初始油溫對變壓器油燃燒特性的影響

趙金龍，袁杰，田逢時，黃弘，楊銳

（1 中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京100083； 2 清華大學公共安全研究院，北京100084；3 中國人民警察大學，河北廊坊065000）

引 言

油浸變壓器作為一種常見的變壓器類型，被廣泛應用到電力行業[1]。變壓器在運行過程中，由于內部或者外部的某些原因，變壓器發生放電，產生瞬態、高能電流，造成箱體脆弱部位炸裂，發生火災[2]。變壓器火災發生后，由于油枕位置高于箱體，內部油品會不斷泄漏溢出，進而形成噴射火、流淌火、集油坑池火等多種類型的火災場景[3]。變壓器火災一旦發生，通常伴隨高溫火焰和強烈輻射，給自身及臨近裝置造成破壞，進而造成巨大的經濟損失。近些年來，變壓器火災事故頻發，已成為電力領域關注的焦點[3-4]。例如，2019 年濟南變電站發生燃爆火災事故，造成1 死2 傷[5]。因此，有必要開展變壓器火災的相關研究。

變壓器火災的發生發展過程與變壓器油燃燒特性密切相關。近幾年，國內外學者對變壓器油池火的燃燒特性開展了相關研究[6-8]。Kung等[6]開展了直徑為1.2 m 和1.7 m 的變壓器油池火實驗，給出了對應尺度下變壓器油的燃燒速率。Heskestad 等[7]模擬了變壓器集油坑火災實驗，分析集油坑排油速率及集油坑內石子對燃燒規律的影響，發現一定的排油速率可讓燃燒自行熄滅。Zhang 等[8]利用錐形量熱儀開展了小尺度變壓器油池火實驗，研究了3 類典型變壓器油在不同外加輻射作用下的引燃時間、燃燒速率、燃燒氣體種類等變化規律。范明豪等[9]開展了25 cm、30 cm 和40 cm 的變壓器油盤火實驗，研究了熱釋放速率、火焰及煙氣溫度等。作者前期開展了不同燃燒尺度下的常溫變壓器油池火實驗，得出了不同燃燒尺度下變壓器油的燃燒速率[10]。除了變壓器油的燃燒規律外，很多學者研究了變壓器的滅火過程[11-12]。Zhu 等[11]研究不同初始壓力下細水霧的滅火效果，具體分析了細水霧的滅火過程以及關鍵參數如火焰高度、CO濃度、對外輻射等變化。閔永林等[12]采用數值模擬的方法分析了多組分細水霧滅火系統撲滅110 kV變壓器滅火的效果。

變壓器在工作期間，由于變壓器油主要起冷卻作用，油品溫度會高于環境溫度，能達到80℃，但要求小于95℃[13]。對于初始溫度對燃燒規律的影響，已有相關的研究。張博思等[14]利用錐形量熱儀研究了直徑7.5 cm 的25#變壓器油在不同初始溫度下的燃燒特性，發現：油溫越高，引燃時間越短，熱釋放速率越大。Chen 等[15]開展了直徑為10～20 cm 的正庚烷油池火實驗，研究了初始油溫對燃燒規律的影響，發現油品溫度較高時，會出現沸騰燃燒階段；同時，沸騰燃燒階段的燃燒速率會隨初始油溫的增加而增加，但穩定階段的燃燒速率與初始溫度無關。Kong 等[16]開展了直徑6～8 cm 的原油油池火實驗，研究了原油初始溫度對燃燒過程的影響，發現油品初溫對引燃過程的影響較大。

通過目前對國內外研究總結可得：目前針對變壓器油燃燒的實驗研究，大多都集中在實驗室尺度，但變壓器油的燃燒規律明顯會隨著燃燒尺度的變化而發生改變。另一方面，油品初溫會對油品火災的發展規律產生影響，但目前對變壓器油的初始油溫度對燃燒特性以及發展規律的相關研究明顯不足，相關影響過程認識不清。因此，本文開展不同油盤直徑的變壓器油池火實驗，研究不同初始油溫下，變壓器油的燃燒規律，為變壓器火災風險評估及應急救援提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

