適用于變壓器油火的泡沫滅火劑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法

孫緒坤，柯 巍，韓騰奔，王正陽，馬偉偉，韓亞軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.九江中船化學(xué)科技有限公司，江西 九江 332000)

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型電力變壓器的數(shù)量也在逐漸增加。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，截至2017年，國家電網(wǎng)公司運(yùn)行的高壓變電站有2 000余座，其中110 kV以上變壓器近40 000臺(tái)。根據(jù)散熱方式的不同變壓器可分為干式變壓器和油浸式變壓器。其中，干式變壓器內(nèi)部不含變壓器油，在防火方面優(yōu)勢較大；油浸式變壓器與干式變壓器相比，具有散熱效果好、維護(hù)方便、易于回收等優(yōu)點(diǎn)，因此其得到了廣泛的應(yīng)用。變壓器油的工作溫度通常為80～90℃，閃點(diǎn)為136℃。正常狀態(tài)下，變壓器的工作溫度低于閃點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)。但根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，雖然不同地區(qū)變壓器的故障率差別較大，但在工作年限內(nèi)變壓器發(fā)生嚴(yán)重故障的概率通常為0.5%～2.5%。變壓器一旦發(fā)生故障，其內(nèi)部溫度會(huì)明顯上升，進(jìn)而引燃變壓器油。而水成膜泡沫滅火劑作為油類火災(zāi)的專用滅火劑，是保障變電站消防安全的有力手段。

現(xiàn)階段存在多種泡沫滅火劑，由于其適用條件不同，在應(yīng)對特定火場時(shí)滅火性能的差別較大。針對該問題國內(nèi)外已有大量的相關(guān)研究。如徐志勝等通過改變泡沫滅火劑的氣液比、壓力和體積流量等參數(shù)，提出了一種用于評(píng)價(jià)泡沫滅火劑的柴油火抑制性能的新方法；Xiao等將表面張力和擴(kuò)散系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對無氟泡沫滅火劑的滅火性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)表面活性劑是影響其滅火性能的重要因素；康青春等針對泡沫滅火劑的優(yōu)選問題，建立了一套通用評(píng)價(jià)體系，其可為泡沫滅火劑的綜合優(yōu)選提供參考。

綜上研究可知，針對泡沫滅火劑滅火性能的評(píng)價(jià)已有大量的研究，但由于缺少針對性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對特殊環(huán)境下泡沫滅火劑的優(yōu)選效果有限?？紤]到變壓器油工作環(huán)境的復(fù)雜性，仍需建立一種適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。因此，本文在綜合考慮變壓器油燃燒特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種針對性較強(qiáng)的適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊熵權(quán)法對10種泡沫滅火劑的滅火性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并優(yōu)選其中5種泡沫滅火劑進(jìn)行了變壓器油火抑制試驗(yàn)驗(yàn)證，以為適用于變壓器油火的泡沫滅火劑優(yōu)選提供理論依據(jù)。

1 適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)符合通用評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，包括性能準(zhǔn)則和穩(wěn)定性準(zhǔn)則；基于變壓器油特性和工作環(huán)境制定針對性指標(biāo)，并依據(jù)《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)對評(píng)價(jià)指標(biāo)取值方法進(jìn)行確定。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿分均為1.0分，對未加說明的，各分值間取分參照下式：

分值間取分=

1.1 性能準(zhǔn)則

性能準(zhǔn)則包括滅火時(shí)間、90%控火時(shí)間、油面鋪展速度、抗復(fù)燃時(shí)間和油面黏附能力。

(1) 滅火時(shí)間：參照泡沫滅火劑滅火性能等級(jí)表，Ⅰ級(jí)取1.0分，Ⅱ級(jí)取0.8分，Ⅲ級(jí)取0.6分，各等級(jí)之間分A、B、C、D，分值間隔根據(jù)A、B、C、D等分取值。

(2) 90%控火時(shí)間：對于內(nèi)徑為2.4 m的變壓器油盤，從施加泡沫滅火劑到火焰撲滅90%所花費(fèi)的時(shí)間為30 s取1.0分，時(shí)間為90 s取0.8分，時(shí)間為150 s取0.6分。

