變壓器集油池不同鋪設(shè)方式的卵石層對隔火能力影響研究

劉威峰，相中華，閆振華，陳繼堯，楊西銀，周秀

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750400)

0 引 言

近年來，由于油浸式變壓器套管炸裂引起的電氣火災(zāi)事故頻發(fā)，電力行業(yè)采取了消防隊伍駐站值守，變壓器集油池鋪設(shè)卵石層，油浸式變壓器安裝消防噴淋頭等措施[1-4]，進一步強化了變電站電氣設(shè)備消防能力。變壓器在發(fā)生噴油或爆炸起火事故時，變壓器集油池卵石層對油水混合物流向事故油池有一定阻礙作用，但是油水混合物溢出集油池在變壓器周邊形成流淌火，會擴大著火面積。雖然文獻[5-6]中提到集油池內(nèi)應(yīng)鋪設(shè)卵石層，其厚度不應(yīng)小于25 cm，卵石層直徑宜為5～8 cm，但并未對集油池卵石層鋪設(shè)方式進行要求。本文試驗研究了集油池內(nèi)卵石層不同鋪設(shè)方式對變壓器故障起火后的隔火能力以及水噴淋對火勢的抑制效果[7-9]，試驗研究數(shù)據(jù)為油浸式變壓器集油池卵石層選擇合適的鋪設(shè)方式，以及提高油浸式變壓器消防能力提供借鑒。

1 集油池內(nèi)卵石層對隔火能力影響試驗場地設(shè)計

1.1 試驗場地設(shè)計

變壓器基礎(chǔ)、集油池、排油管道及事故集油井試驗場地依據(jù)文獻[5-7]中要求的技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計建設(shè)。變壓器集油池長度為10 m，寬度為7 m，深度為0.75 m。事故油池采用20 m3油罐代替。變壓器集油池至事故油井排油管管徑為20 cm，坡度5%，最大排量為23 L/s。試驗過程中通過消防車水槍和水噴霧系統(tǒng)向集油池內(nèi)卵石層噴水(2臺消防車，每輛消防車儲液容量為10 kL，并配2支水槍，每支水槍流量為10 L/s)，試驗場地如圖1所示，試驗設(shè)備布置見圖2。

1.2 模擬變壓器燃燒試驗裝置

為模擬變壓器套管爆裂起火，燃燒變壓器油從升高座溢出形成流淌火傾瀉至油池內(nèi)卵石層表面的工況，制作了1個尺寸為2 m×1 m×0.2 m的油槽，通過高度為2 m的支架固定在變壓器基礎(chǔ)上(根據(jù)變壓器套管根部高度架設(shè))。油槽上部敞開，油槽一側(cè)切割出深度為5 cm，長度為1 m的流油豁口，試驗過程中在油槽上方設(shè)置棉絮引燃變壓器油。

圖1 試驗場地布置

圖2 試驗設(shè)備布置

為模擬變壓器燃燒過程中油枕中油流入本體并通過套管升高座溢出，采用10 t油罐模擬變壓器油枕，通過直徑60 mm管路連接至油槽。油罐底部與油槽的高差控制在0.5 m，利用直徑60 mm閥門控制變壓器油可持續(xù)流30 min以上，充分模擬真實變壓器燃燒過程。

為模擬變壓器燃燒后水噴淋系統(tǒng)對火勢的抑制效果，在集油池一側(cè)(正對油槽流油豁口側(cè))布置兩層水噴霧噴頭模擬水噴淋噴頭，同時在試驗過程中通過消防車水槍向油池內(nèi)卵石層噴水。為觀察火勢及油流動狀態(tài)在集油池卵石層下架空層狀態(tài)，在油池側(cè)壁及排油管(距出口3 m)內(nèi)部安裝6臺攝像機，安裝位置見圖3。

圖3 卵石層架空空間內(nèi)攝像機布置位置

1.3 集油池卵石層的鋪設(shè)方式

目前集油池卵石層常見的鋪設(shè)方式有集油池卵石層架空鋪設(shè)和集油池卵石層鋪至底部兩種方式。卵石層架空鋪設(shè)方式為在變壓器集油池中設(shè)置高度為35 cm的格柵，格柵上方鋪設(shè)厚度為25 cm的卵石層(卵石層直徑5～8 cm)，如圖4所示。卵石層鋪至池底的鋪設(shè)方式為變壓器集油池中不設(shè)置格柵，卵石層直接鋪設(shè)在油池底部，卵石層厚度為25 cm，如圖5所示。為防止卵石層進入排油管道，在排油口處設(shè)置格柵。

