楊黎明，李葉森，艾 心，楊之圣，夏海云

(中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133)

電網(wǎng)中運行的大型電力變壓器一般為油浸式電力變壓器，構(gòu)成的原材料包括變壓器油、絕緣紙、木質(zhì)墊塊或壓板等。盡管變壓器發(fā)生火災(zāi)的概率較低，但一旦因某種原因起火，往往意味著變壓器損壞，甚至引起鄰近的變壓器或其它電氣設(shè)備損壞，對廠站造成嚴重的破壞，影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。圖1為某變壓器火災(zāi)照片。

圖1 某變壓器火災(zāi)照片

變壓器著火時危險性較大，需要正確采取措施進行處理，才能將危險和損失降到最小。按照國家標準，油浸式變壓器均需要配置事故排油池。事故油池可以貯存變壓器漏油、排油，回收污油，防止油進入河流、水庫污然水體。但能否在火災(zāi)時進行排油到事故油池，國內(nèi)技術(shù)標準DL 5027-2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》、DL/T 572-2010《電力變壓器運行規(guī)程》等沒有明確規(guī)定。而與之近似的汽輪機油系統(tǒng)火災(zāi)處理中，DL 5027-2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》明確規(guī)定要打開事故排油門進行排油。

國內(nèi)各廠站的規(guī)定也不相同。有的廠站在設(shè)計、安裝時也沒有考慮火災(zāi)中的排油問題，變壓器事故排油閥安裝位置緊靠變壓器，在變壓器著火時人員無法靠近事故排油閥操作排油。從近幾年的一些案例上看，油浸式變壓器著火時是沒有進行事故排油的，變壓器油燃燒長達數(shù)小時甚至10多小時[2]，風險較大難以控制。

本文旨在分析油浸式變壓器著火的燃燒問題，分析事故排油的安全問題和變壓器火災(zāi)正確處理流程，為相關(guān)廠站和設(shè)計單位提供參考。

1 變壓器油的燃燒形式

為了加強絕緣和改善冷卻散熱條件，油浸式變壓器將鐵芯和繞組一起浸入灌滿了絕緣油的油箱中。變壓器油一般是礦物絕緣油，密度比水小，約890 kg/m3。變壓器油的沸點為220℃左右，不易揮發(fā)，閉杯閃點高于135℃[3]，高于易燃物標準值60℃[4]，變壓器油屬于可燃物，但不是易燃、易爆物，在空氣中可持續(xù)穩(wěn)定的燃燒。

液體的燃燒有兩種形式，一是液體受熱蒸發(fā)成氣體，與空氣混合后形成可燃混合氣后燃燒，二是液體受熱分解成可燃氣體，與空氣混合后形成可燃混合氣體燃燒。變壓器油的燃燒是第二種，即受熱后分解成可燃氣體后燃燒。在熱和電的作用下，變壓器油會分解產(chǎn)生氫氣和低分子烴類(甲烷、乙烯、乙炔、乙烷)混合氣體，在變壓器中紙等纖維絕緣固體材料會分解出一氧化碳、二氧化碳。變壓器油分解產(chǎn)生的氣體數(shù)量、成份比例、速度主要取決于故障點能量釋放形式與故障點嚴重程度。低分子烴類氣體屬于易燃易爆品，變壓器油分解的易燃氣體中，純乙炔的燃點最低，常壓下為406～440℃。但是，當易燃氣體與空氣混合時，燃點會發(fā)生改變，且與壓力相關(guān)，可能會遠低于純物質(zhì)的著火點。當混合氣體遇到明火或者溫度瞬間升高達到了混合氣體的最小著火能量，就會發(fā)生燃燒與爆炸。

2 變壓器的著火和爆炸的過程

燃燒的三要素為燃料、空氣和溫度，這三要素中只要一個不滿足，燃燒就不可能發(fā)生。在正常情況下，油浸變壓器內(nèi)部與空氣隔絕，并且正常運行時溫度一般小于105℃，所以不會燃燒，即使在故障情況下產(chǎn)生氫氣和烴類氣體，溫度超過燃點也不會燃燒。變壓器燃燒主要是從變壓器噴出的油氣在空氣中的被引燃，引起變壓器油及其他物質(zhì)的持續(xù)燃燒。

當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴重過載、短路、絕緣損壞等故障時，絕緣油受到高溫或電弧作用，受熱分解產(chǎn)生大量烴類混合氣體，使變壓器內(nèi)部的壓力急劇上升，導(dǎo)致變壓器安全閥動作或油箱的結(jié)構(gòu)破壞，即初級變壓器爆炸。初級變壓器爆炸后，絕緣油、混合氣體和油霧通過安全閥或變壓器油箱破裂口向外猛烈釋放，泄漏的熱解產(chǎn)物混合氣體和油霧與空氣混合后遇到溫度高于燃點的物體，比如明火、電火花、電弧、摩擦過熱物體，混合氣體被點燃，就會發(fā)生二次爆炸。