(3) 油面鋪展速度：針對直徑2.5 m的燃燒變壓器油液面，泡沫鋪滿液面的時(shí)間為2 min取1.0分，時(shí)間為7 min取0.8分，時(shí)間為13 min取0.6分，時(shí)間為18 min取0分。

(4) 抗復(fù)燃時(shí)間：將內(nèi)徑0.3 m和0.4 m的變壓器油盤疊放，在內(nèi)、外油盤中均加入變壓器油，其中外油盤油面覆蓋泡沫滅火劑，點(diǎn)燃外油盤記錄內(nèi)油盤油面的引燃時(shí)間，時(shí)間為15 min取1.0分，時(shí)間為10 min取0.8分，時(shí)間為5 min取0.6分，時(shí)間為2 min取0分。

(5) 油面黏附能力：室溫條件下，針對0.2 m高的垂直變壓器油面，泡沫下降至底端的時(shí)間為20 s取1.0分，時(shí)間為15 s取0.8分，時(shí)間為10 s取0.6分，時(shí)間為5 s取0分。

1.2 穩(wěn)定性準(zhǔn)則

穩(wěn)定性準(zhǔn)則包括熱油面泡沫存在時(shí)間、抗變壓器油污染能力和泡沫液耐久性。

(1) 熱油面泡沫存在時(shí)間：將泡沫置于溫度為88℃、直徑為4 cm的變壓器油面，記錄泡沫完全消失所需的時(shí)間，泡沫存在時(shí)間為250 min取1.0分，時(shí)間為180 min取0.8分，時(shí)間為90 min取0.6分，時(shí)間為30 min取0分。

(2) 抗變壓器油污染能力：令泡沫穿過0.5 m厚的變壓器油層，根據(jù)試驗(yàn)前后泡沫重量的變化計(jì)算含油率，含油率為5%取1.0分，含油率為8%取0.8分，含油率為12%取0.6分，含油率為15%取0分。

(3) 泡沫液耐久性：對密封后的泡沫滅火劑進(jìn)行720 h高低溫老化試驗(yàn)，根據(jù)《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)標(biāo)準(zhǔn)對其發(fā)泡倍數(shù)進(jìn)行測定，泡沫滅火劑發(fā)泡倍數(shù)下降程度為2%取1.0分，下降程度為10%取0.8分，下降程度為15%取0.6分，下降程度為20%取0分。

2 模糊熵權(quán)法理論基礎(chǔ)

2.1 熵權(quán)法原理

(1)

其中，

m

和

n

分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)和樣本的數(shù)量。

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)值的量綱不同，不同指標(biāo)數(shù)量級(jí)間存在差異，為了消除不同量綱產(chǎn)生的不可公度性，需要對評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體處理方法如下：

對于收益型評(píng)價(jià)指標(biāo)，有：

(2)

對于成本型評(píng)價(jià)指標(biāo)，有：

(3)

然后，計(jì)算第

i

項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第

j

個(gè)對象指標(biāo)值的比重

P

：

(4)

通過對數(shù)得到第

i

個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值

S

為

(5)

式中：常數(shù)

k

與樣本數(shù)

n

有關(guān)，定義

k

=1

/

ln

n

，且0 ≤

S

≤ 1，并規(guī)定當(dāng)

P

=0時(shí)，

P

·ln

P

=0。

最后，按下式計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

(6)

2. 2 模糊綜合評(píng)價(jià)法原理

模糊綜合評(píng)價(jià)法屬于模糊數(shù)學(xué)的一種方法，該方法能根據(jù)樣本隸屬度對復(fù)雜定性問題進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，具體步驟如下：

(1) 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣：因素集

U

={

U

,

U

,…,

U

,…,

U

}為評(píng)價(jià)樣本的集合，評(píng)價(jià)集

V

={

V

,

V

,…,

V

}為對應(yīng)于各樣本指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。設(shè)有

n

個(gè)評(píng)價(jià)樣本，各評(píng)價(jià)樣本有

m

個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則可建立模糊評(píng)價(jià)矩陣如下：

(7)

