油浸式變壓器消防滅火真型試驗平臺構建及試驗驗證

謝連科,劉國強,張 燕,談龍妹,潘為亮

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院,濟南,250001;2.青島諾誠化學品安全科技有限公司,青島,266071)

0 引言

油浸式變壓器火災已成為威脅電力安全的重大風險,在統計的變電站火災事故中,對于帶來人身傷亡的變電站火災,占比最多的仍然是220 kV變壓器及以上等級的火災事故,因此220 kV及以上的高壓、特高壓變電站是我國目前重點研究防護的對象。而變壓器內部上百噸烴類礦物油存在起火、爆炸等風險,并可演變成大型火災事故,撲救難度極大。變壓器是電網核心設備,一旦發生火災,致使供電中斷,對人員和財產造成重大損失。如2017年11月1日,印度拉賈斯坦邦一處油浸式變壓器發生火災,火災時變壓器的高溫油噴出,事故造成至少13人死亡,多人嚴重燒傷;2000年12月11日,500 kV日照變電站A相變壓器發生火災,火災發生在油浸式變壓器漏油操作過程中,電焊火花引燃了可燃材料,并引燃了變壓器油,燃燒迅速擴大,火勢猛烈。

變壓器起火主要原因是：(1)由于變壓器壓緊結構不良,線圈穩定性不夠,抗電動力能力差,在外部近區短路時損壞,引發變壓器火災爆炸事故;(2)變壓器匝間絕緣薄弱,在運行中由匝間短路發展為相間短路,引發變壓器油箱嚴重變形開裂、噴油;(3)線圈絕緣強度不夠,在非同期沖擊過電壓作用下,高、低壓線圈之間放電擊穿,引起變壓器箱體變形開裂;(4)套管存在制造缺陷,在運行中絕緣缺陷不斷發展,最后導致突發性短路爆炸事故[1];(5)變壓器分接開關缺陷,在運行中產生放電電弧導致變壓器故障引起爆炸事故等。

目前,變壓器的消防滅火系統因變電站配置而各不相同,由于未有適宜可靠的驗證平臺,導致滅火裝置或滅火系統的效能、經濟評價指標參差不齊,若配置不當還會造成滅火失控和大量資源浪費。國內現有測試平臺現狀為采用簡化版的變壓器模型,其形狀、尺度、工況與實際變壓器差別較大。如某研究機構的水噴霧系統試驗平臺采用2.5 m×1.6 m×1.5 m鋼板模型模擬變壓器套管火火災現象,但由于尺寸和形狀與真實變壓器差別較大,無法完全反映真實變壓器火災情況[2];李殿臣等[3]利用110 kV廢舊變壓器搭建試驗平臺,對比分析水噴霧、細水霧和泡沫噴霧三種滅火系統的特點并提出各自的應用場所;陳光等[4]建立火災試驗模型,開展池火燃燒及泡沫-細水霧滅火試驗研究,結果表明泡沫-細水霧聯用滅火系統可快速撲滅明火;賴余斌和洪巧章[5]搭建模擬換流變壓器平臺,開展水噴霧和消防炮的對比滅火試驗,并提出適用于換流變壓器的消防設計方案;陳寶輝等[6]則通過分析目前特高壓變電站的固定式滅火系統,提出水噴霧、泡沫噴霧、壓縮空氣泡沫滅火系統的消防能力提升方案。

綜上所述,目前測試平臺大多集中于研究變壓器油的燃燒特性[7,8]或者建立簡單的變壓器模型模擬單一火災及水噴霧和細水霧等滅火技術。由于大型充油設備體積龐大、充油量高、結構復雜,由此構建真型試驗平臺較為困難;而小型模擬試驗無法還原大型變壓器真實火災場景。因此,本文將研究構建油浸式變壓器消防滅火真型試驗平臺,開展不同泡沫滅火系統在真實變壓器平臺的冷噴及滅火性能試驗,通過優化泡沫滅火系統設計,為變電站的固定式泡沫滅火系統配置選型和驗證試驗提供技術依據。

