换流变压器阀侧套管防火墙洞口封堵研究

曹豫岩，徐 晴，冯 宇，樊世涛

1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021

2.南通世睿电力科技有限公司，江苏 南通 226000

1 项目背景

在直流输电系统中，换流变压器和换流阀共同作为交流和直流系统的接口设备[1]，完成交流与直流电路之间的转换。将换流变本体布置在阀厅外，阀侧套管穿过阀厅防火墙洞口与阀厅内部阀组连接，阀厅防火墙为换流变阀侧套管预留的洞口，待设备就位后需要进行封堵。

换流变发生火灾时，防火墙洞口封堵成为整个防火系统中的薄弱环节。绝缘油达到燃点会引发烃类燃烧，与纤维素燃烧相比，烃类燃烧具有爆发快、温度高的特点，可在极短时间内达到1100℃，极易造成防火封堵材料性能的快速衰减，同时防火封堵系统连接部位也存在着极高的火灾蔓延风险。自直流工程投运以来，换流站内阀厅火灾事故时有发生，换流变阀侧套管防火墙洞口封堵被烧穿，破坏了内部阀组，造成了重大经济损失，因此需要对洞口封堵材料的耐火极限及封堵结构提出更高的要求：防火封堵材料要具有相应的防火、防烟、隔热性能[2]，封堵结构必须稳固。

2 封堵系统结构设计

2.1 设计目标

为了保证换流变阀侧套管防火墙洞口封堵满足实际需求，封堵设计需要考虑整体耐火性能和强度要求，同时要满足电磁屏蔽性能，避免涡流发热。在设计防火封堵系统时，其支撑构件、紧固件以及连接件等应该具有相应的耐火性能和力学稳定性能；其自身与防火墙、套管交界处必须做好密封处理，避免发生火灾时，出现热短路现象或窜烟现象；所用的材料至少满足碳氢火燃烧3h的耐火要求，在正常使用或发生火灾时，材料不脱落、移位和开裂；所用的金属材料选用无磁不锈钢材料，避免运行时产生涡流发热。

国家电网公司特高压建设部、国家电网公司直流建设公司、国网经济技术研究院联合设计院和厂家一起研究探讨各种材料的耐火性能，并在北京、上海、四川等地进行了多次大尺寸洞口封堵耐火试验（带模拟导管贯穿物），在试验基础上组织规划院专家审查，最终在2020年1月15日形成了一个初步封堵标准化设计方案，对防火墙洞口尺寸、封堵结构抗风压性能等做出了明确要求。

2.2 封堵结构

之前的封堵系统主要材料选用了单层结构岩棉复合防火板（150mm厚的Paroc板）[3]，该单层结构岩棉复合防火板（以下简称岩棉板）以0.6mm厚的金属板（大部分为304不锈钢，少部分为普通彩钢板）作为面板，中间复合填充了岩棉芯材。相关厂家根据防火封堵的最新要求，继续深入研究此系统，设计了“多层次防火封堵”系统。该封堵系统分为刚性封堵、包边封堵与柔性封堵三部分。

（1）刚性封堵。阀厅外侧采用80mm×50mm×6mm的不锈钢角钢固定，角钢内侧采用100mm厚的不锈钢面硅酸铝复合板，中间层采用龙骨加空气层结构，确保封堵系统整体结构强度，不锈钢面硅酸铝复合板与龙骨接触部位采用防火板进行隔离，阀厅内侧采用100mm厚的不锈钢面岩棉复合板，双层复合防火板通过不锈钢燕尾钉与不锈钢龙骨连接，该结构既可保证小封堵的防火封堵距离，又可解决由板材质量和施工质量分散性、板材拼缝热短路等导致的局部高温问题。刚性封堵结构如图1所示。

图1 刚性封堵结构图

（2）包边封堵。选用硅酸铝纤维毯密实填充不锈钢面硅酸铝复合板、不锈钢面岩棉复合板与墙体之间的间隙，在阀厅内侧使用高温硫化硅橡胶板覆盖防火板材与墙体之间的间隙，避免火灾中有烟气穿过，最后使用不锈钢包边进行密封处理。整个包边结构在边界处隔绝火焰，避免烟气窜入阀厅内。包边封堵结构如图2所示。