(2) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量：各評(píng)價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重向量為=(

w

,

w

,…,

w

)，用來表征不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，常用的確定方法有專家調(diào)查法和層次分析法等。(3) 評(píng)價(jià)結(jié)果的求解：利用合成模糊評(píng)價(jià)矩陣和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量，可得到評(píng)價(jià)結(jié)果向量，常用的合成方法為最大隸屬度原則，但當(dāng)誤差較大時(shí)，也可采用平均加權(quán)隸屬度原則。具體計(jì)算公式如下：=·

(8)

2.3 模糊熵權(quán)法的特點(diǎn)

模糊熵權(quán)法是基于模糊綜合評(píng)價(jià)與熵權(quán)法原理的綜合應(yīng)用，其在原模型的基礎(chǔ)上充分考慮了兩者的評(píng)價(jià)優(yōu)勢。由于模糊綜合評(píng)價(jià)中權(quán)重向量的確定受主觀因素的影響較大，其最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差；而熵權(quán)法確定權(quán)重則是基于評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的量化取值，通過計(jì)算不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的離散程度對客觀權(quán)重進(jìn)行求解，其不受個(gè)人因素的影響。因此，模糊綜合評(píng)價(jià)與熵權(quán)法的有機(jī)結(jié)合在一定程度上能夠克服傳統(tǒng)評(píng)價(jià)過程中的主觀定性缺點(diǎn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)

通過調(diào)研常用泡沫滅火劑的應(yīng)用環(huán)境和油類火災(zāi)特征，從中選取10種比較有代表性的泡沫滅火劑作為評(píng)價(jià)樣本，分別編號(hào)為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集

C

={

C

,

C

,…,

C

}種對應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1，本文利用德爾菲法并參照本文的取值標(biāo)準(zhǔn)對各種泡沫滅火劑的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到10種泡沫滅火劑各評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)見表2，其對應(yīng)的原始決策矩陣如下：

表1 適用于變壓器油火的泡沫滅火劑評(píng)價(jià)指標(biāo)代號(hào)和名稱Table 1 Evaluation indicators and codes of foam fire extinguishing agent suitable for transformer oil fire

表2 10種泡沫滅火劑各評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)Table 2 Original data of the evaluation indexes for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

根據(jù)公式(2)對原始決策矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣為

根據(jù)公式(4)～(6),可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，見表3。

表3 10種泡沫滅火劑各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table 3 Evaluation index weight for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

各評(píng)價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重向量為

=(0

.

089 5,0

.

183 1,0

.

117 3,0

.

174 1,0

.

107 1,0

.

147 7,0

.

098 3,0

.

082 9)根據(jù)公式(8)對模糊評(píng)價(jià)矩陣(即標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣)和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量求解，可得到10種泡沫滅火劑對變壓器油火的滅火性能評(píng)價(jià)得分為=·=(0

.

693 4,0

.

703 8,0

.

697 6,0

.

699 4,0

.

718 7,0

.

728 0,0

.

738 6,0

.

735 2,0

.

716 1,0

.

727 4)

由評(píng)價(jià)得分可知，10種泡沫滅火劑對變壓器油火的滅火性能從高到低為G>H>F>J>E>I>B>D>C>A，即G為最適合抑制變壓器油火的泡沫滅火劑。

3.2 變壓器油火抑制試驗(yàn)驗(yàn)證

基于《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)，開展了泡沫滅火器對變壓器油火的抑制試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

(1) 試驗(yàn)準(zhǔn)備。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配置規(guī)格為120 L的泡沫儲(chǔ)罐和工作壓力為0.75 MPa的空壓機(jī)，將其連接作為泡沫滅火劑的動(dòng)力系統(tǒng)。參照最佳配比(水∶原液=97∶3)得到泡沫滅火劑溶液。

(2) 參數(shù)校正。令動(dòng)力系統(tǒng)的輸出壓力恒為0.75 MPa，通過測量單位時(shí)間噴出的泡沫液體積標(biāo)定噴槍流量為11.4 L/min。為了保護(hù)油盤結(jié)構(gòu)，使油盤下部為水，上部覆蓋有3 cm厚的昆侖25號(hào)變壓器油，油層厚度由同一位置的液面差測得。

(3) 變壓器油火抑制。各組試驗(yàn)均由等量汽油引燃，為了使變壓器油充分燃燒，控制其引燃時(shí)間為30 s，然后施加泡沫滅火劑并記錄抑制時(shí)間與試驗(yàn)現(xiàn)象。

