卵石層的不同鋪設(shè)方式對(duì)變壓器集油池的排泄能力影響研究

劉威峰，王博，閆振華，馬云龍，周秀，丁培

（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）

0 引言

天山換流站“4·7”、宜賓換流站“6·2”火災(zāi)事故中油浸式變壓器套管或箱體爆裂后燃燒的變壓器油流淌，火勢(shì)無(wú)法及時(shí)控制，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為減小油浸式變壓器套管炸裂引起的電氣火災(zāi)事故危害，變電站大型充油設(shè)備（以油浸式變壓器和油浸式電抗器為主）集油池鋪設(shè)卵石層、油浸式變壓器安裝消防噴淋頭、站地消防聯(lián)動(dòng)等措施，進(jìn)一步強(qiáng)化了變電站電氣設(shè)備消防滅火能力[1-4]。集油池卵石層對(duì)油浸式設(shè)備火勢(shì)有一定抑制作用，同時(shí)對(duì)油水混合物流向事故油井有一定阻礙作用，甚至油水混合物溢出集油池在變壓器周邊形成流淌火，引起更嚴(yán)重火災(zāi)[5-7]。相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]對(duì)卵石層鋪設(shè)的厚度和卵石大小提出標(biāo)準(zhǔn)化要求，但未要求鋪設(shè)方式，故不同設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的變電站集油池卵石層鋪設(shè)方式不同。本文通過(guò)試驗(yàn)研究集油池內(nèi)卵石層的不同鋪設(shè)方式對(duì)變壓器集油池排泄能力的影響，為油浸式變壓器集油池卵石層鋪設(shè)方式、排泄能力設(shè)計(jì)以及電氣火災(zāi)救火方式提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 集油池內(nèi)卵石層對(duì)排泄能力影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地的110 kV變壓器基礎(chǔ)、集油池、排油管道及事故集油井根據(jù)GB50059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10 m×7 m×0?75 m（長(zhǎng)×寬×高），事故集井采用20 m3油罐代替。變壓器集油池至事故油井排油管直徑為200 mm，坡度5%，最大排量為23 L/s。試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

圖2 試驗(yàn)設(shè)備布置

1.2 集油池排泄能力試驗(yàn)裝置

在110 kV變壓器集油池基坑架設(shè)燃燒油槽和水噴霧系統(tǒng)模擬實(shí)際變壓器情況，集油池內(nèi)鋪設(shè)卵石。為觀察卵石層架空鋪設(shè)時(shí)，變壓器油在卵石層下方架空層，在集油池側(cè)壁及排油管（距出口3 m）內(nèi)部等不同位置安裝6臺(tái)攝像機(jī)，安裝位置如圖3所示。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并配兩支水槍，每支水槍流量為10 L/s）。

圖3 架空層及排油管內(nèi)攝像機(jī)布置位置

1.3 集油池卵石層不同鋪設(shè)方式

集油池卵石層常見(jiàn)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方案。

①卵石層架空鋪設(shè)方案。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）。

②卵石層鋪至池底鋪設(shè)方案。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25cm[10]。

為防止卵石層進(jìn)入排油管道，同時(shí)方便兩種鋪設(shè)方式的轉(zhuǎn)換，在排油口處設(shè)置格柵。

2 集油池排泄能力試驗(yàn)過(guò)程

2.1 架空鋪設(shè)的卵石層排泄能力試驗(yàn)

油槽中，點(diǎn)燃浸汽油的棉紗引燃y油槽變壓器油（離油槽上沿1 cm）。待油槽表面火勢(shì)足夠大時(shí)，打開(kāi)輸油管路閥門(mén)向油罐內(nèi)油槽注入變壓器油。打開(kāi)輸油管路閥門(mén)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔30 s記錄一次流量（串接在輸油管路中流量表），同時(shí)觀察油槽內(nèi)燃燒油溢出后卵石層表面和卵石層下部空間火勢(shì)變化情況。啟動(dòng)消防車和水噴霧系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)變壓器進(jìn)行滅火，控制消防水泵流量在40 L/s持續(xù)噴水，觀察記錄變壓器火勢(shì)及油池底部火勢(shì)情況，排泄是否通暢，是否有水溢出至集油池周圍地面。集油池底部排油管為鋼管DN200管徑，坡度5%，流量23 L/s，4支水槍流量為40 L/s。

2.2 鋪至池底的卵石層燃燒過(guò)程中排泄能力試驗(yàn)

再次點(diǎn)燃油槽中變壓器油，待油槽表面火勢(shì)足夠大時(shí)（點(diǎn)火約3 min后），打開(kāi)輸油管路閥門(mén)向油罐內(nèi)油槽注入變壓器油。待卵石層表面火勢(shì)穩(wěn)定后，啟動(dòng)消防車向集油池內(nèi)補(bǔ)水。觀察消防車補(bǔ)水后集油池內(nèi)火勢(shì)變化情況及集油池排泄量。

2.3 鋪至池底的卵石層排泄能力試驗(yàn)

在變壓器集油池中用油氈布將排泄口密封，使集油池內(nèi)水面沒(méi)過(guò)卵石層約5 cm。拔除覆蓋著集油池排泄口處的油氈，排出集油池內(nèi)水，同時(shí)使用超聲波流量測(cè)量排油管道的排泄速度和排泄量。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 架空鋪設(shè)的卵石層的排泄現(xiàn)象及分析

