油浸式变压器消防灭火真型试验平台构建及试验验证

谢连科,刘国强,张 燕,谈龙妹,潘为亮

(1.国网山东省电力公司电力科学研究院,济南,250001;2.青岛诺诚化学品安全科技有限公司,青岛,266071)

油浸式变压器火灾已成为威胁电力安全的重大风险,在统计的变电站火灾事故中,对于带来人身伤亡的变电站火灾,占比最多的仍然是220 kV变压器及以上等级的火灾事故,因此220 kV及以上的高压、特高压变电站是我国目前重点研究防护的对象。而变压器内部上百吨烃类矿物油存在起火、爆炸等风险,并可演变成大型火灾事故,扑救难度极大。变压器是电网核心设备,一旦发生火灾,致使供电中断,对人员和财产造成重大损失。如2017年11月1日,印度拉贾斯坦邦一处油浸式变压器发生火灾,火灾时变压器的高温油喷出,事故造成至少13人死亡,多人严重烧伤;2000年12月11日,500 kV日照变电站A相变压器发生火灾,火灾发生在油浸式变压器漏油操作过程中,电焊火花引燃了可燃材料,并引燃了变压器油,燃烧迅速扩大,火势猛烈。

变压器起火主要原因是：(1)由于变压器压紧结构不良,线圈稳定性不够,抗电动力能力差,在外部近区短路时损坏,引发变压器火灾爆炸事故;(2)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;(3)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;(4)套管存在制造缺陷,在运行中绝缘缺陷不断发展,最后导致突发性短路爆炸事故[1];(5)变压器分接开关缺陷,在运行中产生放电电弧导致变压器故障引起爆炸事故等。

目前,变压器的消防灭火系统因变电站配置而各不相同,由于未有适宜可靠的验证平台,导致灭火装置或灭火系统的效能、经济评价指标参差不齐,若配置不当还会造成灭火失控和大量资源浪费。国内现有测试平台现状为采用简化版的变压器模型,其形状、尺度、工况与实际变压器差别较大。如某研究机构的水喷雾系统试验平台采用2.5 m×1.6 m×1.5 m钢板模型模拟变压器套管火火灾现象,但由于尺寸和形状与真实变压器差别较大,无法完全反映真实变压器火灾情况[2];李殿臣等[3]利用110 kV废旧变压器搭建试验平台,对比分析水喷雾、细水雾和泡沫喷雾三种灭火系统的特点并提出各自的应用场所;陈光等[4]建立火灾试验模型,开展池火燃烧及泡沫-细水雾灭火试验研究,结果表明泡沫-细水雾联用灭火系统可快速扑灭明火;赖余斌和洪巧章[5]搭建模拟换流变压器平台,开展水喷雾和消防炮的对比灭火试验,并提出适用于换流变压器的消防设计方案;陈宝辉等[6]则通过分析目前特高压变电站的固定式灭火系统,提出水喷雾、泡沫喷雾、压缩空气泡沫灭火系统的消防能力提升方案。

综上所述,目前测试平台大多集中于研究变压器油的燃烧特性[7,8]或者建立简单的变压器模型模拟单一火灾及水喷雾和细水雾等灭火技术。由于大型充油设备体积庞大、充油量高、结构复杂,由此构建真型试验平台较为困难;而小型模拟试验无法还原大型变压器真实火灾场景。因此,本文将研究构建油浸式变压器消防灭火真型试验平台,开展不同泡沫灭火系统在真实变压器平台的冷喷及灭火性能试验,通过优化泡沫灭火系统设计,为变电站的固定式泡沫灭火系统配置选型和验证试验提供技术依据。

鉴于开展油浸式变压器的灭火试验,模拟真实火灾场景,笔者选择了一台退役的220 kV真型变压器(长×宽×高分别为9.3 m×3.8 m×3.6 m),总重量达130 t,充油量为50 t。与500 kV变压器相比两者外形尺寸相近而总体重量较小,因此改变试验条件也可为模拟500 kV变压器大型灭火试验平台提供试验验证。

构建变压器真型试验平台,关键是将变压器进行重新拆卸、异地安装,施工难度大、构建的试验场景危险程度高。例如,为模拟真实变压器的火灾场景,在变压器本体上安装了带油高温套管(外加钢网加固处理)、在变压器本体和油枕里加注变压器油(绝缘油);同时结合各泡沫灭火系统的自身特性、油浸式变压器的火灾特点、现有消防灭火系统设置以及变电站新型灭火技术,构建满足不同火灾场景和灭火方式的试验测试平台,未有相关文献报道。围绕油浸式变压器燃烧特性和灭火技术研究,开展变压器真型测试平台构建,其主要步骤如下：

