基于火焰蔓延儀的典型換流變壓器絕緣油燃燒特性試驗(yàn)研究

汪亞龍，黎昌海，張佳慶，尚峰舉，陸守香，范明豪，王劉芳

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

換流變壓器是特高壓輸電工程的核心設(shè)備之一，我國(guó)典型換流變壓器的儲(chǔ)油量在130～200 t之間。絕緣油在變壓器中扮演著重要角色，其作用包括冷卻、絕緣和消弧等，其儲(chǔ)油量較大，絕緣油為高閃點(diǎn)(通常大于130℃)液體，一般條件下難以被點(diǎn)燃。但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了數(shù)起嚴(yán)重的變壓器火災(zāi)事故[1-8]，這些事故具有火災(zāi)發(fā)展迅猛、規(guī)模大和撲救難度大等特點(diǎn)，這說(shuō)明在一定高能條件下，絕緣油仍然能快速燃燒并放出大量熱量。

液體燃料一般不會(huì)直接與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，而是需要先受熱蒸發(fā)產(chǎn)生可燃蒸氣，可燃蒸氣再與氧氣混合在高溫條件下發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒速率與蒸發(fā)速率密切相關(guān)，而蒸發(fā)速率與液體溫度有關(guān)，液體溫度越高，蒸發(fā)速率越快，燃燒速率也越大[9]。

KI50X型絕緣油是我國(guó)換流變壓器最通用的絕緣油，其閉杯閃點(diǎn)為140℃，密度為881 kg/m3，性狀為無(wú)味黏稠液體[10]，加氫處理輕質(zhì)環(huán)烷基餾分含量大于99.6%其余成分為2,6-二叔丁基對(duì)甲酚[10]。國(guó)內(nèi)外研究人員高度關(guān)注絕緣油的火災(zāi)特性，如范明豪等[11]利用ISO 9705全尺寸熱釋放速率試驗(yàn)臺(tái)，研究了油盤尺寸(邊長(zhǎng)為250 mm、300 mm、400 mm正方形)對(duì)克拉瑪依DB-25號(hào)變壓器絕緣油的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、中心線處及煙氣層溫度等燃燒特性參數(shù)的影響；Jonsson[12]利用錐形量熱儀，開(kāi)展了針對(duì)500 kV油浸套管的絕緣系統(tǒng)和500 kV樹(shù)脂套管的絕緣系統(tǒng)中提取的絕緣油、油浸紙、樹(shù)脂浸漬紙等典型絕緣介質(zhì)的火災(zāi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明絕緣油的點(diǎn)火時(shí)間小于10 s，峰值熱釋放速率達(dá)2 700 kW/m2，火災(zāi)危險(xiǎn)性僅次于油浸紙，且游離狀態(tài)的絕緣油占油浸絕緣套管系統(tǒng)總釋放能量的60%以上；張博思等[13]采用錐形量熱儀開(kāi)展了外加輻射熱通量分別為20 kW/m2和50 kW/m2條件下，不同初始油溫對(duì)變壓器絕緣油燃燒特性影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明變壓器初始油溫的升高導(dǎo)致絕緣油點(diǎn)燃時(shí)間的縮短以及峰值熱釋放速率和CO生成速率的增大[13]。

由于特高壓換流變壓器絕緣油與常規(guī)變壓器絕緣油的成分不同，并且前人的研究中很少涉及不同油層厚度和輻照強(qiáng)度對(duì)典型換流變壓器KI50X型絕緣油燃燒特性的影響，因此對(duì)于特高壓直流變壓器絕緣油的研究仍存在不足。特高壓換流站中的換流變壓器往往成排地密集布置，兩兩之間使用防火墻隔開(kāi)。在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中，換流變壓器著火后可能發(fā)生爆炸，變壓器本體或油枕可能產(chǎn)生破口，變壓器絕緣油在自然油壓的作用下向外猛烈噴出，在破口附近的地面上形成油池，并可能被點(diǎn)燃，形成油池火。換流變壓器的儲(chǔ)油量大，處在工作狀態(tài)的變壓器油溫較高，根據(jù)《變壓器運(yùn)行規(guī)程》(DL/T 572—95)的規(guī)定，油溫一般在70℃～95℃之間，事故條件下的油溫可能更高。因此，換流變壓器絕緣油火災(zāi)具有燃燒劇烈、撲救難度大、滅火時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，著火的換流變壓器會(huì)對(duì)周圍環(huán)境發(fā)出強(qiáng)烈的熱輻射，可能引燃鄰近換流變壓器或者流淌到地面上的變壓器絕緣油，造成火災(zāi)的蔓延及損失的擴(kuò)大。此外，油層初始厚度的增大，能夠延長(zhǎng)油池穩(wěn)定燃燒時(shí)間，且能夠使得沸騰燃燒速率明顯增加，從而影響油料的燃燒特性[14]。因此，有必要研究油層厚度和外加輻照強(qiáng)度對(duì)換流變壓器絕緣油燃燒特性的影響，為采取有效的防滅火策略提供依據(jù)。