1 試驗平臺構建

鑒于開展油浸式變壓器的滅火試驗,模擬真實火災場景,筆者選擇了一臺退役的220 kV真型變壓器(長×寬×高分別為9.3 m×3.8 m×3.6 m),總重量達130 t,充油量為50 t。與500 kV變壓器相比兩者外形尺寸相近而總體重量較小,因此改變試驗條件也可為模擬500 kV變壓器大型滅火試驗平臺提供試驗驗證。

構建變壓器真型試驗平臺,關鍵是將變壓器進行重新拆卸、異地安裝,施工難度大、構建的試驗場景危險程度高。例如,為模擬真實變壓器的火災場景,在變壓器本體上安裝了帶油高溫套管(外加鋼網加固處理)、在變壓器本體和油枕里加注變壓器油(絕緣油);同時結合各泡沫滅火系統的自身特性、油浸式變壓器的火災特點、現有消防滅火系統設置以及變電站新型滅火技術,構建滿足不同火災場景和滅火方式的試驗測試平臺,未有相關文獻報道。圍繞油浸式變壓器燃燒特性和滅火技術研究,開展變壓器真型測試平臺構建,其主要步驟如下：

(1)安裝主變壓器,在變壓器底部周邊構建與變壓器油箱同樣容積的儲油池,以免絕緣油泄漏;在變壓器周圍砌建三面防火墻,防火墻采用鋼筋混凝土框架結構,預防絕緣油火外濺。

(2)針對油浸式變壓器的火災特點,在變壓器本體及周邊設置不同方位的點火源,采用不同尺度的油盤模擬變壓器的火災場景,包括高位火(油枕、高位套管)、中位火(變壓器本體)、油槽火(流淌火及集油坑火),采用遠程點火系統按序全部點燃變壓器的點火源,模擬變壓器發生最壞場景的火災現象。

(3)在變壓器的上部、側面安裝熱電偶及熱流計等傳感器,測試真型變壓器火災的火焰溫度及熱輻射強度。

(4)在防火墻外側布置固定式泡沫噴霧、壓縮空氣泡沫滅火系統,在變壓器平臺周邊安裝泡沫系統的管網及噴頭,驗證各泡沫滅火系統對油浸式變壓器火災的滅火效果。

構建的真型試驗平臺與已有類似平臺的區別在于：能夠真實還原油浸式變壓器及消防設施現狀,重現變壓器發生各種火災真實場景,提供開展各類消防設施對變壓器火災的測試、評估和驗證。

2 試驗平臺分區

真型試驗平臺主要分為燃燒試驗區、泡沫系統區、數據采集區、油料儲存區和其他區域幾個部分構成。

2.1 燃燒試驗區

燃燒試驗區主要包括變壓器主體、儲油池、防火墻、固定管網、噴頭等,該區域是大型充油設備消防真型試驗平臺系統研發的基礎,可開展變壓器點火燃燒測試、泡沫系統冷噴試驗、滅火驗證、火焰燃燒溫度及熱輻射強度等燃燒特性研究。

試驗平臺燃燒區模擬火災的原則是如何再現變壓器發生火災的場景,當變壓器發生油枕火、套管火、變壓器本體火和流淌火時,其火源功率滿足發生火災時的真實火情數據。同時該平臺能多次重復使用,呈現相同火災現象,在開展各類試驗驗證時保持火災場景的一致性。

變壓器安裝在有儲油池的鵝卵石平鋪的地面上,用三面防火墻與其他儀器設備隔離。儲油池外輪廓尺寸 17.4 m(長)×7.4 m(寬),儲油池內鋪設 0.6 m 厚潔凈鵝卵石。試驗防火墻采用高鋁磚75不燃材料,高度比變壓器儲油柜高出0.5 m,防火墻中心線距主變油坑1.2 m,其尺寸為9 m×6 m×0.65 m。試驗時變壓器儲油柜充裝20 t DB-25變壓器油,油枕充裝0.2 t的DB-25變壓器油。變壓器油的技術參數：閃點(閉口)210 ℃、傾點-36 ℃。燃燒實驗區現場布置如圖1所示,現場點火源技術參數見表1。