图2 包边封堵结构图（单位：mm）

2.3 柔性封堵

柔性封堵从阀厅内侧到外侧设计成多层结构，既能满足日常防尘、防水、密封要求，又能在火灾发生时阻止火焰和烟气传播。使用硅酸铝纤维毯密实填充防火板材与套管之间的间隙，使用挡火圈覆盖间隙，外侧使用硅橡胶板覆盖，并使用防火密封胶进行边缘密封。柔性封堵结构如图3所示。

图3 柔性封堵结构图（单位：mm）

3 封堵系统技术创新点

3.1 结构设计

通过研究发现，封堵结构的耐火性能和密封性能密切相关。在火灾中，封堵结构的密封失效通常是由于封堵系统防火板材在高温条件下金属面发生变形，破坏密封系统造成的，因此将迎火面设计为耐火性能和隔热性能优异的不锈钢面硅酸铝复合防火板，并对其金属面企口部位进行密封加强处理，保证企口密封。中间设计采用不锈钢龙骨固定，两层防火板之间的间隙被设计为容错层，能够解决板材质量和施工质量分散性、板材拼缝热短路等导致的局部温度高的问题。经过迎火面防火板后，4h后空气层温度不超过600℃，可满足岩棉板的使用温度（岩棉材料的最高使用温度约为600～700℃[4]），结合经济性考虑，封堵系统的第二层防火板设计为岩棉板。

3.2 不锈钢面硅酸铝复合板

封堵系统遇到火灾（1100℃左右）时，岩棉板面层金属很快受热变形，并拉动卡口变形，导致火从卡扣窜入，防火板材失效。针对板材变形问题，不锈钢面硅酸铝复合板由无磁化不锈钢、镁质防火板、硅酸铝纤维复合而成。无磁化不锈钢可避免在变压器运行时出现封堵涡流发热的情况；不锈钢面板与镁质防火板采用固定间距的固定钉固定，当不锈钢面板变形时，靠内侧镁质防火板的拉力约束面材和卡口变形，保持板材的结构完整性；硅酸铝纤维最高使用温度为1200℃[5-6]，岩棉最高使用温度为700℃，不锈钢面硅酸铝复合板能提升封堵结构整体的耐火性和隔热性。

3.3 可活动挡火圈

柔性封堵部位中间空气层、背火面使用可活动挡火圈设计，挡火圈使用防火胶固定于套管上，套管发生沉降时，挡火圈随之发生位移。在日常运行过程中，挡火圈与套管同步震动；在火灾发生时，挡火圈能有效保证小封堵密封性，减少了火灾时的空气热对流，增强了小封堵及整个封堵系统的隔热性能，另外可活动挡火圈能起到提升整个封堵系统耐受荷载能力的作用。

3.4 密封结构

在火灾条件下，各种材料受高温影响发生形变，如果在迎火面做密封，难以保证其密封性，并且会造成材料浪费。防火包边封堵设计两道密封，一道是迎火面板材背面使用镁质防火板防火、隔热，另一道是在背火面使用高温硫化硅橡胶密封隔烟，中间层使用硅酸铝作为隔热层。柔性封堵在包边封堵设计上增加第三道密封，使用硅酸铝防火板在套管部位中间位置增加一道防火、隔热层。隔热层能有效降低背火面温度，再对背火面阀厅侧小封堵、板缝、板材与墙体间隙做密封处理，有效隔绝烟气传播。

4 结束语

2019年12月30日，“多层次防火封堵”系统在四川消防研究所进行了3h真型耐火试验（5m×5m，带模拟双贯穿物），试验过程中封堵系统结构完整，未出现漏烟现象。实验结果表明该结构符合《防火封堵材料》（GB 23864—2009）中的相关要求，也满足现场实际使用需求。目前，该防火封堵结构已经投入实际工程中。