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摘要：本文分析了风力发电机组发生火灾的原因，针对容易发生火灾的部位及其所处环境的特点，提出了各种火灾探测器和灭火系统的适用范围。在此基础上，对该领域尚未解决问题的研究前景进行了展望。
关键词:风力发电机组；自动消防系统；火灾探测器；灭火药剂
中图分类号： TB857+.3文献标识码：A 文章编号：
风能作为可再生的清洁能源，具有传统能源所不可比拟的优越性，因而日益受到世界各国的广泛关注，风力发电已逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。然而，随着风力发电产业的高速发展，风电机组的运行可靠性问题突出，安全事故频发。在各类安全事故中，火灾的发生频率仅次于叶片故障[1]。由于风力发电机组多无人值守，再囿于其所处的特殊地理位置和灭火技术条件的限制，一旦发生火灾，可能会导致整个机组全部烧毁，造成极大的经济损失。因此，研究稳定可靠的自动消防系统，制订相应的消防设计规范和标准，已经成为风电机组安全运行所亟待解决的问题。
1风电机组火灾分析
引发风力发电机设备火灾的原因是多方面的。通过对近年来国内外相关火灾事故的分析，大致可以归结为以下几个因素。
(1)雷击引发火灾。雷击是引发风力发电机组火灾的主导原因之一，统计数据显示，雷击事故中40%～50%损坏到风电机组的控制系统，15%～25%涉及到通信系统，15%～20%涉及到风机叶片，5%涉及到发电机[2]。由于风力发电机组的运行区域距地面的高度都在50 米以上，大型风机更是高达120多米，因此极易受到雷击。如果避雷设施安装或维护不当，或是安装的避雷针电阻过大，那么雷击火灾发生的风险就特别高。
(2)电气故障引发火灾。电气故障也是引发风力发电机组火灾的主导原因之一。接地故障、过载、短路、电弧、磁暴、静电放电、绝缘层老化损坏、电气元件过热击穿、设备接插件和电缆接头接触不良等因素，都极易引起电气元件和电缆火灾。
(3)机械故障引发火灾。叶片调节电机与控制系统在长期运行过程中，由于紧固部位松动或轴承磨损等原因，容易出现机械摩擦导致的表面过热，从而引燃周围易燃物[3]。而当风力发电机组空气动力制动系统发生故障而采取机械制动时，转子减速所产生的热量也可能引起易燃可燃物燃烧。此外，电机过载或润滑系统故障也会使发电设备过热，从而引燃润滑油等与高温表面接触的易燃物。
(4)人为因素引发火灾。风力发电场多数位于边远偏僻地区，气候条件恶劣，因此发电机组发生故障也较为频繁。在维修工作中，焊接、火焰切割、磨削等作业产生的高温及火花，极易引燃附近的易燃材料。
2風电机组自动消防系统选择
2.1自动消防系统的考虑因素
风力发电机组所处环境条件的特殊性和复杂性，对自动消防系统应用的可靠性、有效性和适应性的影响较大。为使自动消防系统具有高效、安全、经济等特点，必须对每台风电机组的运行环境进行独立评估。在选择合适的火灾探测器和灭火系统时，需要重点考虑的因素包括：
(1)风机轮毂与舱罩存在较大间隙，致使机舱内部存在较强的空气流动。快速的通风换气，对火灾探测器探测火情的灵敏性和灭火装置的灭火效能有较大不利影响。
(2)机舱内设备密集，空间狭小，对烟雾和热气流有阻隔作用，容易阻挡灭火药剂的喷放和扩散，对火灾的探测和早期灭火也有不利影响[4]。
(3)电气设备控制柜等装置的外壳密闭性较高，给探测柜内火灾和早期灭火带来困难，需要有针对性地采取相应的探测手段和灭火措施。
(4)风电场的环境条件具有多样性，如：内陆风电场可能多沙尘，而海上风电场则存在水雾和盐雾；南方风电场可能面临较高的工作温度，而北方风电场则出现低温冰冻的情况。风力发电机组自动消防系统应存在差异性，与环境条件相适应。