為此，本文利用火焰蔓延儀開(kāi)展了不同油層厚度和外加輻照強(qiáng)度對(duì)典型換流變壓器KI50X型絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率、CO及煙氣生成速率等燃燒特性影響的試驗(yàn)研究，并計(jì)算了該絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，為換流變壓器制定有效的防滅火策略提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與工況設(shè)計(jì)

1.1 火焰蔓延儀

火焰蔓延儀(Fire Propagation Apparatus,FPA)是一種可以模擬一定熱源條件下材料被點(diǎn)燃和燃燒蔓延的儀器，其量熱系統(tǒng)基于氧耗原理，符合ASTM E2058和ISO 12136標(biāo)準(zhǔn)，能夠反映火災(zāi)實(shí)際情況，受到國(guó)際廣泛的認(rèn)可[15]。值得注意的是，與錐形量熱儀等同類儀器相比，其輻射熱源水平分布在樣品四周，克服了煙氣二次輻射、熱源二次輻射等因素造成的輻射熱偏差的缺點(diǎn)，因此FPA的輻射熱源優(yōu)于錐形量熱儀等裝置[15]。

本試驗(yàn)使用鎢-石英紅外線加熱器對(duì)樣品施加輻射熱，利用位于油盤上方的標(biāo)準(zhǔn)乙烯-空氣預(yù)混引燃火焰，樣品燃燒完畢后，關(guān)閉紅外加熱器，燃燒過(guò)程中的煙氣被集氣罩收集，通過(guò)煙氣分析儀、光密度傳感器等裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本次采用火焰蔓延儀(FPA)開(kāi)展了不同外加油層厚度和輻照強(qiáng)度對(duì)典型換流變壓器KI50X型絕緣油(以下簡(jiǎn)稱絕緣油)的燃燒特性影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)場(chǎng)地裝有空調(diào)系統(tǒng)，保持室溫為25℃，空氣濕度為75%。使用注射器將直流變壓器KI50X型絕緣油注入直徑為100 mm、側(cè)壁高為2.5 mm的沖壓成型鋁制油盤中。本次試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如下：工況P1～P10，外加輻照強(qiáng)度為50 kW/m2，油量(油層初始厚度)分別為5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、40 mL、45 mL、50 mL；工況P6、B1～B10，油量為30 mL，外加輻照強(qiáng)度分別為50 kW/m2、45 kW/m2、40 kW/m2、35 kW/m2、30 kW/m2、25 kW/m2、20 kW/m2、15 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同油層厚度和外加輻射強(qiáng)度對(duì)換流變壓器KI50X型絕緣油點(diǎn)燃時(shí)間的影響

點(diǎn)燃時(shí)間(Time to Ignition,TTI)反映了試樣的火災(zāi)危險(xiǎn)性[16-19]，點(diǎn)燃時(shí)間越長(zhǎng)，試樣火災(zāi)危險(xiǎn)性越低，耐熱性能越好[20]。換流變壓器KI50X型絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間隨油量(油層初始厚度)的變化曲線見(jiàn)圖1。

圖1 不同油量(初始油層厚度)對(duì)KI50X型絕緣油 點(diǎn)燃時(shí)間的影響Fig.1 Effect of different oil volumes (initial oil layer thickness) on the ignition time of the insulation oil KI50X