(1)安装主变压器,在变压器底部周边构建与变压器油箱同样容积的储油池,以免绝缘油泄漏;在变压器周围砌建三面防火墙,防火墙采用钢筋混凝土框架结构,预防绝缘油火外溅。

(2)针对油浸式变压器的火灾特点,在变压器本体及周边设置不同方位的点火源,采用不同尺度的油盘模拟变压器的火灾场景,包括高位火(油枕、高位套管)、中位火(变压器本体)、油槽火(流淌火及集油坑火),采用远程点火系统按序全部点燃变压器的点火源,模拟变压器发生最坏场景的火灾现象。

(3)在变压器的上部、侧面安装热电偶及热流计等传感器,测试真型变压器火灾的火焰温度及热辐射强度。

(4)在防火墙外侧布置固定式泡沫喷雾、压缩空气泡沫灭火系统,在变压器平台周边安装泡沫系统的管网及喷头,验证各泡沫灭火系统对油浸式变压器火灾的灭火效果。

构建的真型试验平台与已有类似平台的区别在于：能够真实还原油浸式变压器及消防设施现状,重现变压器发生各种火灾真实场景,提供开展各类消防设施对变压器火灾的测试、评估和验证。

真型试验平台主要分为燃烧试验区、泡沫系统区、数据采集区、油料储存区和其他区域几个部分构成。

2.1 燃烧试验区

燃烧试验区主要包括变压器主体、储油池、防火墙、固定管网、喷头等,该区域是大型充油设备消防真型试验平台系统研发的基础,可开展变压器点火燃烧测试、泡沫系统冷喷试验、灭火验证、火焰燃烧温度及热辐射强度等燃烧特性研究。

试验平台燃烧区模拟火灾的原则是如何再现变压器发生火灾的场景,当变压器发生油枕火、套管火、变压器本体火和流淌火时,其火源功率满足发生火灾时的真实火情数据。同时该平台能多次重复使用,呈现相同火灾现象,在开展各类试验验证时保持火灾场景的一致性。

变压器安装在有储油池的鹅卵石平铺的地面上,用三面防火墙与其他仪器设备隔离。储油池外轮廓尺寸 17.4 m(长)×7.4 m(宽),储油池内铺设 0.6 m 厚洁净鹅卵石。试验防火墙采用高铝砖75不燃材料,高度比变压器储油柜高出0.5 m,防火墙中心线距主变油坑1.2 m,其尺寸为9 m×6 m×0.65 m。试验时变压器储油柜充装20 t DB-25变压器油,油枕充装0.2 t的DB-25变压器油。变压器油的技术参数：闪点(闭口)210 ℃、倾点-36 ℃。燃烧实验区现场布置如图1所示,现场点火源技术参数见表1。

表1 变压器不同方位的点火源Table 1 The ignition source of the transformer in different directions

图1 燃烧试验区现场布置图Fig.1 Site layout of combustion test area

2.2 泡沫系统区

本文构建了固定式泡沫喷雾灭火系统和压缩空气泡沫(简称CAF)灭火系统,通过冷喷试验进行系统优化设计,并进一步开展油浸式变压器的灭火性能试验验证。

2.2.1 泡沫喷雾灭火系统

(1)系统组成

主要由泡沫储液罐、电动控制阀、空压机、气体储罐、泡沫喷雾喷头和100%AFFF(水成膜泡沫灭火剂)等组成[9],100%AFFF的发泡倍数为6.5,析液时间为3.5 min。现场布置示意图如图2所示。

图2 泡沫喷雾灭火系统工艺流程示意图Fig.2 Schematic diagram of process flow of foam spray extinguishing system

(2)系统技术参数

a)系统保护面积计算

根据真型变压器尺寸,其水喷雾灭火系统保护面积计算如下：变压器本体加散热器保护表面积为16.64×5.8=96.5 m2(按投影面积外延1 m);油槽面积为变压器左、右侧面积之和为8.86 m2;则泡沫喷雾系统的保护面积S=96.5+8.86=105.36 m2。

b)所需喷头数量

根据《泡沫灭火系统技术标准》GB 50151中6.4.3规定,泡沫喷雾灭火系统的供给强度不应小于8.0 (L/min·m2),持续喷射时间为15 min[10]。喷头数量根据设计强度、保护面积和喷头特性计算确定,因此喷头数量为105.36×8/26≈32个,共安装32个水雾喷头。该泡沫喷雾灭火系统设计参数见表2。