整個實驗的原理圖及測量裝置的布置見圖1。實驗中采用了4 種不同直徑的油盤(20、40、60 和80 cm)，油盤側壁高度為10 cm。根據油池火熱反饋的變化規律，該尺度下變壓器油燃燒速率的主要受到輻射反饋的影響，更加接近真實的事故場景[17]。實驗中采用的變壓器油型號為KI25X，具體性質見文獻[18]。實驗中初始油溫分別為：30、45、65 和85℃。實驗前，使用加熱器統一對油品進行加熱，升至所需要的溫度。實驗中，油品的初始厚度約為3 cm，在實際中通常大于該值。燃燒過程中不控制液位高度。由于變壓器油很難被直接點燃，因此注入10 ml正庚烷作為引燃劑。

圖1 實驗原理及實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental platform

1.2 測量儀器

實驗中，采用Omega 熱電偶測量油品內部溫度和火焰溫度。測油溫和測火焰溫度的熱電偶均勻地布置在油盤中心軸線上。測油溫的熱電偶相鄰兩根間距為1 cm，共布置5根，最底端的離油盤底面的垂直距離為1 cm；測火焰熱電偶相鄰兩根間距為10 cm，共布置10 根，最底端的距油盤底面為20 cm，具體布置見圖1。實驗中采用賽多利斯天平實時記錄油品的剩余質量，天平量程為35 kg，精度為0.1 g。采用Fluke 采集模塊記錄熱電偶實時采集的數據信號，采集間隔為1 s。利用兩臺數碼相機從不同角度記錄火焰形態，主要用于提取火焰高度。

1.3 實驗概況

整個實驗是在全尺度隧道內完成，隧道長100 m，寬12.75 m，高6.7 m，整個隧道相對較大，不考慮空間對油池火燃燒規律的影響。實驗期間，隧道門窗關閉，忽略風速對實驗的影響。隧道內，環境溫度在（30±3）℃范圍內，環境濕度為56%±10%。實驗的具體工況見表1。

2 實驗結果與討論

2.1 燃燒現象及階段劃分

油品點燃后，火焰迅速蔓延至表面，火焰高度快速增加，但很快火焰高度便出現下降現象，并產生黑煙；隨之，火焰高度再次增加，逐漸接近穩定；最后，燃燒逐漸熄滅。圖2 給出了直徑為60 cm、初始油溫為30℃情況下的燃燒發展過程示意圖。

根據變壓器油燃燒發展的全過程，變壓器油的燃燒階段可劃分為：（1）初始發展階段；（2）穩定燃燒階段；（3）火焰熄滅階段。整個燃燒過程的主體劃分基本與Ferrero 等[19]和Tao 等[20]的劃分基本保持一致。圖3 和圖4 分別給出了實驗組1、4、9 和12 的實時燃燒速率變化曲線。

表1 實驗具體工況Table 1 Detail specifications of experiments

圖2 變壓器油池火燃燒過程示意圖（Test 9）Fig.2 The whole burning process of transformer oil pool fires

為了全面理解變壓器油的燃燒發展全過程及燃燒階段的劃分，結合Hamins 等[17,21-22]以及之前的研究成果，給出了油池火在燃燒過程中的火焰熱量反饋及熱量在油品內部的傳遞過程，詳見圖5。對于油品燃燒，燃燒速率主要與火焰反饋至油品的熱量相關。根據能量守恒，油品的蒸發速率（m'）可表示為：

圖3 實驗組1和4的燃燒速率隨時間的變化Fig.3 Burning rate as a function of time for Test 1 and Test 4

圖4 實驗組9和12的燃燒速率隨時間的變化Fig.4 Burning rate as a function of time for Test 9 and Test 12

式中，Lv表示油品蒸發潛熱；qrad、qconv和qcond分別表示為火焰輻射反饋至油面的熱流、火焰與液面之間的對流換熱熱流和側壁向油層傳導的熱流，這三部分共同決定了油品實時獲得的熱量。qref和qheat分別表示油品表面反射的輻射熱流和高溫油層向低溫區域傳遞的熱流。油品表面反射損失的部分所占熱反饋的比例通常小于4%，在實際計算中可忽略不計[17]。同時，本文忽略了油層與底面的熱量傳遞。在燃燒過程中，火焰的輻射反饋會在油面以下一定距離內被吸收，進而形成一定厚度的，接近沸點的等溫層，稱為沸騰層[22]。沸騰層以下，以導熱為主，形成一定厚度的溫度梯度層，用于傳遞熱量，預熱油品[21]。在燃燒過程中，只有沸騰層內部的油品吸收熱量后才可直接蒸發，參與燃燒，而溫度梯度層內油品吸收的熱量主要用于自身升溫[22]。在確定火焰熱量反饋及熱量傳遞后，本文對整個燃燒階段進行定性分析。