表1 變壓器不同方位的點火源Table 1 The ignition source of the transformer in different directions

圖1 燃燒試驗區現場布置圖Fig.1 Site layout of combustion test area

2.2 泡沫系統區

本文構建了固定式泡沫噴霧滅火系統和壓縮空氣泡沫(簡稱CAF)滅火系統,通過冷噴試驗進行系統優化設計,并進一步開展油浸式變壓器的滅火性能試驗驗證。

2.2.1 泡沫噴霧滅火系統

(1)系統組成

主要由泡沫儲液罐、電動控制閥、空壓機、氣體儲罐、泡沫噴霧噴頭和100%AFFF(水成膜泡沫滅火劑)等組成[9],100%AFFF的發泡倍數為6.5,析液時間為3.5 min?，F場布置示意圖如圖2所示。

圖2 泡沫噴霧滅火系統工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of process flow of foam spray extinguishing system

(2)系統技術參數

a)系統保護面積計算

根據真型變壓器尺寸,其水噴霧滅火系統保護面積計算如下：變壓器本體加散熱器保護表面積為16.64×5.8=96.5 m2(按投影面積外延1 m);油槽面積為變壓器左、右側面積之和為8.86 m2;則泡沫噴霧系統的保護面積S=96.5+8.86=105.36 m2。

b)所需噴頭數量

根據《泡沫滅火系統技術標準》GB 50151中6.4.3規定,泡沫噴霧滅火系統的供給強度不應小于8.0 (L/min·m2),持續噴射時間為15 min[10]。噴頭數量根據設計強度、保護面積和噴頭特性計算確定,因此噴頭數量為105.36×8/26≈32個,共安裝32個水霧噴頭。該泡沫噴霧滅火系統設計參數見表2。

表2 泡沫噴霧滅火系統設計參數Table 2 Design parameters of foam spray fire extinguishing system

2.2.2 壓縮空氣泡沫(CAF)滅火系統

(1)系統組成

主要由泡沫儲液罐、泡沫發生裝置、電動控制閥、空壓機、氣體儲罐、泡沫專用噴頭和100%AFFF等組成。為減小泡沫系統誤差,采用的泡沫滅火劑和主管網與泡沫噴霧滅火系統一致,而CAF滅火系統增加了泡沫發生裝置和更換不同型號的泡沫噴頭。CAF滅火系統如圖3所示。

圖3 壓縮空氣泡沫滅火系統工藝流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of process flow of compressed air foam extinguishing system

(2)系統技術參數

a CAF滅火系統保護面積等同于泡沫噴霧滅火系統,即為105.36 m2。

b 所需噴頭數量。

國內試驗表明,在相同滅火時間內,壓縮空氣泡沫滅火系統的泡沫消耗量為吸氣式泡沫的50%～75%,可快速撲滅儲罐火災[11];在泡沫溶液供給強度約為5.0 (L/min·m2)條件下,采用壓縮空氣泡沫專用噴頭可快速撲滅城市隧道油火[12]。

本試驗采用設定供給強度為6.0(L/min·m2),持續噴射時間為10 min,用于對油浸式變壓器的滅火試驗驗證。因通常認為CAF滅火系統比普通滅火系統滅火能力強,因此CAF滅火系統設定的供給強度只是泡沫噴霧滅火系統供給強度的75%。

噴頭數量根據設計強度、保護面積和噴頭特性計算確定,因此噴頭數量為105.36×6/23≈28個,共安裝28個噴頭。該壓縮空氣泡沫滅火系統設計參數見表3。

表3 壓縮空氣泡沫滅火系統設計參數Table 3 Design parameters of compressed air foam fire extinguishing system

