变压器火灾及爆炸事故的根源，一旦变压器发生火灾爆炸事故，位于油箱顶部油枕内的大量变压器油，从箱体开裂处向外猛烈喷出，助长火势的蔓延，这无疑大大增加了变压器消防灭火的难度和扑灭火灾的时间，甚至使火灾延续数小时，同时造成大面积停电，影响正常的生产和生活。
2.目前变压器水喷淋系统的火灾监测和逻辑启动方式
变压器水喷雾灭火系统应设有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。在发生火灾，探测器或变压器内部信号动作后，可自动启动雨淋阀组进行水喷雾灭火，也可采用人工手动控制及应急操作的方式[1]。
220kV以上大型变压器消防灭火系统的火灾信号一般有2种：缆式线型定温探测器（以下简称感温电缆）发出的火灾报警信号、变压器故障发出的断路器跳闸信号[2]。目前，国内大型变压器大部分使用火灾报警信号作为主要启动信号，使用的感温型探测器一般采用感温电缆，常见的逻辑见图1：必须有2个火灾报警信号同时触发，才能启动消防灭火装置动作[3]。
图2 组合启动方式2
方式1中，感温电缆同时触发火警直接启动喷淋，此种控制方式现场响应速度快，但由于感温电缆处于室外，风吹日晒环境差，控制方式单一，感温电缆短路造成误喷风险也高。方式2中，虽然提高了变压器消防灭火系统启动的可靠性，但是感温电缆毕竟是缠绕在变压器的表面，其灵敏性受敷设方式和环境的影响，当变压器内部发生故障时，其跳闸信号发出后，感温电缆或许未报警，存在一定的“拒动”风险。所以，仅仅通过感温电缆启动变压器消防系统是不可取的，单纯靠感温电缆启动消防系统“误动”和“拒动”概率都较大。因此，有必要对变压器水喷淋系统的逻辑启动方式进行优化，以达到系统“误动”和“拒动”的概率尽量降至最低。为此，我们可以从变压器火灾爆炸事故的主要原因进行分析。
3.变压器火灾爆炸事故的主要原因及分析
（1）由于变压器压紧机构不良，线圈动稳定性不够，抗电动力能力差，因而在外部近区短路时损坏，引起火灾爆炸事故。变压器内部故障是引起变压器事故的主要原因，约占全部事故次数的76.7%。
（2）由于制作缺陷，变压器匝间绝缘薄弱，在运行中由匝间短路发展为相间短路，引发变压器油箱严重变形开裂、喷油，甚至引起变压器爆炸起火的严重事故，占变压器事故总台次数的比例接近20%。
（3）由于线圈绝缘强度不够，在非同期冲击过电压作用下，高、低压线圈之间放电击穿，引起变压器箱体变形开裂。甚至引起变压器爆炸起火的严重事故，再加上引起重瓦斯动作跳闸和压力释放阀动作跳闸的事故，所占的比例已超过40%。
可见，大型变压器消防灭火系统的探测和启动方式，仅仅依靠布置在变压器周围的感温电缆是无法满足变压器防爆防火要求的。因此，有必要引入新的检测和启动元件，以及时感知变压器运行状态的变化，并在变压器内部发生严重故障，可能引起变压器爆炸起火时，尽快发出信号，启动消防灭火系统动作，尽可能减少事故造成的损失，达到防爆、防火的效果[4]。
3.1 变压器的电气量保护、非电气量保护
（1）变压器差动保护是大型变压器的主保护，能迅速反应变压器的内部故障，迅速判断变压器各侧断路器。根据变压器的型式和电流互感器的配置位置的不同，可分为纵差保护、分侧差动保护和零序差动保护。
（2）变压器零序过电流保护是作为变压器绕组、引线、相邻元件接地故障的后备保护。变压器接地保护要与线路接地保护在灵敏度和动作时间上相配合[5]。
（3）瓦斯保护是变压器内部故障的主保护，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。瓦斯保护一般分为轻瓦斯和重瓦斯两类。轻瓦斯：变压器内部过热，或局部放电，使变压器油油温上升，产生一定的气体，汇集于继电器内，达到了一定量后触动继电器，发出信号，重瓦斯：变压器内发生严重短路后，将对变压器油产生冲击，使一定油流冲向继电器的档板，动作于跳闸[5]。
3.2 火灾报警信号
感温电缆：感温电缆由2根高碳钢丝外裹高压聚乙烯塑料套管、聚乙烯包带或涤纶包带构成，最外层是PVC绝缘料套管。当感温电缆周围的温度达到其动作温度值±10%范围内时，聚乙烯塑料套管、聚乙烯或涤纶包带融化，2根高碳钢丝接触，他们之间的电阻值迅速下降，此时，感温电缆发出火警信号。
4.推荐大型变压器水喷淋系统的逻辑启动方式
为了直观的表达逻辑关系，逻辑图中使用的各种符号代表的含义如表①。
表① 逻辑图中使用的各种符号代表的含义
火灾1：火灾报警信号1火灾2：火灾报警信号2
跳闸：断路器跳闸信号差动：差动保护信号
零序：零序保护信号瓦斯：重瓦斯保护动作
1/2-“或”逻辑：任一保护动作即进入下一逻辑2/2-“与”逻辑：必须有2个保护同时动作，才能进入下一个逻辑
组合启动方式3：引入差动保护和重瓦斯保护，2个保护动作“或”逻辑后，和感温电缆进行“或”逻辑，再与断路器跳闸信号“与”逻辑，启动消防灭火装置，逻辑如图3：
图4 组合启动方式4
相比方式3，方式4能够由两套相对独立的逻辑因子启动，通过变压器内部电气量保护信号可以启动，或者通过火灾报警系统的感温电缆亦可启动，从而将变压器水喷淋系统“误动”和“拒动”的概率尽量降至最低，其可靠性有了较大的提高。
6.结论
综上，我们认为，变压器的差动保护动作、零序过电流保护动作、重瓦斯保护等信号，都可以优选作为大型变压器消防灭火系统新的启动元件，其逻辑优先推荐组合启动方式4。
参考文献
[1]GB50116-2008 火灾自动报警系统设计规范
[2]220kV及以上大型主变压器消防灭火对策研究 丁皋生 邹旭昭
[3]变电站火灾报警及联动灭火系统方案探讨 袁晓明
[4]电力变压器的火灾起因与消防 韩敏 刘兴玉 马煜峰
[5]电力系统继电保护 张保会 伊项根
论文作者:张开鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/11
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