(5)自动消防系统应长期运行稳定可靠，免维护性好，易于管理，运行成本低。
2.2火灾探测器
火灾探测器能及时探测到火灾的发生。在风力发电机组的运行中，一方面希望其能及时查觉到火灾的发生，同时也要避免误报警现象的出现。但是任何一种火灾探测器对火灾的探测都有局限性，因此，不仅要根据不同的位置选择不同类型的探测器，而且同一位置至少设置两种不同报警等级的探测器，不同报警等级的探测器包括不同类型的探测器或同类型但不同灵敏度的探测器的组合。火灾探测器必须在监测区域可用，且对预期的火灾特性敏感。在选择和操作火灾探测器时，必须充分评估风电机组所处的环境条件，包括温度、湿度以及沙尘等因素。
感烟探测器是自动消防系统中最常用的火灾探测器，它是一种对环境适用性较强又相对经济的探测器。根据灵敏度不同，其有不同的型号。但是感烟探测器不适用于相对湿度经常大于95%或有大量沙尘、水雾滞留的场所。其可用于机舱内部、各种控制柜及变流器柜内的火灾监测，若某个控制柜内选择了灵敏度较高型号的烟感探测器作为一级报警，则灵敏度稍低的型号将作为二级报警。
感温探测器对火灾的探测不如感烟探测器灵敏，但是可以适用于相对湿度经常大于95%或者有大量沙尘的场所。其一般安装在监测对象的附近，如距离太远，在火灾早期就无法起到监测作用。因此，感温探测器可以用作二级报警用探测器，安装在密封性较好的控制柜内。在风力发电机组的自动消防系统中若能用其他的探测器代替，则不选择感温探测器。
火焰探测器只靠火焰辐射就能响应，其对明火的响应比感温和感烟探测器快得多。可用于监测飞起的火花或电弧，但是无法探测阴燃火。因此，其比较适合用来监测发电机定、转子接线盒，刹车系统或变压器的火灾情况，可用作一级报警。
空气采样烟雾探测器是一种适用性很强的探测器，可用在各种位置及恶劣的工况下，且同一探测器可通过设置实现多级别火灾监测，但价格较昂贵。因此，可用于机舱或塔底这种空间密封性差、空气流动性大、噪音振动较大地方的火灾监测。
2.3灭火药剂和灭火系统
灭火药剂和灭火系统的选择直接决定了灭火的效果。在选择灭火系统时，一方面，灭火药剂应尽可能选择无残留、无腐蚀性和无导电性的物质，以避免给风力发电机组设备带来间接损坏[5]；另一方面，应充分评估风电机组所处的环境条件，包括温度、湿度以及沙尘等因素。根据选择灭火药剂的不同，风力发电机组自动消防可选择的灭火系统主要包括气体灭火系统、高压细水雾灭火系统、超细干粉灭火系统。
气体灭火系统的灭火药剂采用二氧化碳、七氟丙烷或氮气等，通过相对减少空气中的氧气含量，降低燃烧物温度，来使火焰熄灭。其适用于扑救各种可燃易燃液体、部分固体以及带电设备火灾，灭火效率高，且不会对机械或电子设备造成任何损害。但是，气体灭火系统主要适用于相对密闭的空间的灭火，一旦空间密闭条件被破坏，灭火失效率极高。其对人体有一定的毒害作用，喷放后药剂无法自行散逸，需要设置通风设施来机械排烟。因此，气体灭火系统可用于密封性较好的各种控制柜及变流器柜内的灭火，这种局部全淹没式系统也可以采用火探管式自动探火灭火系统，既可以形成点对点的保护，又可以降低造价。
高压细水雾灭火系统的灭火药剂采用粒径<200μm的水雾，遇火后迅速汽化，吸收大量的热，使得燃烧表面温度迅速降低，同时水雾汽化后形成水蒸气，区域整体包围覆盖，使燃烧因缺氧而窒息。其适用于扑救各种可燃易燃液体、可燃气体、部分固体以及带电设备火灾，灭火效率高，对防护空间无密闭要求，对人体无毒害作用。但是，高压细水雾灭火系统需要设置消防水池和高压泵站，如采用瓶组式灭火装置，也需要设置储瓶间，所需空间较大。因此，只要供水条件允许，高压细水雾灭火系统可用于空气流动性较强的机舱内部区域（包括的发电机、液压系统、齿轮箱、刹车系统、偏航驱动器等设备）以及相对密封的塔底区域的变压器等设备的灭火。