2.3 數據采集區

該區域由高速動態數據采集系統(西安征途數據采集器,采集頻率1 Hz～200 KHz/s,響應時間2 μs～1 s,通道數并行64 CH;A/D分辨率24Bit,采樣率100 kHz*64 CH,200 kHz/CH*64 CH)、熱輻射傳感器(荷蘭Hukseflux,型號SBG01,熱流量程輸入范圍：0 kW/m2～±100 kW/m2;精度：1.5%;響應速度為0.2 s)。紅外熱像儀(FLIR SYSTEMS AB公司,型號T60,熱靈敏度≤0.035 ℃@30 ℃、低溫擴展-60 ℃,高溫擴展2 000 ℃、45°廣角鏡頭、長焦鏡頭)、錄像機(Sony/索尼 FDR-AX100E)等設備組成。熱電偶和熱輻射傳感器通過導線將數據傳輸到采集系統中,并與計算機相連,將模擬信號轉化為數字信號,其主要針對多通道連續信號進行動態采集、分析和存儲,可開展變壓器的火焰燃燒溫度、熱輻射強度、火焰形態的研究。

(1)火焰溫度測試模塊

將高溫鎧裝熱電偶穿過防火墻置于儲油池的正上方構建的鋼管支架上;在儲油池正上方2 m、4 m 處,水平方向每隔2 m布設1只熱電偶,上下層共布設8只,測試中位火和油槽火;在套管上部布設熱電偶2只,測試高位火;布設熱電偶數量共計10只,測試變壓器火災在不同方位的火焰燃燒溫度。

(2)熱輻射測試模塊

在變壓器未設防火墻一側,距離變壓器本體每隔2 m平行布設1支熱流計,兩排布設5只,有防火墻一側布設1只熱流計,共布設6只熱流計,測試變壓器流淌火和本體火對周邊的熱輻射強度。

(3)圖像采集及氣象記錄系統

采用紅外熱成像儀進行變壓器外部溫度及圖像采集;采用氣象記錄儀記錄試驗現場的風向、風速、風力等氣象條件;采用2臺POE全彩攝像機進行圖像錄制,記錄火焰形態變化。同時布設1臺智能球型攝像機和2架無人機進行空中360度航拍記錄,用來分析變壓器火災的燃燒和滅火現場的整體情況?，F場具體布置如圖4所示。

圖4 燃燒特性測試區平面布置圖Fig.4 General schematic combustion characteristic test area

3 系統冷噴性能驗證

針對滅火試驗要求高、成本高、危險性高等特點,開展泡沫噴霧及CAF滅火系統的冷噴試驗尤為必要,也是驗證泡沫系統可靠性和穩定性的首要條件。泡沫噴霧滅火系統是油浸式變壓器常用的消防系統,在GB 50151-2021《泡沫滅火系統技術標準》里規定了泡沫噴霧滅火系統噴頭的設置應覆蓋油箱頂面,且每個變壓器進出線絕緣套管升高座孔口應設置單獨的噴頭保護[10]。但標準并未闡明管網及噴頭如何優化布置才能獲得最佳的噴射方式和達到最佳的滅火效果;而CAF滅火系統的噴頭布置無標準規定。因此只有通過系統設計和進行現場多次冷噴試驗,驗證泡沫是否對變壓器本體、套管、油枕及集油坑全方位覆蓋,才能保證發生火災時的泡沫快速滅火。同時本文采用泡沫噴霧與CAF滅火系統共用一套主管網形式,通過出口閥門手動切換方式,進行不同流量和不同型號噴頭開展泡沫噴霧及CAF滅火系統的泡沫冷噴試驗。

3.1 冷噴試驗主要裝置

泡沫噴霧滅火系統和CAF滅火系統各一套。其中泡沫噴霧噴頭為ZSTWB-16-60,采用26只噴頭保護變壓器本體和儲油池,6只噴頭保護變壓器套筒升高座和油枕,共計32只。CAF專用噴頭為ZSTWB-16-90,采用24只專用噴頭保護變壓器本體和儲油池,4只專用噴頭保護變壓器套筒升高座和油枕,共計28只。主管網管徑為DN65,支管網管徑為DN32。噴頭照片及管網設計圖見圖5和圖6。