由圖1可見(jiàn)，在5～25 mL油量(0.637～3.185 mm初始油層厚度)的條件下，換流變壓器絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間隨油量的增加而緩慢增加，在30 mL油量時(shí)絕緣油點(diǎn)燃時(shí)間大幅增加，隨后出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在30～50 mL油量時(shí)其呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨后保持在40 s左右。

絕熱狀態(tài)下，燃料溫升所需的時(shí)間(t0)與油量(VOil)的關(guān)系式如下：

(1)

考慮到燃料的蒸發(fā)，液面上方的蒸氣壓隨著液體溫度的升高而增加[21]，根據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程，液體蒸氣壓(POil)與液體溫度(TOil)之間的關(guān)系符合下式：

(2)

式中：Lvap為燃料的蒸發(fā)潛熱(J/kg)；R為理想氣體常數(shù)；C為常數(shù)。

根據(jù)公式(1)，在燃料油層厚度較薄時(shí)，同樣的外加輻照強(qiáng)度下，燃料被加熱到沸點(diǎn)的時(shí)間也較短。然而，如圖1所示，隨著燃料油層厚度的增加，被輻射熱加熱的有效厚度卻并未增加，這導(dǎo)致油量增大到一定值后，燃料點(diǎn)燃時(shí)間卻并未出現(xiàn)顯著增加。

根據(jù)公式(2)，在相同的油量條件下，液體蒸氣壓與燃料溫度呈正相關(guān)，因此隨著外加輻照強(qiáng)度的增加，燃料表面升溫速度增加，因此其點(diǎn)燃時(shí)間也隨之減小。不同外加輻照強(qiáng)度對(duì)換流變壓器KI50X型絕緣油點(diǎn)燃時(shí)間的影響見(jiàn)圖2，這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖2 不同外加輻照強(qiáng)度對(duì)KI50X型絕緣油點(diǎn)燃時(shí)間的 影響Fig.2 Effect of different external irradiation intensity on the ignition time of the insulation oil KI50X

2.2 不同油層厚度和外加輻射強(qiáng)度對(duì)KI50X型絕緣油熱釋放速率(HRR)的影響

熱釋放速率(Heat Release Rate,HRR)指試樣燃燒過(guò)程中釋放熱的速率，是確定火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要變量之一[22]。基于ASTM E2058—2006標(biāo)準(zhǔn)，利用氧耗法量熱原理，對(duì)試樣燃燒生成的氣體進(jìn)行測(cè)量，可以得到試樣的HRR值。本試驗(yàn)測(cè)得的不同油量(油層初始厚度)和不同外加輻照強(qiáng)度下KI50X型絕緣油熱釋放速率與點(diǎn)燃時(shí)間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同油量(初始油層厚度)下KI50X型絕緣油熱釋放 速率隨點(diǎn)燃時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different oil volumes (initial oil layer thickness)

圖4 不同外加輻照強(qiáng)度下KI50X型絕緣油熱釋放速率 隨點(diǎn)燃時(shí)間的變化曲線Fig.4 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different external irradiation intensities

室溫(290K)狀態(tài)下，13 mm深度的庚烷池火燃燒狀態(tài)呈現(xiàn)出5個(gè)階段[23]：①初始發(fā)展期；②穩(wěn)定燃燒期；③過(guò)渡期；④整體沸騰燃燒期；⑤衰減期。要使燃燒經(jīng)歷以上5個(gè)階段，需要油池有足夠的油量。與試驗(yàn)現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，對(duì)于25 mL以下油量的試驗(yàn)組，試驗(yàn)過(guò)程中未觀察到燃料明顯的沸騰現(xiàn)象，即燃料燃燒由于油量不足，終止在了整體沸騰燃燒期之前，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油層初始厚度為3.185 mm；而對(duì)于35 mL以上油量的試驗(yàn)組，試驗(yàn)中觀察到了燃料燃燒經(jīng)歷了上述5個(gè)階段。