圖4 架空鋪設(shè)的卵石層

圖5 鋪至池底的卵石層

2 不同鋪設(shè)方式的卵石層隔火能力試驗過程

2.1 架空鋪設(shè)的卵石層隔火能力試驗

1)人工手動關(guān)閉輸油管路中直徑60 mm閥門，在吊車起吊的油罐中注滿變壓器油，約10 t，將油罐出油口位置高出油槽高度0.5 m，將油罐四角進行固定，防止試驗時油罐擺動。攝像機對準模擬變壓器著火后的落火點全程記錄試驗過程。

2)油槽中注滿變壓器油(離油槽上沿1 cm)，向油槽注入500 mL汽油作為變壓器油引燃物。點燃油槽中注入的汽油(實測2 min后若繼續(xù)著火，且冒黑煙即可確認變壓器油已引燃)，通過汽油引燃變壓器油。

3)待油槽表面火勢足夠大時(現(xiàn)場觀察判斷，點火約5 min后)，打開輸油管路閥門，將油罐內(nèi)變壓器油注入油槽內(nèi)。同時計時，每隔30 s記錄一次流量(串接在輸油管路中的流量表)，同時觀察記錄油槽開口處溢出并流入變壓器油池過程中卵石層上部和卵石層下部火勢變化情況。

4)在確認卵石層底部著火相對嚴重的情況下，啟動水噴淋對落火點卵石層進行滅火，同時啟動消防車水對集油池底部進行滅火，控制消防注水流量(增加消防水槍數(shù)量)，觀察記錄火勢及油池底部火勢情況。

5)集油池底部排油管為鋼管直徑200 mm管徑，坡度5%，流量23 L/s。

2.2 鋪至底部的卵石層隔火能力試驗

按照上述過程點燃油槽內(nèi)變壓器油，打開輸油管路中直徑60 mm閥門，使油槽內(nèi)燃燒變壓器油流入集油池，開始做不帶水噴淋時卵石層隔火能力試驗。開啟水噴淋，對落火點卵石層進行適當滅火，觀察卵石層火勢情況。

觀察卵石層表面火勢穩(wěn)定后，啟動消防車(4支水槍)向集油池內(nèi)補水(模擬大量油水混合物流入集油池)，補水時應(yīng)避開變壓器油燃燒區(qū)域，避免直接將火撲滅。

觀察消防車補水后集油池內(nèi)火勢變化情況。試驗結(jié)束，關(guān)閉輸油管路中DN60管徑球閥使用消防車進行滅火。

2.3 試驗現(xiàn)象及分析

2.3.1 不帶水噴淋的架空卵石層隔火能力試驗

燃燒變壓器油落入集油池后，落油區(qū)域卵石層上表面起火，其他位置不起火；試驗開始3 min后卵石層下方架空層出現(xiàn)明火，火勢較小，見圖6。

試驗開始10 min后油池底部火勢隨油流延伸至排油管處，集油池卵石層表面火勢擴大(油池底部油氣上升所致)。排油管內(nèi)及事故油池未發(fā)現(xiàn)明火和煙霧，見圖7。

(a)卵石層上層火勢

(b)卵石層下架空層火勢

(a)卵石層上層火勢

(b)卵石層下架空層火勢

試驗開始16 min后關(guān)閉注油閥停止注油，卵石層表面火勢逐漸減小，卵石層下方架空層火勢持續(xù)增大，如圖8所示。

試驗開始23 min后，用水槍對卵石層表面明火及排油管處冒煙卵石層進行滅火，試驗開始29 min后，卵石層表面明火及架空層內(nèi)火被熄滅。試驗用時29 min。

(a)卵石層上層火勢

(b)卵石層下架空層火勢

卵石層架空時，水噴淋未啟動，變壓器起火后卵石層表面的火集中在油落下的區(qū)域，其他區(qū)域不起火。卵石層表面持續(xù)燃燒，油火穿越至卵石層下方架空層，受卵石層隔離及冷卻作用，火勢較??；架空層內(nèi)火未穿越25 cm卵石層上，未進一步擴大火勢。架空層內(nèi)火勢隨油流延伸至排油管口處，排油管內(nèi)無明火，集油池架空層火勢未蔓延至事故油池。