圖5 油池火焰熱量反饋過程及在油品內部傳遞過程[17]Fig.5 Heat feedback from the flame to fuel surface and the heat transfer process in fuel liquid layer[17]

對于初始發展階段，燃燒規模較小，火焰反饋給油品表面的熱量相對較小，尤其是輻射反饋熱流較小。另一個方面，初始變壓器油溫度相對較低，該階段火焰反饋的熱流大部分用于油品的加熱，形成沸騰層，很少一部分用于油品的直接蒸發。因此，對于該階段初始油溫越高，達到沸點所需要的熱量越少，則更多的熱量將會被用于油品的蒸發。因此，對于初始發展階段，燃燒速率會隨著初始油溫的升高而逐漸增加，這一物理過程在圖3 和圖4中可得到直接驗證。分析不同燃燒尺度對初始發展階段的影響，通過圖3 和圖4 可發現：燃燒尺度越大，初始發展階段的歷時越短。這主要是由于對于大尺度的燃燒，火焰輻射反饋熱流相對較大，短時間內即可形成穩定的沸騰層[17]。對于穩定燃燒階段，油池火的燃燒速率和火焰高度都保持相對穩定。該階段火焰反饋至油品表面的熱流以及熱流在油品內部的傳遞過程都保持穩定[23]。這些因素共同決定了穩定燃燒階段油品的燃燒規律。當油盤內部的油品消耗殆盡時，燃燒進入了熄滅階段。

對于實際變壓器火災，由于內部短路產生了瞬態高能電弧，這會導致部分油品溫度迅速升高，進而發生局部燃燒，但大部分油品的溫度相對較低[2-3]，這個過程與油池火的發展過程相近。結合實驗中的燃燒發展過程可知：油品的發展過程與油品面積相關。因此，在消防設計初期及規劃方面，對于變電站內部關鍵部位，應考慮增加隔斷設計防止泄漏的油品迅速蔓延，同時可增加局部滅火力量，將變壓器火災控制在初始發展階段。同時，對于大面積泄漏燃燒，初始發展過程快，救災時應充分考慮火災的發展速度，避免盲目救災。

2.2 穩定階段燃燒速率

根據變壓器油的燃燒發展過程，發現穩定燃燒階段持續時間較長，燃燒規模大，這會對救災人員及鄰近裝置產生較大的危害[24]。因此，需要進一步研究穩定階段燃燒速率的變化規律。圖6給出了不同油品直徑和不同初始油溫下穩定階段的燃燒速率。

圖6 不同工況下穩定階段的燃燒速率Fig.6 Burning rate vs.initial fuel temperature

根據圖6 可知：穩定燃燒階段的變壓器油燃燒速率，會隨著初始油溫的升高而不斷增加，但增幅較小。例如，對于油盤直徑20 cm 的油池火，穩定階段的燃燒速率基本保持不變，這與Chen 等[15]的實驗結果保持一致。對于尺度較大的燃燒（D>20 cm），油品燃燒速率主要受到火焰輻射反饋的作用。因此，燃燒速率可近似表示為：

式中，Lv為油品蒸發潛熱。對于穩定階段的燃燒，油品的加熱速率可表示為[24]：

式中，cp為油品的比定壓熱容，Tb為油品沸點，Ti為初始油溫。

油池火的火焰輻射反饋可近似表示為[25]：

式中，Ff→S為火焰到油品上表面間的角系數，與火焰高度相關；Ef為火焰表面的輻射強度，與火焰溫度相關。結合式（2）～式（4）可知，穩定階段的油品燃燒速率可表示為：