優(yōu)選滅火性能評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)得分分值波動(dòng)特征明顯且指標(biāo)代表性較強(qiáng)的5種泡沫滅火劑(G、H、F、J、E)為研究對象，使其在同等條件下進(jìn)行變壓器油火抑制試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 5種泡沫滅火劑對變壓器油火滅火性能驗(yàn)證Fig.1 Fire extinguishing performance of five kinds of foam extinguishing agents suitable for transformer oil fire

由圖1可見，泡沫滅火劑G對變壓器油火的滅火性能較好，泡沫滅火劑E的滅火性能一般。

通過分析試驗(yàn)現(xiàn)象可知，變壓器油火的控制過程主要包括初期火焰抑制和中、后期殘火覆蓋兩個(gè)階段。其中，初期火焰抑制階段的抑制效率取決于泡沫滅火劑的性能準(zhǔn)則；中、后期殘火覆蓋階段的抑制效率則與泡沫滅火劑的穩(wěn)定性準(zhǔn)則有關(guān)。在油火撲滅初期，滅火劑的泡沫生成量較少，油面覆蓋面積不足，對火勢的控制主要依靠泡沫滅火劑的降溫作用與化學(xué)反應(yīng)；在油火中、后期，隨著泡沫的油面覆蓋率逐漸增加，余火在泡沫的隔氧、降溫作用下熄滅。由圖1可見，泡沫滅火劑G、H、F、J均能在其接觸火焰的40 s內(nèi)抑制火勢發(fā)展，導(dǎo)致其性能差異的原因?yàn)闅埢鸶采w階段所花費(fèi)的時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)場的熱電偶測溫?cái)?shù)據(jù)可知，殘火覆蓋階段的變壓器油溫度可超過600℃，此時(shí)泡沫滅火劑熱穩(wěn)定性、抗污染能力等指標(biāo)成為決定該階段抑制效率的重要因素。泡沫滅火劑E在殘火覆蓋階段的抑制效率與其他泡沫滅火劑相差不大，說明其穩(wěn)定性準(zhǔn)則能夠滿足變壓器油火的抑制要求，但該泡沫滅火劑在火焰抑制階段的抑制效率一般，有必要對其性能準(zhǔn)則指標(biāo)做進(jìn)一步改進(jìn)。

5種泡沫滅火劑對變壓器油火的適用性評(píng)價(jià)結(jié)果與變壓器油火抑制試驗(yàn)結(jié)果的對比，見圖2。

圖2 利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對變壓器油火滅火性能評(píng)價(jià) 結(jié)果與變壓器油火抑制試驗(yàn)結(jié)果的對比Fig.2 Comparison between the evaluation results of transformer oil fire extingwishing performance and transformer oil fire suppression test result evaluation index system

由圖2可見，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對變壓器油火滅火性能的評(píng)價(jià)結(jié)果與變壓器油火抑制試驗(yàn)結(jié)果的一致性較高，參照各種泡沫滅火劑的滅火性能評(píng)價(jià)結(jié)果能有效篩選出對變壓器油火滅火性能較好的泡沫滅火劑為G，且根據(jù)評(píng)價(jià)得分分值差可知泡沫滅火劑E的滅火性能相對一般。

4 結(jié) 論

(1) 考慮到現(xiàn)有的適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的不足，本文建立了一種適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)體系主要包括2個(gè)方面、8個(gè)指標(biāo)，滿足抑制變壓器油火火災(zāi)的各項(xiàng)要求，且大部分評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化是基于現(xiàn)有文獻(xiàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可靠性較高。

(2) 以該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，采用模糊熵權(quán)法對10種泡沫滅火劑的變壓器油火滅火性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并從中優(yōu)選出滅火性能較好的5種泡沫滅火劑進(jìn)行了變壓器油火抑制試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果與變壓器油火抑制試驗(yàn)結(jié)果的一致性較高，故根據(jù)各種泡沫滅火性能的評(píng)價(jià)結(jié)果可篩選出對變壓器油火滅火性能較好的泡沫滅火劑，說明該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對泡沫滅火劑的篩選具有一定的參考價(jià)值。