2.3.2 帶水噴淋鋪至油池底部的卵石層隔火能力試驗

燃燒變壓器落入油池后，落油區(qū)域卵石層表面起火，此時啟動水噴淋，并利用消防車水槍對油池進行補水(避開卵石層燃燒區(qū)域，模擬大量變壓器油水混合物流入集油池中后對火勢影響)。試驗開始3 min后卵石層下方架空層起火，且火勢很快隨油流延伸至排油口，卵石層上下空間火勢均不斷擴大(燃燒變壓器油隨油流流動形成流淌火，擴大著火面積)，見圖9。水噴淋限制了集油池表面著火面積，但大量油水混合物在架空層流動擴大了著火區(qū)域。

(a)集油池卵石層表面火勢

(b)卵石層下架空層火勢

試驗開始7 min后火勢較大，避免引起試驗場坍塌，將消防車水槍對卵石層燃燒區(qū)域降溫、滅火，見圖10。試驗開始9 min后，隨著3支消防水槍對燃燒區(qū)域卵石層不斷降溫，水霧隔絕空氣抑制火勢擴大。

(a)集油池卵石層表面火勢(7 min)

(b)卵石層下架空層火勢(7 min)

試驗開始15 min后，卵石層表面明火熄滅，卵石層下方架空層火勢間歇性復(fù)燃，見圖11。試驗開始19 min后，卵石層下方架空層火勢徹底熄滅，試驗用時19 min。

(a)卵石層下架空層火勢(15 min)

(b)卵石層下架空層火勢(19 min)

卵石層架空，水噴淋啟動與水噴淋不啟動相比，集油池內(nèi)卵石層上下表面火勢變化受水噴淋，水霧隔絕了空氣而抑制了火勢擴大，且卵石層下部空間排泄通暢，有助于快速滅火。

2.3.3 卵石層鋪至油池底部，帶水噴淋的卵石層隔火能力試驗

燃燒變壓器油落入油池后，落油區(qū)域卵石層表面起火，此時啟動水噴霧噴頭，并利用消防車4支水槍(40 L/s，大于集油池排泄能力23 L/s)對油池進行補水(避開卵石層燃燒區(qū)域，模擬大量變壓器油水混合物流入集油池中后對火勢影響)。試驗開始8 min后，由于持續(xù)補水卵石層表面積水，火勢隨積水擴大，見圖12(a)。10 min后油水混合物界面持續(xù)升高淹沒卵石層形成流淌火，火勢覆蓋集油池,見圖12(b)。

卵石層鋪至油池底部，變壓器起火后卵石層表面的火集中在油落下的區(qū)域，其他區(qū)域不起火。水噴淋啟動同時水槍注水，消防滅火水大于集油池排泄能力，隨著集油池油水混合物超過集油池卵石層表面時，油火落入油池后火勢會迅速蔓延至周邊區(qū)域，且形成油火，火勢較大，甚至蔓延出集油池形成流淌火，導(dǎo)致卵石層隔火能力失效。

(a)8 min后集油池面火勢擴大

(b)10 min后集油池內(nèi)火勢

3 試驗結(jié)論

卵石層架空時，變壓器起火后卵石層表面的火集中在油落下的區(qū)域，其他區(qū)域不起火；油火穿越至卵石層下方架空層，受卵石層隔離及冷卻作用，火勢較??；架空層火未穿越25 cm卵石層上，未擴大火勢。

卵石層架空時，水噴淋對集油池表面火勢有一定抑制作用，有助于快速滅火。在卵石層表面噴水后，水立即透過卵石層落入油池下部空間,排水暢通,且未溢出卵石層，滅火效果明顯。

卵石層鋪至油池底部，受排水能力影響易形成流淌火擴大火勢。卵石層架空方案可快速排油、排水，油火經(jīng)卵石層后進行冷卻和隔離對火勢有抑制作用，因此，對在運工程建議變壓器集油池卵石層采用架空鋪設(shè)方式，同時在變壓器周圍架設(shè)水噴淋增強消防能力。