實驗中測量了火焰高度和火焰溫度，發現：火焰高度和火焰溫度并沒有隨初始溫度的升高而發生較大變化，這說明燃燒過程中火焰熱量反饋基本保持穩定。雖然初始油溫的升高會降低油品蒸發所需要的熱量，但考慮到變壓器油的沸點（>320℃）和變壓器油的蒸發潛熱[26]，該部分降低值占油品蒸發所需熱量(Lv+cp(Tb-Ti))值的比重相對較小。因此，在實驗溫度范圍內，初始油溫的變化對變壓器油穩定階段的燃燒速率影響較小。分析燃燒尺度對穩定階段燃燒速率的影響，可發現：變壓器油穩定階段的燃燒速率隨燃燒尺度的增加明顯增加。本文以初始油溫為85℃的實驗組為研究對象，發現：隨著油盤直徑從20 cm 增加至80 cm，燃燒速率可從13.75 g/(m2·s)增加至22.21 g/(m2·s)。

綜上，在實驗溫度范圍內，變壓器油的燃燒速率受初始溫度的影響較小，但會隨著燃燒尺度的增加明顯增加。

2.3 油層內溫度分布

燃燒過程中，油品內部的溫度分布與熱流在油層內部的傳遞過程相關，影響油品的燃燒速率[27-28]。實驗中，油層的初始厚度約為3 cm，根據熱電偶的布置情況可知，開始階段會有兩根熱電偶暴露在空氣中。以直徑為40 cm 的油盤作為研究對象，熱電偶測量的溫度隨時間的變化規律見圖7。

實驗中，對于距離底面4 cm 和5 cm 的熱電偶，基本暴露在空氣中。油品被引燃后，火焰迅速蔓延至油品表面，熱電偶直接與火焰接觸，溫度迅速升高；但隨著燃燒速率的增加，由于油盤側壁的限制，油盤內部氧氣濃度供應不足，火焰不斷地被抬升，熱電偶逐漸被蒸氣包圍，測量溫度隨之下降。最后，油品被消耗殆盡，火焰重新進入油盤，測量值迅速增加。通過這兩根熱電偶測量溫度的變化，可知變壓器油的火焰溫度在800℃左右，與火焰溫度的熱電偶測量值保持一致。在燃燒過程中，油品液面會隨著燃燒的持續，不斷下降，距離油盤底面以上3、2和1 cm 的熱電偶會先后從油品內部逐漸暴露在蒸氣中。結合圖5中油品內部的溫度分層，可知：熱電偶會先后經過溫度梯度層、等溫層（沸騰層）和蒸氣層。在燃燒熄滅階段，火焰會進入油盤，對應的測量溫度為火焰溫度。同時，結合三根熱電偶測量值的變化，發現：測量溫度先增加后穩定（溫度梯度層→沸騰層）；突然增加隨后穩定（沸騰層→蒸氣層）；快速增加（蒸氣層→火焰）。實驗中熱電偶測量值的變化規律進一步驗證了油品內部的溫度分區以及熱流的傳遞過程。

圖7 不同初始油溫條件下油品內部及蒸氣溫度分布Fig.7 Temperature profile in liquid layer as function of time with different initial temperatures

以距離底面1 cm 和2 cm 處的溫度變化為研究對象，具體分析沸騰層厚度隨初油溫的變化規律。根據熱電偶的測量結果可知：油品在燃燒過程中沸騰層的溫度會維持在沸點溫度（325℃左右）。當熱電偶測量值第一次達到沸點溫度，表明該處為沸騰層的底面；當測量值突然增加后，即表明熱電偶開始從油品內部進入蒸氣區域。根據兩個時刻下油盤內剩余的油品質量即可估算得出沸騰層厚度。同時，也可結合油品的燃燒速率以及兩個對應時刻下的油品質量，計算沸騰層厚度（線燃燒速率×時間）。利用距離底面1 cm 和2 cm 的熱電偶溫度數據，可計算得出不同工況下的沸騰層厚度，分別見表2和表3。

表2 1 cm位置處溫度變化得出的沸騰層的厚度Table 2 Calculated thickness of boiling layer based on temperature variation of 1 cm thermocouple/mm

表3 2 cm位置處溫度變化得出的沸騰層的厚度Table 3 Calculated thickness of boiling layer based on temperature variation of 2 cm thermocouple/mm