3.2 冷噴試驗步驟

(1)將適量的泡沫滅火劑(100%AFFF)注入泡沫液儲罐中;(2)啟動空壓機給泡沫液儲罐施加額定壓力至0.8 MPa;(若為CAF滅火系統,需同時將壓縮氣體注入泡沫發生裝置中);(3)開啟系統的出口閥,泡沫流過管網進入噴頭進行變壓器的泡沫覆蓋;(4)檢測及觀察泡沫狀態,記錄測試數據。

3.3 冷噴性能測試

觀察不利條件如環境風速、障礙物遮擋等對泡沫系統的影響,開展泡沫系統的壓力、流量和保護半徑的測試,進行管網優化布置、噴頭優化調整,既滿足泡沫系統參數設計要求,又為開展滅火試驗夯實基礎,確保滅火試驗的準確有效。

在試驗現場開展了兩種不同泡沫系統的調試及冷噴性能試驗,取得了良好的測試效果,能夠滿足確定和驗證各泡沫系統對油浸式變壓器的滅火試驗研究,達到了預期試驗目標,試驗結果如表4。

表4 泡沫滅火系統冷噴試驗數據Table 4 Cold spraying test data of foam fire extinguishing system

從表4和圖7、圖8可看出,在泡沫系統進行冷噴時,觀察泡沫滅火系統的主管網、支管網和噴頭設計位置是否合理,通過調整泡沫噴頭位置及噴頭的保護半徑能否達到設計要求等試驗研究,最終確定了管網、噴頭及支架的最佳設計位置和安裝角度,從而達到最佳的滅火試驗條件。

圖7 泡沫噴霧滅火系統冷噴測試Fig.7 Cold spray test of foam spray fire extinguishing system

圖8 CAF滅火系統冷噴測試Fig.8 Cold spray test of CAF fire extinguishing system

4 系統滅火性能驗證

在構建的試驗平臺上,開展模擬油浸式變壓器同時發生套管根部爆裂、油箱局部爆裂和油箱整體爆裂的立體火災試驗。筆者根據以上火災現象設計了高位火(套管火)、中位火(油箱火)、油槽火(儲油池火)火災模型,對變壓器火災各個試驗階段進行全方位模擬,力求還原運行變壓器真實火災場景。同時開展了變壓器燃燒火焰溫度和熱輻射強度測試;采用泡沫噴霧和壓縮空氣泡沫滅火系統分別進行了滅火性能試驗驗證。

4.1 試驗條件

火源布置：在真型油浸式變壓器試驗平臺,設計立體點火點8處,分別為變壓器套管處的高位火,變壓器東西兩側的中位火,儲油池和變壓器前方的油槽火。采用遠程點火系統點燃以上點火源,變壓器燃燒時間為6 min。

4.2 試驗結果分析

4.2.1 火焰溫度和熱輻射強度數據分析

基于變壓器燃燒時間在350 s時,熱電偶測得的數據達到最高值而不再遞增,在中位火上方測得的火焰溫度最高,達到800 ℃;距離變壓器最近的熱流計測得的熱輻射強度為最大,達到34.6(kW·m-2)。具體的燃燒過程如圖9所示,熱電偶的溫度變化過程如圖10所示,熱流計的熱輻射強度變化如圖11所示。

圖9 變壓器點火點的點燃及燃燒過程Fig.9 Ignition and combustion process of transformer ignition point

圖10 油浸式變壓器火焰溫度豎向分布圖Fig.10 Flame distribution diagram of oil-immersed transformer

圖11 油浸式變壓器熱輻射強度分布圖Fig.11 Thermal radiation intensity distribution diagram of oil-immersed transformer

