大型充油設(shè)備絕緣紙板燃燒特性研究

閆海鷗，詹振宇

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450000;2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

油紙絕緣結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大型充油設(shè)備中，絕緣紙板長(zhǎng)期受到電、熱、力等作用而逐漸劣化。由于絕緣紙板長(zhǎng)期浸泡在絕緣油中，一旦因短路產(chǎn)生火花，絕緣紙板極易著火，引發(fā)套管爆炸、釋壓閥噴油、變壓器箱體開(kāi)裂等事故，并造成變電站內(nèi)其他電氣設(shè)備損壞，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究絕緣紙板的燃燒特性，對(duì)提高站內(nèi)設(shè)備火災(zāi)預(yù)防水平具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為研究絕緣紙板的燃燒特性，選取某變壓器設(shè)備生產(chǎn)商的絕緣紙板，紙板厚度為2 mm，試驗(yàn)前將絕緣紙板裁剪為20 cm×20 cm的方形試樣，用酒精擦拭試樣表面去除污染物后，放置于25 ℃的干燥箱中干燥6 h，取出后再放置于室溫條件下保持24 h。

試驗(yàn)時(shí)，采用錐形量熱計(jì)按照ISO 5660標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，通過(guò)外加熱輻射方式模擬絕緣紙板在不同規(guī)模火災(zāi)事故中可能受到的熱輻射。每組試驗(yàn)均開(kāi)展3次，分別記錄絕緣紙板的著火時(shí)間、質(zhì)量變化和熱釋放速率，并取平均值。

試驗(yàn)在恒溫的室內(nèi)開(kāi)展，確保環(huán)境因素相對(duì)統(tǒng)一；取5組試樣，并分別設(shè)置5種外加熱輻射通量條件，初始外加熱輻射通量設(shè)為30 kW/m2，之后依次在此基礎(chǔ)上逐次增加15 kW/m2，直至最高輻射通量達(dá)到90 kW/m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 絕緣紙板的著火時(shí)間

著火特性對(duì)于測(cè)量可燃物引起的火災(zāi)危險(xiǎn)十分重要，測(cè)量絕緣紙板著火時(shí)間可為后續(xù)變壓器火災(zāi)預(yù)警及消防措施選擇提供重要參考。絕緣紙板在不同外加熱輻射通量下的著火時(shí)間如圖1所示。

圖1 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板著火時(shí)間

由圖1可知，隨著外加熱輻射通量增加，絕緣紙板著火時(shí)間越短，絕緣紙板發(fā)生火災(zāi)的時(shí)刻越快；但著火時(shí)間的減少與外加輻射熱通量增加并非線性關(guān)系，著火時(shí)間減少的速率比外加輻射熱通量增加的速率要快。在外加熱輻射通量為30 kW/m2的情況下，絕緣紙板的著火時(shí)間約為196 s；而當(dāng)外加熱輻射通量達(dá)到90 kW/m2時(shí)，著火時(shí)間僅需要約17 s，著火時(shí)間大大縮短。這一現(xiàn)象與其他材料的研究結(jié)果基本類(lèi)似。

2.2 質(zhì)量損失率

圖2為不同外加熱輻射條件下，絕緣紙板點(diǎn)燃后的質(zhì)量變化曲線。

由圖2可知，隨著外加熱輻射通量的不斷增加，絕緣紙板的質(zhì)量損失速率也隨之加快。在燃燒前期，質(zhì)量損失率隨時(shí)間增長(zhǎng)，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，到達(dá)波峰后下降，進(jìn)入衰減期。

圖2 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板質(zhì)量損失

在外加熱輻射通量為30 kW/m2和45 kW/m2的條件下，絕緣紙板的質(zhì)量損失均緩慢增加；外加熱輻射達(dá)到60 kW/m2時(shí)，絕緣紙板著火后質(zhì)量損失大幅度增加，達(dá)到峰值后，絕緣紙板殘余質(zhì)量變小，相應(yīng)的質(zhì)量損失變小，進(jìn)入質(zhì)量緩慢衰減期。

2.3 熱釋放速率

熱釋放速率用于表征火災(zāi)的增長(zhǎng)速度和規(guī)模。絕緣紙板在不同外加熱輻射通量下的熱釋放速率變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板熱釋放速率

由圖3可知，在絕緣紙板開(kāi)始燃燒時(shí)，絕緣紙板的熱釋放速率為0；隨著外加熱輻射通量的增加，絕緣紙板的熱釋放速率曲線發(fā)生了變化，部分外加熱輻射通量下，出現(xiàn)多了個(gè)熱釋放速率峰，尤其是外加熱輻射達(dá)到60 kW/m2時(shí)，熱釋放速率曲線上均出現(xiàn)了雙峰。但由于不同外加熱輻射通量條件下，隨著燃燒時(shí)間增加，絕緣紙板并未再次發(fā)生大量的熱釋放現(xiàn)象。因此，相對(duì)而言，在火災(zāi)初期外加熱輻射通量增加對(duì)絕緣紙板火災(zāi)隱患更大，需及時(shí)處理。隨著燃燒時(shí)間增加，長(zhǎng)時(shí)間燃燒下的火災(zāi)隱患未再顯著增加。試驗(yàn)中，不同外加熱輻射通量條件下，絕緣紙板熱釋放參數(shù)如表1所示。

表1 絕緣紙板的熱釋放速率參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)可知，不同外加熱輻射通量下，絕緣紙板熱釋放速率峰值差異較大，在90 kW/m2的外加熱輻射通量下，59 s絕緣紙板的熱釋放速率就能達(dá)到400.01 kW/m2，是30 kW/m2的外加熱輻射通量下熱釋放速率峰值299.47 kW/m2的1.34倍，且峰值時(shí)間大大縮短；而90 kW/m2的外加熱輻射通量下其第二個(gè)峰值到達(dá)時(shí)間仍早于30 kW/m2時(shí)的情況，且熱釋放速率仍較大。因此，當(dāng)外加熱輻射通量增加時(shí)，絕緣紙板將面臨著更為嚴(yán)峻的火災(zāi)隱患，對(duì)于長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的變壓器或處在高溫等極端條件下的變壓器，需要做好火災(zāi)事故初期的應(yīng)急預(yù)案，防患于未然。

3 結(jié)論

采用錐形量熱計(jì)試驗(yàn)研究了絕緣紙板在外加熱輻射通量下燃燒特性，分析了絕緣紙板的著火時(shí)間、質(zhì)量損失和熱釋放速率的情況。結(jié)果表明，外加熱輻射通量增加到一定程度時(shí)，絕緣紙板質(zhì)量損失及熱釋放速率均增加較快，其與外加熱輻射通量并非線性關(guān)系，在高溫、外加熱輻射通量較大時(shí)，應(yīng)予以重點(diǎn)防護(hù)。