然而在一些高壓易燃氣體泄漏現(xiàn)象相關(guān)的火災(zāi)事故中，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的火源。根據(jù)其他研究者的研究與實驗，普遍認為，當高壓易燃氣體被釋放到周圍的空氣中時，會有一定的概率產(chǎn)生一個瞬態(tài)激波。周圍的空氣會被產(chǎn)生的激波劇烈壓縮，從而溫度會劇烈上升，當接觸區(qū)域的易燃氣體和空氣混合物的溫度上升的足夠快時，混合氣體就有一定的概率發(fā)生自燃，自燃會最終過渡成湍流擴散燃燒[5]。

3 變壓器事故油池

關(guān)于變壓器事故油池，國家、行業(yè)技術(shù)標準對其做了相應(yīng)要求[6-9]：

1)油浸式變壓器及其它充油電氣設(shè)備單臺油量在1 000 kg以上時，應(yīng)設(shè)置貯油坑及事故油池。

2)貯油坑容積應(yīng)按貯存單臺設(shè)備100%的油量確定。當貯油坑底設(shè)有排油管，能將油安全排至總事故油池時，其容積可按20%的油量確定。排油管的內(nèi)徑不應(yīng)小于150 mm，管口應(yīng)加裝鐵柵濾網(wǎng)。

3)貯油坑內(nèi)應(yīng)鋪設(shè)卵石層，其厚度不宜小于250 mm，卵石粒徑為50～80 mm。應(yīng)定期檢查和清理，以不被淤泥、灰渣及積土所堵塞。

貯存100%設(shè)備油量的貯油坑上部宜裝設(shè)柵格，其凈距不大于40 mm，并在其上鋪設(shè)卵石層。

4)總事故油池的容積按最大一臺充油箱的全部油量確定。當設(shè)有固定式水噴霧滅火系統(tǒng)時，總事故油池的容積應(yīng)按貯存最大一臺充油箱油量與其滅火水量之和確定。

5)設(shè)置有帶油水分離措施的總事故油池時，位于地面之上的變壓器對應(yīng)的總事故油池容量應(yīng)按最大一臺變壓器油量的60%確定；位于地面之下的變壓器對應(yīng)的總事故油池容量應(yīng)按最大一臺主變壓器油量的100%確定。

按上述標準規(guī)定，大中型油浸式變壓器均應(yīng)設(shè)置事故油池。但相關(guān)標準中未明確規(guī)定事故油池的使用條件、是否可以用于火災(zāi)時排油。

4 變壓器著火時打開事故排油閥排油的利弊分析

變壓器貯油坑、事故油池布置見圖2，貯油坑位于變壓器下方。變壓器排油時，打開變壓器排油管控制閥，變壓器內(nèi)的油通過變壓器排油管排到貯油坑，再通過貯油坑排油管自流進事故油池。

圖2 變壓器貯油坑、事故油池結(jié)構(gòu)圖

變壓器著火時，在滅火裝置不啟動情況下，要確定能否排油，需要考慮以下三個問題：

1)變壓器噴出的油在卵石上表面燃燒時，會不會點燃變壓器排到貯油坑的油。

2)排到卵石之上的油點燃后能不能持續(xù)燃燒?？扇嘉锏娜紵茄趸饔茫枰谧畹脱鯘舛纫陨线M行，一般氧濃度低于15%時，就不能維持燃燒。因為卵石的隔氧效果，油不能在坑下持續(xù)燃燒，只能是分解的可燃氣體上升到卵石上表面后在空氣中燃燒。燃燒著的油進入貯油坑必然不能在坑內(nèi)燃燒，但初燃時分解的可燃氣體上升到卵石上表面燃燒時產(chǎn)生的熱量對貯油坑內(nèi)油的熱效果能否持續(xù)使其分解產(chǎn)生可燃氣體，維持氣體的燃燒。

3)變壓器著火時排油對變壓器內(nèi)部的危害是不是增大。

上面3個問題任一個問題的答案如果是肯定的，那么排油反而增加了風險。下面分別對這三個問題進行分析。

4.1 油在卵石上表面燃燒時熱力學分析

根據(jù)標準，變壓器下鵝卵石的總厚度為250 mm，平均直徑為60 mm。為了能夠進行熱力學計算，現(xiàn)需要進行如下假設(shè)：

1)燃燒的油附著在鵝卵石表面，且燃燒過程穩(wěn)定，傳熱量不隨時間變化；

2)鵝卵石由于附著燃油，故最表面溫度假設(shè)為燃油的著火點溫度；

3)將總鵝卵石層看成均勻的平板型鵝卵石層與空氣層的組合結(jié)構(gòu)，如圖3所示，因此，可以將該傳熱問題看成一個多層結(jié)構(gòu)的大平板一維傳熱問題。