從圖9可看出,火災發展是從起火到初期蔓延,然后到充分發展階段。為充分驗證滅火系統的有效性,待變壓器火災處于充分發展的穩定燃燒階段時,再啟動泡沫滅火系統。

從圖11可看出,在火焰溫度達到最高值時,距離變壓器2 m處的D1和D6熱流計測得的熱輻射強度最高,分別為27(kW·m-2)和34.6(kW·m-2),在1 min內可致人員死亡、設備鋼結構變形;在距離變壓器4 m處,熱輻射強度明顯下降為(8～14)(kW·m-2)之間,在1 min內可致1%人員死亡,10 s內人員一度燒傷;在距離變壓器6 m處,熱輻射強度下降為7 (kW·m-2),人員可能燒傷,但無死亡。因此熱輻射強度隨火焰溫度及距離而發生變化,溫度越高、距離越近,熱輻射強度越大,反之亦然。

4.2.2 滅火試驗結果分析

通過油浸式變壓器滅火真型試驗平臺,開展了兩種不同泡沫滅火系統的滅火性能試驗,測試結果見表5。滅火試驗過程如圖12、圖13所示。

表5 泡沫滅火系統滅火試驗數據Table 5 Fire extinguishing test data of foam fire extinguishing system

圖12 泡沫噴霧滅火系統滅火過程圖Fig.12 Fire extinguishing process diagram of foam spray fire extinguishing system

圖13 CAF滅火系統滅火過程圖Fig.13 Fire extinguishing process diagram of CAF fire extinguishing system

從表5可看出,泡沫噴霧滅火系統在第一次滅火試驗時,由于高位有一處泡沫噴頭被強烈的煙羽流吹散,又因泡沫噴霧系統噴出的泡沫不均勻,導致在變壓器滅火過程中滅火時間較長。而壓縮空氣泡沫滅火系統噴出的泡沫均勻穩定,形成超強的泡沫覆蓋能力,在相對流量較小的情況下快速撲滅變壓器火災。

從圖12可看出,泡沫噴霧滅火系統啟動噴射后,固定管網首先充滿泡沫,在5 s時噴出的泡沫與熱氣流攪動使火焰火勢瞬時膨脹;在20 s時,不斷噴射的泡沫吸熱變成水蒸氣,抑制火勢不再增大;在40 s僅剩下高位的殘火點;在150 s時高位油盤殘火被撲滅。第二次泡沫噴霧系統滅火成功,滅火時間為65 s。

從圖13可看出,CAF滅火系統開始噴射后,在5 s時泡沫與熱氣流攪動使火勢加大,不斷噴出的壓縮空氣泡沫在10 s時形成細膩泡沫,大量吸熱使火勢明顯變小;在20 s時高位及中位立體火被撲滅,只剩儲油池的殘火,最后CAF滅火系統分別以35 s和37 s快速撲滅變壓器的全部火災,無殘余火焰,且無復燃現象。

試驗表明：該真型變壓器試驗平臺能夠滿足對油浸式變壓器的滅火試驗研究,泡沫滅火試驗取得了良好的測試效果。同時試驗證明了壓縮空氣泡沫滅火系統能有效撲滅大型油浸式變壓器火災,控火滅火速度快,且無任何明火、余火和殘火。

5 結論

(1)針對大型油浸式變壓器的燃燒與滅火系統性能試驗,構建了真型滅火試驗平臺。該平臺配置了全尺度的真型變壓器,具備模擬變壓器典型火災能力,能夠開展真型變壓器火災燃燒特性研究、泡沫滅火系統的滅火性能測試及驗證。該平臺布局合理,體現了消防系統的兼容性及真火的科學性,提升了平臺建設的經濟性和模式多樣性,為研究大型油浸式變壓器火災提供技術支持。

(2)在泡沫系統管網及噴頭優化布置下,系統噴出的泡沫均勻、細膩、穩定,具有覆蓋和滅火雙重功能,能快速降低火災區域的溫度,具備有效壓制油浸式變壓器火災的能力。

(3)兩種泡沫滅火系統均能高效、快速地撲滅高溫套管火、油池流淌火等變壓器火災。通過性能驗證：壓縮空氣泡沫能保持90 min的泡沫穩定性,對變壓器滅火時間最低為35 s,充分說明壓縮空氣泡沫滅火系統的滅火速度更快、泡沫穩定性更強,滅火效能更高。