變壓器集油池不同鋪設(shè)方式的卵石層對(duì)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(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.國(guó)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(lái)，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(duì)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(jìn)一步強(qiáng)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(shí)，變壓器集油池卵石層對(duì)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(huì)擴(kuò)大著火面積。雖然文獻(xiàn)[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(duì)集油池卵石層鋪設(shè)方式進(jìn)行要求。本文試驗(yàn)研究了集油池內(nèi)卵石層不同鋪設(shè)方式對(duì)變壓器故障起火后的隔火能力以及水噴淋對(duì)火勢(shì)的抑制效果[7-9]，試驗(yàn)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(duì)隔火能力影響試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

變壓器基礎(chǔ)、集油池、排油管道及事故集油井試驗(yàn)場(chǎng)地依據(jù)文獻(xiàn)[5-7]中要求的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)。變壓器集油池長(zhǎng)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(yàn)過(guò)程中通過(guò)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(tái)消防車，每輛消防車儲(chǔ)液容量為10 kL，并配2支水槍，每支水槍流量為10 L/s)，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)備布置見圖2。

1.2 模擬變壓器燃燒試驗(yàn)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(gè)尺寸為2 m×1 m×0.2 m的油槽，通過(guò)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(zhǎng)度為1 m的流油豁口，試驗(yàn)過(guò)程中在油槽上方設(shè)置棉絮引燃變壓器油。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

圖2 試驗(yàn)設(shè)備布置

為模擬變壓器燃燒過(guò)程中油枕中油流入本體并通過(guò)套管升高座溢出，采用10 t油罐模擬變壓器油枕，通過(guò)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(shí)變壓器燃燒過(guò)程。

為模擬變壓器燃燒后水噴淋系統(tǒng)對(duì)火勢(shì)的抑制效果，在集油池一側(cè)(正對(duì)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(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)消防車水槍向油池內(nèi)卵石層噴水。為觀察火勢(shì)及油流動(dòng)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(tái)攝像機(jī)，安裝位置見圖3。

圖3 卵石層架空空間內(nèi)攝像機(jī)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?jī)煞N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(jìn)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(yàn)過(guò)程

2.1 架空鋪設(shè)的卵石層隔火能力試驗(yàn)

1)人工手動(dòng)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(jìn)行固定，防止試驗(yàn)時(shí)油罐擺動(dòng)。攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)模擬變壓器著火后的落火點(diǎn)全程記錄試驗(yàn)過(guò)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(diǎn)燃油槽中注入的汽油(實(shí)測(cè)2 min后若繼續(xù)著火，且冒黑煙即可確認(rèn)變壓器油已引燃)，通過(guò)汽油引燃變壓器油。

3)待油槽表面火勢(shì)足夠大時(shí)(現(xiàn)場(chǎng)觀察判斷，點(diǎn)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(shí)計(jì)時(shí)，每隔30 s記錄一次流量(串接在輸油管路中的流量表)，同時(shí)觀察記錄油槽開口處溢出并流入變壓器油池過(guò)程中卵石層上部和卵石層下部火勢(shì)變化情況。

4)在確認(rèn)卵石層底部著火相對(duì)嚴(yán)重的情況下，啟動(dòng)水噴淋對(duì)落火點(diǎn)卵石層進(jìn)行滅火，同時(shí)啟動(dòng)消防車水對(duì)集油池底部進(jìn)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(shì)及油池底部火勢(shì)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(yàn)

按照上述過(guò)程點(diǎn)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(shí)卵石層隔火能力試驗(yàn)。開啟水噴淋，對(duì)落火點(diǎn)卵石層進(jìn)行適當(dāng)滅火，觀察卵石層火勢(shì)情況。

觀察卵石層表面火勢(shì)穩(wěn)定后，啟動(dòng)消防車(4支水槍)向集油池內(nèi)補(bǔ)水(模擬大量油水混合物流入集油池)，補(bǔ)水時(shí)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(bǔ)水后集油池內(nèi)火勢(shì)變化情況。試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉輸油管路中DN60管徑球閥使用消防車進(jìn)行滅火。

2.3 試驗(yàn)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(yàn)

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(yàn)開始3 min后卵石層下方架空層出現(xiàn)明火，火勢(shì)較小，見圖6。

試驗(yàn)開始10 min后油池底部火勢(shì)隨油流延伸至排油管處，集油池卵石層表面火勢(shì)擴(kuò)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(shì)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)

(a)卵石層上層火勢(shì)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)

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

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

(a)卵石層上層火勢(shì)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)

卵石層架空時(shí)，水噴淋未啟動(dòng)，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(shì)較??；架空層內(nèi)火未穿越25 cm卵石層上，未進(jìn)一步擴(kuò)大火勢(shì)。架空層內(nèi)火勢(shì)隨油流延伸至排油管口處，排油管內(nèi)無(wú)明火，集油池架空層火勢(shì)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(yàn)

燃燒變壓器落入油池后，落油區(qū)域卵石層表面起火，此時(shí)啟動(dòng)水噴淋，并利用消防車水槍對(duì)油池進(jìn)行補(bǔ)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(duì)火勢(shì)影響)。試驗(yàn)開始3 min后卵石層下方架空層起火，且火勢(shì)很快隨油流延伸至排油口，卵石層上下空間火勢(shì)均不斷擴(kuò)大(燃燒變壓器油隨油流流動(dòng)形成流淌火，擴(kuò)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(dòng)擴(kuò)大了著火區(qū)域。

(a)集油池卵石層表面火勢(shì)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)

試驗(yàn)開始7 min后火勢(shì)較大，避免引起試驗(yàn)場(chǎng)坍塌，將消防車水槍對(duì)卵石層燃燒區(qū)域降溫、滅火，見圖10。試驗(yàn)開始9 min后，隨著3支消防水槍對(duì)燃燒區(qū)域卵石層不斷降溫，水霧隔絕空氣抑制火勢(shì)擴(kuò)大。

(a)集油池卵石層表面火勢(shì)(7 min)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)(7 min)

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

(a)卵石層下架空層火勢(shì)(15 min)

(b)卵石層下架空層火勢(shì)(19 min)

卵石層架空，水噴淋啟動(dòng)與水噴淋不啟動(dòng)相比，集油池內(nèi)卵石層上下表面火勢(shì)變化受水噴淋，水霧隔絕了空氣而抑制了火勢(shì)擴(kuò)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(yàn)

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(shí)啟動(dòng)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(duì)油池進(jìn)行補(bǔ)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(duì)火勢(shì)影響)。試驗(yàn)開始8 min后，由于持續(xù)補(bǔ)水卵石層表面積水，火勢(shì)隨積水?dāng)U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(shì)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(dòng)同時(shí)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(guò)集油池卵石層表面時(shí)，油火落入油池后火勢(shì)會(huì)迅速蔓延至周邊區(qū)域，且形成油火，火勢(shì)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(shì)擴(kuò)大

(b)10 min后集油池內(nèi)火勢(shì)

3 試驗(yàn)結(jié)論

卵石層架空時(shí)，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(shì)較??；架空層火未穿越25 cm卵石層上，未擴(kuò)大火勢(shì)。

卵石層架空時(shí)，水噴淋對(duì)集油池表面火勢(shì)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(guò)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(kuò)大火勢(shì)。卵石層架空方案可快速排油、排水，油火經(jīng)卵石層后進(jìn)行冷卻和隔離對(duì)火勢(shì)有抑制作用，因此，對(duì)在運(yùn)工程建議變壓器集油池卵石層采用架空鋪設(shè)方式，同時(shí)在變壓器周圍架設(shè)水噴淋增強(qiáng)消防能力。