超细干粉灭火系统的灭火药剂采用粒径<20μm的干粉，遇火后分解汽化，产生大量游离基，进入气相与燃烧产物的游离基相作用，从而终止燃烧反应链，同时在燃烧表面形成残留物薄膜，使燃烧表面与空气隔绝。其适用于扑救各种可燃易燃液体、可燃气体以及部分固体火灾，灭火效率高，对防护空间无密闭要求，对人体无毒害作用，且无需设置储瓶间。但是，超细干粉释放后的残留物较难清理，且可能会对电子设备造成一定损害。因此，超细干粉灭火系统可用于塔架内电缆等设施的灭火。
3结语
在国内外发生的风力发电机组安全事故中，火灾的发生频率仅次于叶片故障，随着风力发电机容量的提升，其可能造成的损失也随之增加。但是，在我国现行的国家标准体系中，关于风力发电机组的自动消防系统的规定和规范几乎是空白。这使得目前的风电消防设计或验收无章可循，可能存在大量先天性的火灾隐患。建议有关部门一方面加强研究稳定可靠的自动消防系统，另一方面尽快出台适合风电行业特点的消防设计规范和相关的产品技术标准，从根本上解决风电行业面临的消防安全问题，为我国风电事业的健康发展保驾护航。
参考文献
[1] 徐大军, 张晋, 刘连喜 等. 风力发电机组火灾特性与消防系统应用研究[J]. 消防科学与技术, 2010, 29(12): 1081-1086.
[2] 徐明超. 风电火灾原因及防火对策[J]. 消防科学与技术, 2011, 30(11): 1073-1075.
[3] 寻征轩. 自动消防系统在风力发电机组中的应用[J]. 上海电机学院学报, 2010, 13(1): 59-62.
[4] 武在前. 关于风力发电机组加强火灾探测报警系统与消防系统设计的研究[J]. 中国勘察设计, 2011, 12: 98-100.
[5] 公安部天津消防研究所. GB 50370-2005气体灭火系统设计规范[S]. 北京, 2006.
关键词:风力发电机组；自动消防系统；火灾探测器；灭火药剂
中图分类号： TB857+.3文献标识码：A 文章编号：
风能作为可再生的清洁能源，具有传统能源所不可比拟的优越性，因而日益受到世界各国的广泛关注，风力发电已逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。然而，随着风力发电产业的高速发展，风电机组的运行可靠性问题突出，安全事故频发。在各类安全事故中，火灾的发生频率仅次于叶片故障[1]。由于风力发电机组多无人值守，再囿于其所处的特殊地理位置和灭火技术条件的限制，一旦发生火灾，可能会导致整个机组全部烧毁，造成极大的经济损失。因此，研究稳定可靠的自动消防系统，制订相应的消防设计规范和标准，已经成为风电机组安全运行所亟待解决的问题。
1风电机组火灾分析
引发风力发电机设备火灾的原因是多方面的。通过对近年来国内外相关火灾事故的分析，大致可以归结为以下几个因素。
(1)雷击引发火灾。雷击是引发风力发电机组火灾的主导原因之一，统计数据显示，雷击事故中40%～50%损坏到风电机组的控制系统，15%～25%涉及到通信系统，15%～20%涉及到风机叶片，5%涉及到发电机[2]。由于风力发电机组的运行区域距地面的高度都在50 米以上，大型风机更是高达120多米，因此极易受到雷击。如果避雷设施安装或维护不当，或是安装的避雷针电阻过大，那么雷击火灾发生的风险就特别高。
(2)电气故障引发火灾。电气故障也是引发风力发电机组火灾的主导原因之一。接地故障、过载、短路、电弧、磁暴、静电放电、绝缘层老化损坏、电气元件过热击穿、设备接插件和电缆接头接触不良等因素，都极易引起电气元件和电缆火灾。