由圖3可見(jiàn)，固定外加輻照強(qiáng)度(50 kW/m2)，且油量為30 mL以上時(shí)，絕緣油初始發(fā)展期對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃時(shí)間為30～50 s，此時(shí)KI50X型絕緣油的HRR值迅速增加；絕緣油穩(wěn)定燃燒期對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃時(shí)間為50～80 s，此時(shí)KI50X型絕緣油的HRR值增速明顯放緩，油層表面開(kāi)始出現(xiàn)氣泡，HRR曲線出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階；過(guò)渡期對(duì)應(yīng)KI50X型絕緣油HRR值的突然增加，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃時(shí)間為80～110 s，此時(shí)油層表面出現(xiàn)大量氣泡，沸騰狀態(tài)下絕緣油的熱交換被大大加強(qiáng)。對(duì)于50 mL油量的試驗(yàn)組，KI50X型絕緣油的HRR值可達(dá)880 kW/m2，約是其穩(wěn)定燃燒階段150 kW/m2的6倍；隨后由于燃料耗盡，轉(zhuǎn)入衰減期，火焰明顯減弱。外加輻照強(qiáng)度為30 kW/m2、油量為30 mL絕緣油燃燒的5個(gè)階段對(duì)應(yīng)的圖片,見(jiàn)圖5。

圖5 KI50X型絕緣油燃燒的5個(gè)階段Fig.5 Five stages of insulation oil KI50X combustion

由圖4可見(jiàn)，外加輻照強(qiáng)度的增加使得絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間縮短，在圖4中反映為絕緣油的HRR初始發(fā)展期的提前；對(duì)于相同油量，不同外加輻照強(qiáng)度的各試驗(yàn)組，KI50X型絕緣油的HRR曲線的趨勢(shì)基本一致，但KI50X型絕緣油燃燒的5個(gè)階段對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃時(shí)間略有不同。

2.3 不同油面厚度和外加輻射強(qiáng)度對(duì)KI50X型絕緣油CO及煙氣生成速率的影響

本試驗(yàn)測(cè)得的不同油量(初始油層厚度)和不同外加輻照強(qiáng)度條件下KI50X型絕緣油的CO生成速率隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 不同油量(油層初始厚度)下KI50X型絕緣油CO 生成速率隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different oil volume (initial oil layer thickness)

圖7 不同外加輻照強(qiáng)度下KI50X型絕緣油CO生成速 率隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensity

CO生成速率的增加表明燃料燃燒不充分程度提高[24]。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)油量低于15 mL時(shí)，絕緣油CO生成速率的峰值隨油量的增加而增加；當(dāng)油量高于15 mL時(shí)，絕緣油CO生成速率的峰值不再增加，這表明隨著油量的增加，絕緣油的燃燒效率先減小后不變。

由圖7可見(jiàn)，在油量一定的情況下，隨著外加輻照強(qiáng)度的減小，絕緣油CO生成速率的峰值緩慢下降，這表明外加輻照強(qiáng)度越高，絕緣油的燃燒效率越低。

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行絕緣油火災(zāi)毒性分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮外加輻照強(qiáng)度因素的影響。

本試驗(yàn)測(cè)得的不同油量(油層初始厚度)和不同外加輻照強(qiáng)度條件下KI50X型絕緣油的煙氣生成速率(rate of smoke release，RSR)隨點(diǎn)燃時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 不同油量(油層初始厚度)下KI50X型絕緣油煙氣 生成速率隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different oil content (initial oil layer thickness)

圖9 不同外加輻照強(qiáng)度下KI50X型絕緣油煙氣生成速率 隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由圖8可見(jiàn)，不同油量下絕緣油煙氣生成速率呈現(xiàn)出明顯的差別；絕緣油煙氣生成速率的峰值隨油量的增加而增加，絕緣油煙氣生成速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間隨油量的增加而延遲。

由圖9可見(jiàn)，外加輻照強(qiáng)度的增加導(dǎo)致絕緣油煙氣生成速率的峰值增加。由此可見(jiàn)，油量或外加輻照強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致絕緣油煙氣生成速率的增大。

2.4 火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)

通常采用火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(Fire Growth Index,FGI)從熱釋放的角度來(lái)表征材料點(diǎn)燃后火災(zāi)的發(fā)展速率。如果材料的FGI值很高，表明材料具有很高的火災(zāi)危險(xiǎn)性。對(duì)于地鐵車輛內(nèi)裝板材而言，F(xiàn)GI值一般在0.09～1.20之間[20]。FGI的計(jì)算公式如下：

FGI=pkHRR/tpkHRR

(3)