圖3 鵝卵石層傳熱結(jié)構(gòu)圖

為了獲得傳熱物體溫度場的數(shù)學表達式，必須根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律來建立物體中的溫度場應(yīng)當滿足的變化關(guān)系式，即導(dǎo)熱微分方程。

下面從導(dǎo)熱物體中任意取出一個微元平行六面體來做該微元體能量收支平衡的分析。設(shè)物體中有內(nèi)熱源，其值為Φ，它代表單位時間內(nèi)單位體積重物體產(chǎn)生或消耗的熱能。

與空間任一點的熱流密度矢量可以分解為三個坐標方向的分量一樣，任一方向的熱流量也可以分解成x、y、z坐標軸方向的分熱流量，如圖4中Φx，Φy及Φz所示。通過x=x，y=y，z=z三個微元表面導(dǎo)入微元體的熱流量可根據(jù)傅里葉定律寫出為：

圖4 微元體的導(dǎo)熱平衡方程

(1)

式中，(Φx)x表示熱流量在x方向上的分量(Φx)在x點的值，其余類推。通過x=x+dx、y=y+dy、z=z+dz三個表面而導(dǎo)出微元體的熱流量亦可按傅里葉定律寫出如下：

(2)

對于微元體，按照能量守恒定律，在任意時間間隔內(nèi)有以下熱平衡關(guān)系：

導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源的生成熱=導(dǎo)出微元體的總熱流量+微元體內(nèi)能增量

(3)

而在該過程中，為一維大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，因此導(dǎo)熱微分方程可簡化為[10]

(4)

其中，q為熱流密度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；δ為厚度；Δt為溫差。

多層結(jié)構(gòu)的大平板，可以將每一層結(jié)構(gòu)看成一個熱阻，如圖5示。

圖5 多層平板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)熱阻計算模型

由此模型與圖3的結(jié)構(gòu)圖可得到

(5)

根據(jù)查閱文獻與資料，取熱流密度q=1 000 W[11]，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.049 W/m·℃，鵝卵石上表面溫度t1=350℃，鵝卵石的導(dǎo)熱系數(shù)λ1=2.2 W/m·℃。

代入公式可以得到：鵝卵石下表面的溫度為78℃。

該溫度遠低于變壓器油閃點、燃點以及混合氣體燃點，因此若燃燒的變壓器油不進入集油坑，集油坑中的油并不會發(fā)生燃燒的情況。

4.2 油分解的易燃氣體在卵石上表面燃燒時熱力學分析

變壓器油未燃燒，只是鵝卵石上部有油分解的易燃氣體燃燒，易燃氣體燃燒的火焰溫度可達1 400℃，因此熱輻射不能被忽略，理應(yīng)計算。合理化假設(shè)：

1)燃燒時間充分，整個燃燒過程成穩(wěn)定狀態(tài)；

2)不考慮環(huán)境中的風速影響，熱對流換熱部分為自然對流，且為層流狀態(tài)；

3)因為易燃氣體的比例無法確定，因此，燃燒溫度，混合氣體的熱物性，選取各純凈易燃氣體的均值。

熱對流，熱輻射，熱傳導(dǎo)分開計算如下：

熱對流：

q1=h(tf-tw1)

(6)

式中，q1為對流傳熱的熱流密度；h為對流傳熱系數(shù)，取0.3 W/m2·K；tf為火焰溫度，取1 400℃；tw1為鵝卵石上表面溫度。

熱輻射：

(7)

其中，q2為熱輻射的熱流密度；ε為發(fā)射率(考慮角系數(shù)之后)，取0.02[11]；C為輻射系數(shù)，取5.67 W/m2·K4。

熱傳導(dǎo)：

(8)

其中，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1取0.049 W/m·℃；鵝卵石的導(dǎo)熱系數(shù)λ2為2.2 W/m·℃；tw2為鵝卵石下表面溫度。

總熱流密度

q=q1+q2+q3

(9)