表2 泡沫喷雾灭火系统设计参数Table 2 Design parameters of foam spray fire extinguishing system

2.2.2 压缩空气泡沫(CAF)灭火系统

(1)系统组成

主要由泡沫储液罐、泡沫发生装置、电动控制阀、空压机、气体储罐、泡沫专用喷头和100%AFFF等组成。为减小泡沫系统误差,采用的泡沫灭火剂和主管网与泡沫喷雾灭火系统一致,而CAF灭火系统增加了泡沫发生装置和更换不同型号的泡沫喷头。CAF灭火系统如图3所示。

图3 压缩空气泡沫灭火系统工艺流程示意图Fig.3 Schematic diagram of process flow of compressed air foam extinguishing system

(2)系统技术参数

a CAF灭火系统保护面积等同于泡沫喷雾灭火系统,即为105.36 m2。

b 所需喷头数量。

国内试验表明,在相同灭火时间内,压缩空气泡沫灭火系统的泡沫消耗量为吸气式泡沫的50%～75%,可快速扑灭储罐火灾[11];在泡沫溶液供给强度约为5.0 (L/min·m2)条件下,采用压缩空气泡沫专用喷头可快速扑灭城市隧道油火[12]。

本试验采用设定供给强度为6.0(L/min·m2),持续喷射时间为10 min,用于对油浸式变压器的灭火试验验证。因通常认为CAF灭火系统比普通灭火系统灭火能力强,因此CAF灭火系统设定的供给强度只是泡沫喷雾灭火系统供给强度的75%。

喷头数量根据设计强度、保护面积和喷头特性计算确定,因此喷头数量为105.36×6/23≈28个,共安装28个喷头。该压缩空气泡沫灭火系统设计参数见表3。

表3 压缩空气泡沫灭火系统设计参数Table 3 Design parameters of compressed air foam fire extinguishing system

2.3 数据采集区

该区域由高速动态数据采集系统(西安征途数据采集器,采集频率1 Hz～200 KHz/s,响应时间2 μs～1 s,通道数并行64 CH;A/D分辨率24Bit,采样率100 kHz*64 CH,200 kHz/CH*64 CH)、热辐射传感器(荷兰Hukseflux,型号SBG01,热流量程输入范围：0 kW/m2～±100 kW/m2;精度：1.5%;响应速度为0.2 s)。红外热像仪(FLIR SYSTEMS AB公司,型号T60,热灵敏度≤0.035 ℃@30 ℃、低温扩展-60 ℃,高温扩展2 000 ℃、45°广角镜头、长焦镜头)、录像机(Sony/索尼 FDR-AX100E)等设备组成。热电偶和热辐射传感器通过导线将数据传输到采集系统中,并与计算机相连,将模拟信号转化为数字信号,其主要针对多通道连续信号进行动态采集、分析和存储,可开展变压器的火焰燃烧温度、热辐射强度、火焰形态的研究。

(1)火焰温度测试模块

将高温铠装热电偶穿过防火墙置于储油池的正上方构建的钢管支架上;在储油池正上方2 m、4 m 处,水平方向每隔2 m布设1只热电偶,上下层共布设8只,测试中位火和油槽火;在套管上部布设热电偶2只,测试高位火;布设热电偶数量共计10只,测试变压器火灾在不同方位的火焰燃烧温度。

(2)热辐射测试模块

在变压器未设防火墙一侧,距离变压器本体每隔2 m平行布设1支热流计,两排布设5只,有防火墙一侧布设1只热流计,共布设6只热流计,测试变压器流淌火和本体火对周边的热辐射强度。

(3)图像采集及气象记录系统

采用红外热成像仪进行变压器外部温度及图像采集;采用气象记录仪记录试验现场的风向、风速、风力等气象条件;采用2台POE全彩摄像机进行图像录制,记录火焰形态变化。同时布设1台智能球型摄像机和2架无人机进行空中360度航拍记录,用来分析变压器火灾的燃烧和灭火现场的整体情况。现场具体布置如图4所示。