式中:pkHRR表示峰值熱釋放速率(kW/m2)；tpkHRR表示峰值熱釋放速率出現(xiàn)的時(shí)間(s)。

對(duì)于相同外加輻照強(qiáng)度下的不同油量(油層初始厚度)以及對(duì)于相同油量下的不同外加輻照強(qiáng)度，絕緣油峰值HRR及其出現(xiàn)的時(shí)間，見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 不同油量下KI50X型絕緣油峰值熱釋放速率及其 出現(xiàn)的時(shí)間Fig.10 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different oil volume

圖11 不同外加輻照強(qiáng)度下KI50X型絕緣油峰值熱釋放 速率及其出現(xiàn)的時(shí)間Fig.11 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由圖10可見(jiàn)，絕緣油峰值HRR在5 mL油量時(shí)不到400 kW/m2，隨著油量的快速增加，在15 mL油量時(shí)其增速放緩，隨后在50 mL油量時(shí)，絕緣油的峰值HRR不到900 kW/m2。

由圖11可見(jiàn)，隨著外加輻照強(qiáng)度的增加，在輻射強(qiáng)度為5～10 kW時(shí)絕緣油的峰值HRR出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)，但隨后其峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波動(dòng)。

根據(jù)圖10和圖11的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的KI50X型絕緣油火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(FGI)與油量和外加輻照強(qiáng)度的關(guān)系，見(jiàn)圖12和圖13。

圖12 KI50X型絕緣油火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(FGI)與油量的 關(guān)系Fig.12 Relation between FGI and Oil Volume of insulation oil KI50X

由圖12可見(jiàn)，就火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)而言，油量的增加并未導(dǎo)致絕緣油火災(zāi)危險(xiǎn)性持續(xù)增加；在15 mL油量(1.911 mm油層初始厚度)情況下，絕緣油的火災(zāi)危險(xiǎn)性最高，而對(duì)于25 mL以上油量的情況下，該絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)在8左右小幅度波動(dòng)。

圖13 KI50X型絕緣油火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(FGI)與外加輻照 強(qiáng)度的關(guān)系Fig.13 Relation between FGI and external irradiation intensity of insulation oil KI50X

由圖13可見(jiàn)，絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)隨著外加輻照強(qiáng)度的增加而基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，結(jié)合圖11分析，不同外加輻照強(qiáng)度下絕緣油的峰值HRR基本一致，而絕緣油的峰值HRR出現(xiàn)的時(shí)間卻隨著外加輻照強(qiáng)度的減小而延后。

3 結(jié) 論

本文利用火焰蔓延儀開(kāi)展了不同油面厚度和外加輻照強(qiáng)度對(duì)典型換流變壓器KI50X型絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率(HRR)、CO與煙氣生成速率等燃燒特性影響的試驗(yàn)研究，并計(jì)算了該絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，得到如下結(jié)論：

(1) KI50X型絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間隨著外加輻照強(qiáng)度的增大先迅速縮短，而后緩慢縮短。本試驗(yàn)中，油層厚度小于3.2 mm的工況下，絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間隨著油量的增加而增加，油層厚度大于3.8 mm的工況下，絕緣油的點(diǎn)燃時(shí)間隨油量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨后保持在40 s左右。

(2) 油層厚度在4.4 mm以上時(shí)，能夠完整經(jīng)歷池火燃燒的5個(gè)典型階段，并且油層的熱釋放速率(HRR)變化趨勢(shì)能夠與之對(duì)應(yīng)。

(3) 根據(jù)KI50X型絕緣油的CO生成速率試驗(yàn)結(jié)果，隨著油量的增加，絕緣油的燃燒速率先降低后不變；隨著外加輻照強(qiáng)度的增加，絕緣油的燃燒速率下降。

(4) KI50X型絕緣油的峰值HRR從5 mL油量下的不到400 kW/m2，隨著油量的快速增加，隨后增速放緩，在50 mL油量時(shí)，絕緣油的峰值HRR不到900 kW/m2；而隨著外加輻照強(qiáng)度的增加，在輻射強(qiáng)度為5～10 kW時(shí)絕緣油的峰值HRR出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)，但隨后峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波動(dòng)。

(5) KI50X型絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)隨著外加輻照強(qiáng)度的增加而基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，而油量的增加并未導(dǎo)致該絕緣油的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)持續(xù)增加。