取q=q3=1 000 W，聯(lián)立方程可得，tw1=335℃，tw2=63℃。

鵝卵石下表面溫度63℃低于變壓器油閃點，因此貯油坑不會持續(xù)分解出可燃性氣體，鵝卵石上表面的氣體燃燒是不可持續(xù)的。

4.3 變壓器著火時排油對變壓器內(nèi)部的影響

上述分析表明，變壓器油排進貯油坑后不會燃燒。下面主要在變壓器已停電狀態(tài)從對火勢的影響方面分析變壓器著火時打開事排油閥排油的影響。

1)變壓器油箱未破裂，油氣從壓力釋放閥噴出著火。由于變壓器已從電力系統(tǒng)隔離，變壓器內(nèi)部放電能量已消除，若變壓器無外部能量加熱，變壓器內(nèi)部油不會再分解產(chǎn)生可燃氣體。壓力釋放閥暫時自動關(guān)閉，變壓器內(nèi)部可能存在部分可燃氣體，壓力恢復(fù)壓力釋放閥動作壓力以下。燃燒物質(zhì)和形式為變壓器噴出熱油在變壓器表面燃燒。此時如果不排油，變壓器內(nèi)部油在表面火焰加熱下可能繼續(xù)分解產(chǎn)生可燃氣體，壓力釋放閥繼續(xù)動作噴出油氣繼續(xù)燃燒、閃爆，對變壓器產(chǎn)生持續(xù)危害。如果進行排油，則可降低變壓器油面，減少受熱分解，有利于降低火災(zāi)影響。

2)變壓器油箱已破裂，從變壓器箱體破損處噴出燃燒。變壓器已破損，變壓器油與空氣有自由面，油流出外部持續(xù)燃燒，或在破損處燃燒，內(nèi)部壓力不會升的很高。此種情況如果不采取排油措施，一般燃燒時間比較長，最終燃燒點會進入變壓器箱體內(nèi)部，直至絕緣油和纖維全部燒完。排油后由于可燃燒的可燃物少了，有利于降低燃燒影響和時間。

綜合分析以上兩種情況，在變壓器著火時，打開排油閥排油比不打開排油閥更好。

5 變壓器著火時操作流程

上述分析表明，變壓器著火時是可以安全排油的。

油浸式變壓器固定式滅火設(shè)施一般有排油注氮滅火裝置、泡沫噴霧滅火裝置，水噴霧滅火裝置也是可以撲滅變壓器著火的[12]。變壓器著火的初期火焰相對較小，易撲滅，變壓器著火時，還是應(yīng)該首先啟動滅火裝置進行滅火，無法滅火時才考慮進行排油。結(jié)合以上分析，根據(jù)DL 5027-2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》、DL/T 572-2010《電力變壓器運行規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，變壓器著火時應(yīng)按以下流程處理：

1)變壓器著火時，應(yīng)立即斷開電源，停運冷卻器，并迅速采取滅火措施，防止火勢蔓延。設(shè)有火災(zāi)自動報警、固定滅火系統(tǒng)(水噴霧滅火系統(tǒng)、排油注氮滅火裝置、泡沫噴霧滅火裝置)時，應(yīng)立即啟動報警和滅火。

2)撥打火警電話(優(yōu)先撥打內(nèi)部火警電話)，同時快速報告單位有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。單位應(yīng)立即實施滅火和應(yīng)急疏散預(yù)案，及時疏散人員，迅速撲救火災(zāi)。

3)發(fā)電機變壓器組中間無斷路器，在發(fā)電機為停止惰走前，嚴禁人員靠近變壓器滅火。

4)采用移動式滅火器時，可使用干粉、六氟丙鏡等滅火器滅火，不能撲滅時再用泡沫滅火器滅火，不得已時可用干砂滅火，地面上的絕緣油著火，應(yīng)用干砂滅火。

5)室外變電站和有隔離油源設(shè)施的室內(nèi)油浸設(shè)備失火時，可用水滅火，無放油管路時，不應(yīng)用水滅火。6)在確保操作人員安全的情況下，可打開變壓器事故排油閥將變壓器油排入事故油池，排油完畢，應(yīng)及時關(guān)閉排油閥。

7)如危及鄰近設(shè)備的安全運行，也應(yīng)及時聯(lián)系停止鄰近設(shè)備的運行。

8)滅火時必須有專人指揮，防止擴大故障或引起人員中毒、燒傷、觸電等。

6 結(jié) 語

1)按行業(yè)標準配置排油設(shè)施的變壓器著火時是可以安全排油的，排油后應(yīng)及時關(guān)閉排油閥。

2)變壓器發(fā)生火災(zāi)時，斷電后應(yīng)首先啟動滅火裝置，無法滅火時可進行排油至事故油池。

3)變壓器事故排油閥的安裝位置應(yīng)保證火災(zāi)時操作安全，布置在耐火墻之外或離變壓器有足夠距離，防止人員操作時被燒傷、炸傷。

4)考慮到壓頭的差別，排油時變壓器排油管中油比貯油坑排油管的油壓力大、流速高。在設(shè)計和建造貯油坑、事故油池時，應(yīng)合理設(shè)計兩者的尺寸，防止排油時貯油坑排油不暢油面上升后漫過卵石被點燃。

5)為了保證火災(zāi)時安全排油，廠站應(yīng)把做好貯油坑上卵石的維護和平整、使各處卵石的尺寸和厚度達到標準的要求，并編進檢修維護規(guī)程，且按期進行維護。