(3)机械故障引发火灾。叶片调节电机与控制系统在长期运行过程中，由于紧固部位松动或轴承磨损等原因，容易出现机械摩擦导致的表面过热，从而引燃周围易燃物[3]。而当风力发电机组空气动力制动系统发生故障而采取机械制动时，转子减速所产生的热量也可能引起易燃可燃物燃烧。此外，电机过载或润滑系统故障也会使发电设备过热，从而引燃润滑油等与高温表面接触的易燃物。
(4)人为因素引发火灾。风力发电场多数位于边远偏僻地区，气候条件恶劣，因此发电机组发生故障也较为频繁。在维修工作中，焊接、火焰切割、磨削等作业产生的高温及火花，极易引燃附近的易燃材料。
2風电机组自动消防系统选择
2.1自动消防系统的考虑因素
风力发电机组所处环境条件的特殊性和复杂性，对自动消防系统应用的可靠性、有效性和适应性的影响较大。为使自动消防系统具有高效、安全、经济等特点，必须对每台风电机组的运行环境进行独立评估。在选择合适的火灾探测器和灭火系统时，需要重点考虑的因素包括：
(1)风机轮毂与舱罩存在较大间隙，致使机舱内部存在较强的空气流动。快速的通风换气，对火灾探测器探测火情的灵敏性和灭火装置的灭火效能有较大不利影响。
(2)机舱内设备密集，空间狭小，对烟雾和热气流有阻隔作用，容易阻挡灭火药剂的喷放和扩散，对火灾的探测和早期灭火也有不利影响[4]。
(3)电气设备控制柜等装置的外壳密闭性较高，给探测柜内火灾和早期灭火带来困难，需要有针对性地采取相应的探测手段和灭火措施。
(4)风电场的环境条件具有多样性，如：内陆风电场可能多沙尘，而海上风电场则存在水雾和盐雾；南方风电场可能面临较高的工作温度，而北方风电场则出现低温冰冻的情况。风力发电机组自动消防系统应存在差异性，与环境条件相适应。
(5)自动消防系统应长期运行稳定可靠，免维护性好，易于管理，运行成本低。
2.2火灾探测器
火灾探测器能及时探测到火灾的发生。在风力发电机组的运行中，一方面希望其能及时查觉到火灾的发生，同时也要避免误报警现象的出现。但是任何一种火灾探测器对火灾的探测都有局限性，因此，不仅要根据不同的位置选择不同类型的探测器，而且同一位置至少设置两种不同报警等级的探测器，不同报警等级的探测器包括不同类型的探测器或同类型但不同灵敏度的探测器的组合。火灾探测器必须在监测区域可用，且对预期的火灾特性敏感。在选择和操作火灾探测器时，必须充分评估风电机组所处的环境条件，包括温度、湿度以及沙尘等因素。
感烟探测器是自动消防系统中最常用的火灾探测器，它是一种对环境适用性较强又相对经济的探测器。根据灵敏度不同，其有不同的型号。但是感烟探测器不适用于相对湿度经常大于95%或有大量沙尘、水雾滞留的场所。其可用于机舱内部、各种控制柜及变流器柜内的火灾监测，若某个控制柜内选择了灵敏度较高型号的烟感探测器作为一级报警，则灵敏度稍低的型号将作为二级报警。
感温探测器对火灾的探测不如感烟探测器灵敏，但是可以适用于相对湿度经常大于95%或者有大量沙尘的场所。其一般安装在监测对象的附近，如距离太远，在火灾早期就无法起到监测作用。因此，感温探测器可以用作二级报警用探测器，安装在密封性较好的控制柜内。在风力发电机组的自动消防系统中若能用其他的探测器代替，则不选择感温探测器。
火焰探测器只靠火焰辐射就能响应，其对明火的响应比感温和感烟探测器快得多。可用于监测飞起的火花或电弧，但是无法探测阴燃火。因此，其比较适合用来监测发电机定、转子接线盒，刹车系统或变压器的火灾情况，可用作一级报警。
空气采样烟雾探测器是一种适用性很强的探测器，可用在各种位置及恶劣的工况下，且同一探测器可通过设置实现多级别火灾监测，但价格较昂贵。因此，可用于机舱或塔底这种空间密封性差、空气流动性大、噪音振动较大地方的火灾监测。