图4 燃烧特性测试区平面布置图Fig.4 General schematic combustion characteristic test area

针对灭火试验要求高、成本高、危险性高等特点,开展泡沫喷雾及CAF灭火系统的冷喷试验尤为必要,也是验证泡沫系统可靠性和稳定性的首要条件。泡沫喷雾灭火系统是油浸式变压器常用的消防系统,在GB 50151-2021《泡沫灭火系统技术标准》里规定了泡沫喷雾灭火系统喷头的设置应覆盖油箱顶面,且每个变压器进出线绝缘套管升高座孔口应设置单独的喷头保护[10]。但标准并未阐明管网及喷头如何优化布置才能获得最佳的喷射方式和达到最佳的灭火效果;而CAF灭火系统的喷头布置无标准规定。因此只有通过系统设计和进行现场多次冷喷试验,验证泡沫是否对变压器本体、套管、油枕及集油坑全方位覆盖,才能保证发生火灾时的泡沫快速灭火。同时本文采用泡沫喷雾与CAF灭火系统共用一套主管网形式,通过出口阀门手动切换方式,进行不同流量和不同型号喷头开展泡沫喷雾及CAF灭火系统的泡沫冷喷试验。

3.1 冷喷试验主要装置

泡沫喷雾灭火系统和CAF灭火系统各一套。其中泡沫喷雾喷头为ZSTWB-16-60,采用26只喷头保护变压器本体和储油池,6只喷头保护变压器套筒升高座和油枕,共计32只。CAF专用喷头为ZSTWB-16-90,采用24只专用喷头保护变压器本体和储油池,4只专用喷头保护变压器套筒升高座和油枕,共计28只。主管网管径为DN65,支管网管径为DN32。喷头照片及管网设计图见图5和图6。

3.2 冷喷试验步骤

(1)将适量的泡沫灭火剂(100%AFFF)注入泡沫液储罐中;(2)启动空压机给泡沫液储罐施加额定压力至0.8 MPa;(若为CAF灭火系统,需同时将压缩气体注入泡沫发生装置中);(3)开启系统的出口阀,泡沫流过管网进入喷头进行变压器的泡沫覆盖;(4)检测及观察泡沫状态,记录测试数据。

3.3 冷喷性能测试

观察不利条件如环境风速、障碍物遮挡等对泡沫系统的影响,开展泡沫系统的压力、流量和保护半径的测试,进行管网优化布置、喷头优化调整,既满足泡沫系统参数设计要求,又为开展灭火试验夯实基础,确保灭火试验的准确有效。

在试验现场开展了两种不同泡沫系统的调试及冷喷性能试验,取得了良好的测试效果,能够满足确定和验证各泡沫系统对油浸式变压器的灭火试验研究,达到了预期试验目标,试验结果如表4。

表4 泡沫灭火系统冷喷试验数据Table 4 Cold spraying test data of foam fire extinguishing system

从表4和图7、图8可看出,在泡沫系统进行冷喷时,观察泡沫灭火系统的主管网、支管网和喷头设计位置是否合理,通过调整泡沫喷头位置及喷头的保护半径能否达到设计要求等试验研究,最终确定了管网、喷头及支架的最佳设计位置和安装角度,从而达到最佳的灭火试验条件。

图7 泡沫喷雾灭火系统冷喷测试Fig.7 Cold spray test of foam spray fire extinguishing system

图8 CAF灭火系统冷喷测试Fig.8 Cold spray test of CAF fire extinguishing system

在构建的试验平台上,开展模拟油浸式变压器同时发生套管根部爆裂、油箱局部爆裂和油箱整体爆裂的立体火灾试验。笔者根据以上火灾现象设计了高位火(套管火)、中位火(油箱火)、油槽火(储油池火)火灾模型,对变压器火灾各个试验阶段进行全方位模拟,力求还原运行变压器真实火灾场景。同时开展了变压器燃烧火焰温度和热辐射强度测试;采用泡沫喷雾和压缩空气泡沫灭火系统分别进行了灭火性能试验验证。

4.1 试验条件

火源布置：在真型油浸式变压器试验平台,设计立体点火点8处,分别为变压器套管处的高位火,变压器东西两侧的中位火,储油池和变压器前方的油槽火。采用远程点火系统点燃以上点火源,变压器燃烧时间为6 min。

4.2 试验结果分析

4.2.1 火焰温度和热辐射强度数据分析

基于变压器燃烧时间在350 s时,热电偶测得的数据达到最高值而不再递增,在中位火上方测得的火焰温度最高,达到800 ℃;距离变压器最近的热流计测得的热辐射强度为最大,达到34.6(kW·m-2)。具体的燃烧过程如图9所示,热电偶的温度变化过程如图10所示,热流计的热辐射强度变化如图11所示。