通過表2 和表3 可發現：同一油盤直徑下的沸騰層厚度基本保持一致，與初始油溫無關。對于燃燒直徑為20 cm 和40 cm 的油池火，利用1 cm 處溫度變化計算得出的沸騰層厚度要大于利用2 cm 處溫度變化計算得出的值，這主要是由于隨著燃燒的持續進行，側壁會不斷向油品傳遞熱量，進而會影響沸騰層的厚度。例如，在Chen 等[15]的小尺度池火實驗中，觀測到了沸騰燃燒階段，這表明整個油池內部已經全部達到了沸點溫度。但這一影響會隨著油盤直徑的增加而降低。目前，通過調研直徑60 cm 和80 cm 的油池火，并未發現沸騰燃燒的現象。同時實驗中，對于較大油盤，利用兩個位置處的溫度變化計算得出的沸騰層厚度接近。對比表2和表3中油層厚度的變化情況，可發現：參考1 cm 位置處熱電偶溫度值計算得出的沸騰厚度層波動較大。這可能是由于油盤底面不能完全保證水平，進而導致油層分布不均勻，影響了底層的油溫分布。因此，在研究沸騰層厚度時，為了使計算值更具代表性，選擇中間熱電偶的溫度變化值更客觀合理。

對于大尺度燃燒，沸騰層的形成主要與火焰反饋波長以及油層對應的吸收能力相關[22,29-30]。根據表3可得：當油池直徑大小相等時，沸騰層厚度相對接近。四種油池直徑對應的平均沸騰層厚度分別為2.39、2.22、2.15 和2.15 mm。由于燃燒直徑較小時，側壁傳熱對沸騰層有一定的影響，因此在計算中，不考慮油池直徑20 cm 的實驗工況。綜上，對于尺度較大的變壓器油池火，沸騰層厚度平均約為2.17 mm，與初始油溫無關。這也直接表明變壓器油燃燒的火焰輻射反饋主要被變壓器油面以下2 mm左右的油層吸收。

3 結 論

為了研究初始溫度對變壓器油燃燒特性的影響及豐富變壓器油池火燃燒的基礎數據，開展了不同燃燒直徑和不同初始油溫的變壓器油池火實驗。實驗中，關注了變壓器油整個燃燒發展過程、燃燒速率以及油層內部的溫度變化規律，得出了如下結論。

（1）通過分析燃燒速率的變化，變壓器油池火的發展過程可分為：①初始發展階段；②穩定燃燒階段；③火焰熄滅階段。初始發展階段的燃燒速率隨著初始油溫的升高而增加。這主要是由于隨著初始油溫的升高，油品預熱所需要的熱量降低，用于油品蒸發的熱量增加。

（2）對于穩定燃燒階段，初始油溫的變化對燃燒速率的影響較小。因此，針對變壓器油池火災，可利用常溫油品的燃燒速率近似看作事故狀態的燃燒速率。但該階段對應的燃燒速率會隨著燃燒尺度的增加而迅速增加。

（3）變壓器油在燃燒過程中，油層內部根據溫度分布可分為：溫度梯度層和沸騰層。對于大尺度的燃燒，在穩定階段，沸騰層厚度約為2.17 mm，與初始油溫無關。對于尺度較小的燃燒，由于側壁傳熱的影響，沸騰層厚度會相應增加。燃燒過程中，穩定的沸騰層厚度也表明火焰輻射反饋的熱流主要被油面以下2 mm左右的油層吸收。

符 號 說 明

cp——油品比定壓熱容，kJ/(kg·K)

D——油盤直徑，m

Ef——火焰表面輻射強度，kW/m2

Ff-S——火焰與油品表面之間的角系數

Lv——油品的蒸發熱，kJ/kg

m——油池火的燃燒速率，g/(m2·s)

qrad,qconv,qcond,qref,qheat——分別表示火焰向油品表面輻射反饋的熱流、火焰與油品表面對流換熱熱流、側壁與液層傳導的熱流、液層表面的反射輻射熱流和油層導熱的熱流,kW/m2

Tb,Ti——分別表示油品的沸點和油品的初始溫度,K