2.3灭火药剂和灭火系统
灭火药剂和灭火系统的选择直接决定了灭火的效果。在选择灭火系统时，一方面，灭火药剂应尽可能选择无残留、无腐蚀性和无导电性的物质，以避免给风力发电机组设备带来间接损坏[5]；另一方面，应充分评估风电机组所处的环境条件，包括温度、湿度以及沙尘等因素。根据选择灭火药剂的不同，风力发电机组自动消防可选择的灭火系统主要包括气体灭火系统、高压细水雾灭火系统、超细干粉灭火系统。
气体灭火系统的灭火药剂采用二氧化碳、七氟丙烷或氮气等，通过相对减少空气中的氧气含量，降低燃烧物温度，来使火焰熄灭。其适用于扑救各种可燃易燃液体、部分固体以及带电设备火灾，灭火效率高，且不会对机械或电子设备造成任何损害。但是，气体灭火系统主要适用于相对密闭的空间的灭火，一旦空间密闭条件被破坏，灭火失效率极高。其对人体有一定的毒害作用，喷放后药剂无法自行散逸，需要设置通风设施来机械排烟。因此，气体灭火系统可用于密封性较好的各种控制柜及变流器柜内的灭火，这种局部全淹没式系统也可以采用火探管式自动探火灭火系统，既可以形成点对点的保护，又可以降低造价。
高压细水雾灭火系统的灭火药剂采用粒径<200μm的水雾，遇火后迅速汽化，吸收大量的热，使得燃烧表面温度迅速降低，同时水雾汽化后形成水蒸气，区域整体包围覆盖，使燃烧因缺氧而窒息。其适用于扑救各种可燃易燃液体、可燃气体、部分固体以及带电设备火灾，灭火效率高，对防护空间无密闭要求，对人体无毒害作用。但是，高压细水雾灭火系统需要设置消防水池和高压泵站，如采用瓶组式灭火装置，也需要设置储瓶间，所需空间较大。因此，只要供水条件允许，高压细水雾灭火系统可用于空气流动性较强的机舱内部区域（包括的发电机、液压系统、齿轮箱、刹车系统、偏航驱动器等设备）以及相对密封的塔底区域的变压器等设备的灭火。
超细干粉灭火系统的灭火药剂采用粒径<20μm的干粉，遇火后分解汽化，产生大量游离基，进入气相与燃烧产物的游离基相作用，从而终止燃烧反应链，同时在燃烧表面形成残留物薄膜，使燃烧表面与空气隔绝。其适用于扑救各种可燃易燃液体、可燃气体以及部分固体火灾，灭火效率高，对防护空间无密闭要求，对人体无毒害作用，且无需设置储瓶间。但是，超细干粉释放后的残留物较难清理，且可能会对电子设备造成一定损害。因此，超细干粉灭火系统可用于塔架内电缆等设施的灭火。
3结语
在国内外发生的风力发电机组安全事故中，火灾的发生频率仅次于叶片故障，随着风力发电机容量的提升，其可能造成的损失也随之增加。但是，在我国现行的国家标准体系中，关于风力发电机组的自动消防系统的规定和规范几乎是空白。这使得目前的风电消防设计或验收无章可循，可能存在大量先天性的火灾隐患。建议有关部门一方面加强研究稳定可靠的自动消防系统，另一方面尽快出台适合风电行业特点的消防设计规范和相关的产品技术标准，从根本上解决风电行业面临的消防安全问题，为我国风电事业的健康发展保驾护航。
参考文献
[1] 徐大军, 张晋, 刘连喜 等. 风力发电机组火灾特性与消防系统应用研究[J]. 消防科学与技术, 2010, 29(12): 1081-1086.
[2] 徐明超. 风电火灾原因及防火对策[J]. 消防科学与技术, 2011, 30(11): 1073-1075.
[3] 寻征轩. 自动消防系统在风力发电机组中的应用[J]. 上海电机学院学报, 2010, 13(1): 59-62.
[4] 武在前. 关于风力发电机组加强火灾探测报警系统与消防系统设计的研究[J]. 中国勘察设计, 2011, 12: 98-100.
[5] 公安部天津消防研究所. GB 50370-2005气体灭火系统设计规范[S]. 北京, 2006.