图9 变压器点火点的点燃及燃烧过程Fig.9 Ignition and combustion process of transformer ignition point

图10 油浸式变压器火焰温度竖向分布图Fig.10 Flame distribution diagram of oil-immersed transformer

图11 油浸式变压器热辐射强度分布图Fig.11 Thermal radiation intensity distribution diagram of oil-immersed transformer

从图9可看出,火灾发展是从起火到初期蔓延,然后到充分发展阶段。为充分验证灭火系统的有效性,待变压器火灾处于充分发展的稳定燃烧阶段时,再启动泡沫灭火系统。

从图11可看出,在火焰温度达到最高值时,距离变压器2 m处的D1和D6热流计测得的热辐射强度最高,分别为27(kW·m-2)和34.6(kW·m-2),在1 min内可致人员死亡、设备钢结构变形;在距离变压器4 m处,热辐射强度明显下降为(8～14)(kW·m-2)之间,在1 min内可致1%人员死亡,10 s内人员一度烧伤;在距离变压器6 m处,热辐射强度下降为7 (kW·m-2),人员可能烧伤,但无死亡。因此热辐射强度随火焰温度及距离而发生变化,温度越高、距离越近,热辐射强度越大,反之亦然。

4.2.2 灭火试验结果分析

通过油浸式变压器灭火真型试验平台,开展了两种不同泡沫灭火系统的灭火性能试验,测试结果见表5。灭火试验过程如图12、图13所示。

表5 泡沫灭火系统灭火试验数据Table 5 Fire extinguishing test data of foam fire extinguishing system

图12 泡沫喷雾灭火系统灭火过程图Fig.12 Fire extinguishing process diagram of foam spray fire extinguishing system

图13 CAF灭火系统灭火过程图Fig.13 Fire extinguishing process diagram of CAF fire extinguishing system

从表5可看出,泡沫喷雾灭火系统在第一次灭火试验时,由于高位有一处泡沫喷头被强烈的烟羽流吹散,又因泡沫喷雾系统喷出的泡沫不均匀,导致在变压器灭火过程中灭火时间较长。而压缩空气泡沫灭火系统喷出的泡沫均匀稳定,形成超强的泡沫覆盖能力,在相对流量较小的情况下快速扑灭变压器火灾。

从图12可看出,泡沫喷雾灭火系统启动喷射后,固定管网首先充满泡沫,在5 s时喷出的泡沫与热气流搅动使火焰火势瞬时膨胀;在20 s时,不断喷射的泡沫吸热变成水蒸气,抑制火势不再增大;在40 s仅剩下高位的残火点;在150 s时高位油盘残火被扑灭。第二次泡沫喷雾系统灭火成功,灭火时间为65 s。

从图13可看出,CAF灭火系统开始喷射后,在5 s时泡沫与热气流搅动使火势加大,不断喷出的压缩空气泡沫在10 s时形成细腻泡沫,大量吸热使火势明显变小;在20 s时高位及中位立体火被扑灭,只剩储油池的残火,最后CAF灭火系统分别以35 s和37 s快速扑灭变压器的全部火灾,无残余火焰,且无复燃现象。

试验表明：该真型变压器试验平台能够满足对油浸式变压器的灭火试验研究,泡沫灭火试验取得了良好的测试效果。同时试验证明了压缩空气泡沫灭火系统能有效扑灭大型油浸式变压器火灾,控火灭火速度快,且无任何明火、余火和残火。

(1)针对大型油浸式变压器的燃烧与灭火系统性能试验,构建了真型灭火试验平台。该平台配置了全尺度的真型变压器,具备模拟变压器典型火灾能力,能够开展真型变压器火灾燃烧特性研究、泡沫灭火系统的灭火性能测试及验证。该平台布局合理,体现了消防系统的兼容性及真火的科学性,提升了平台建设的经济性和模式多样性,为研究大型油浸式变压器火灾提供技术支持。

(2)在泡沫系统管网及喷头优化布置下,系统喷出的泡沫均匀、细腻、稳定,具有覆盖和灭火双重功能,能快速降低火灾区域的温度,具备有效压制油浸式变压器火灾的能力。

(3)两种泡沫灭火系统均能高效、快速地扑灭高温套管火、油池流淌火等变压器火灾。通过性能验证：压缩空气泡沫能保持90 min的泡沫稳定性,对变压器灭火时间最低为35 s,充分说明压缩空气泡沫灭火系统的灭火速度更快、泡沫稳定性更强,灭火效能更高。

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