試驗(yàn)開(kāi)始3 min后，燃燒變壓器油落入集油池后，卵石層表面火勢(shì)擴(kuò)大且卵石層下方架空層火勢(shì)較大；啟動(dòng)水噴霧和消防車水槍對(duì)集油池火勢(shì)進(jìn)行壓制，火勢(shì)很快隨油流延伸至排油口（見(jiàn)圖4）。7 min后兩輛消防車水槍對(duì)燃燒區(qū)域卵石層滅火（4支水槍注水量速度大于排水速度），產(chǎn)生大量水霧抑制火勢(shì)且架空層積水升高（見(jiàn)圖5）。15 min后卵石層下方架空層火勢(shì)將近熄滅且卵石層下部空間積水保持不變（見(jiàn)圖6）。試驗(yàn)過(guò)程中排油管最大水位約為管徑1/2，且整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程集油池內(nèi)架空卵石層底部積水水位未持續(xù)上升；油水混合物快速通過(guò)卵石層隔離油火，未見(jiàn)卵石層上表面和下部池底火勢(shì)擴(kuò)大。卵石層下層無(wú)大量積水，排泄暢通。

圖4 試驗(yàn)3 min集油池內(nèi)火勢(shì)變化

圖5 試驗(yàn)7 min集油池內(nèi)火勢(shì)變化

圖6 試驗(yàn)15 min架空卵石層下火勢(shì)及積水情況

3.2 鋪至池底的卵石層排泄能力分析

3?2?1 燃燒試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)3 min后，燃燒變壓器油落入集油池后，卵石層表面火勢(shì)擴(kuò)大且卵石層下方架空層起火火勢(shì)較大；啟動(dòng)水噴霧和消防車水槍對(duì)集油池進(jìn)行補(bǔ)水（注水量大于40 L/s超過(guò)集油池的排泄能力）。試驗(yàn)持續(xù)注水8 min后卵石層表面積水，火勢(shì)隨積水?dāng)U大，排油管水位穩(wěn)定升高至1/2處（見(jiàn)圖7）。試驗(yàn)開(kāi)始10 min后，火勢(shì)隨卵石表面水位升高并擴(kuò)散至整個(gè)集油池卵石層面（見(jiàn)圖8），排油管內(nèi)水位保持在高位。鋪至池底的卵石層對(duì)集油池排泄有一定阻礙能力。

圖7 試驗(yàn)8 min集油池內(nèi)情況

圖8 試驗(yàn)10 min集油池卵石層表面火勢(shì)

3?2?2 集油池水量測(cè)算

打開(kāi)集油池排油口，1 min后排油管內(nèi)水位約為1/3排油管直徑；試驗(yàn)開(kāi)始3 min后靠近集油池排油口側(cè)卵石層表面已無(wú)積水，遠(yuǎn)離排油口卵石層表面有少量積水，排油管水位保持最高（見(jiàn)圖9）。試驗(yàn)9 min后卵石層表面無(wú)積水，排油管水位持續(xù)下降至管徑1/6處，挖開(kāi)遠(yuǎn)離排油口對(duì)角側(cè)卵石層發(fā)現(xiàn)仍有油水混合物（見(jiàn)圖9（c）），說(shuō)明卵石層對(duì)集油池排油有一定阻礙作用。試驗(yàn)16 min后排油管內(nèi)幾乎無(wú)水流（見(jiàn)圖9（d））。

圖9 集油池卵石層鋪至池底排水情況

超聲波流量計(jì)測(cè)量得知總排泄量為7?57 m3；其中卵石層表面5 cm水量約為3?62 m3，25 cm厚度卵石層存水量約3?95 m3。排油管的平均排泄速度約為0?47 m3/min。試驗(yàn)可知，卵石層鋪設(shè)至池底卵石層對(duì)集油池的排泄有很強(qiáng)的阻礙作用，不利于快速排泄。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究可知，卵石層架空鋪設(shè)時(shí)，在卵石層表面水噴霧和消防水注入透過(guò)卵石層落入集油池，架空卵石層的集油池排泄暢通（注入水40 L/s大于排泄能力），未見(jiàn)水位上升。卵石層架空鋪設(shè)的集油池可快速排泄油水混合物，對(duì)火勢(shì)有抑制作用，卵石層直接鋪至集油池底部時(shí)，卵石層增大了水流至排泄管的阻力，排泄速度相對(duì)遲緩，且注入集油池的水快速淹沒(méi)卵石層后，集油池內(nèi)火勢(shì)會(huì)迅速蔓延至周邊區(qū)域形成流淌火，水面高于卵石層表面時(shí)，引起著火范圍擴(kuò)大，卵石層隔火能力失效。

建議建設(shè)和設(shè)計(jì)油浸式變壓器、大型充油設(shè)備集油池時(shí)，為提升集油池排泄能力，集油池卵石層采用加格柵架空鋪設(shè)方式，且后期應(yīng)經(jīng)常檢查集油池排泄口和排泄管避免堵塞。若遇到充油設(shè)備起火，滅火油水混合物流量超過(guò)集油池排泄能力時(shí)，應(yīng)關(guān)注集油池內(nèi)火勢(shì)蔓延，避免蔓延至集油池外擴(kuò)大火勢(shì)。