主变压器室泄压计算模型探讨

郑耀斌，付光来，谢 丹，王守洁，任永一

(山东智源电力设计咨询有限公司，山东 济南 250021)

在密闭空间里发生爆炸，如果没有泄压措施，爆炸能量会转化为对围护建筑物的巨大压力，造成建筑物破坏。如果在围护物里合理的设置一个泄压口，包括门、窗、重量60 kg/m2的轻质建材等，这些轻质维护物在巨大的爆炸冲击能量的作用下，瞬间破坏，使爆炸能量迅速释放，可以大大削减作用在建筑物结构上的压力，从而保障建筑物在遭遇爆炸时的安全性。因此，有爆炸危险的变压器室应考虑合理的防爆泄压设计。

1 变电站变压器室爆炸模型分析

1.1 变压器室爆炸发生机理

郭正位等的研究表明，变压器油在电弧影响、较高温度等条件下长期工作，容易分解出多种不同的可燃气体。经过理论分析和采样分析得出，变压器中绝缘油在高温、电弧等异常环境下产生的气体主要有氢气和烃类，如H2、C2H4、C2H2、CH4、C2H6，还有少量长链挥发物。变压器设置有泄压阀，产生的这些气体在一般工作状态下会及时从变压器泄压阀排出，在通风状态良好的情况下，气体浓度很难达到爆炸极限以上。主变压器室产生的气体体量不大，变压器油一般基于以下3种原因产生可燃气体。

(1)变压器内部绝缘油分解产生可燃气体。在电弧的作用下，绝缘油分解。根据周远翔等人的研究，电弧作用下，其产生的气体主要为H2和C2H2，大约占了90%，生成的气体成分详见表1。

表1 电流作用下绝缘油分解组分

(2)绝缘油在热条件下分解产生可燃气体。绝缘油在热条件下一般有裂解和裂化两种方式。一般油品在700～800℃会产生裂解反应，400～600℃会产生裂化反应，而一般油浸式变压器的上层油温不会超过95℃。因此，条件不足，此种情况可以忽略。

(3)绝缘油在热条件下挥发形成可燃气体。设计工作者在确定变压器油时，一般会选择沸点较高的绝缘油，这就决定了变压器中的油体挥发量很少。火灾发生时，部分的绝缘油与火焰靠近时可能挥发形成少量的气体，而这种方式产生的气体量很少，这些少量的气体或者飘散到温度较低的环境中凝结成液态的，或者直接遇火燃烧掉，基本不会形成可燃气体云团。

根据传统的Baker－Strehlow模型，第一种方式产生的气体危险性远高于第二种和第三种，而且从气体量的方面考虑，第一种占主体成分。基于上述第一种原因产生的气体同时具有很大的危险性和爆炸性。

1.2 现行变压器室泄压计算模型

变电站属于工业建筑，按照厂房一类进行设计。依据现行国家标准 GB 50016－2014《建筑设计防火规范》，对有爆炸危险的厂房，规范给出了推荐的泄压面积计算公式，由密闭容器内可燃气体爆炸泄压的立方体定律和相似原理推导得出。国际防爆泄压方面，美国消防协会NFPA 68《爆燃泄压防爆标准》在国际上具有较高的权威性和参考价值。NFPA 68－2013尽管区分高强度封闭空间和低强度封闭空间，采取不同的计算公式，但也均是假定空间为封闭空间。

变压器正常工作产生气体，变压器泄压阀的设置，可以成功的将这些气体排除，由于排气速度缓慢，加之变压器室一般加强通风设置，按照构造的方式在变压器室的上方设置足够的通风散气窗，在自然通风情况下完全可以消散到爆炸极限以下，所以按照厂房和仓库爆炸模型(达到一定浓度的爆炸性气体弥漫于整个房间内)进行防爆泄压设计并不合理。

目前在电力行业中针对变电站的变压器室的泄压设计并没有合适的计算方法，对变压器的爆炸机理分析的也不够明确，这使得设计人员在遇到此类计算时，缺少依据，设计存在较大的随意性。据调查，目前电力行业不少设计单位对于变压器室的泄压面积是基于《建筑设计防火规范》3.6.4条提供的模型进行计算，见式(1)。

式中：A为泄压面积(m2)；V为厂房的容积(m3)；C为泄压比(m2/m3)。

通过这种方法计算出的泄压面积普遍偏大，甚至会大于房间整面外墙的面积，导致泄压墙面很难布置，给设计造成困难。

1.3 变压器爆炸模型选取

1.3.1 锅炉房爆炸机理

锅炉爆炸的本质是能量释放，锅炉中存储着巨大的能量，一经释放，瞬间转化为强大的机械能。在锅炉运行过程中，炉膛燃爆，某些受压元件在使用过程中达到极限强度或者锅炉材料的薄弱处发生破坏，导致锅炉出现破裂口，锅炉中的水及蒸汽会立即从破口处释放，即锅炉爆炸。在这一短暂过程中，锅炉内的压力瞬间减小、释放，导致炉内气体液体剧烈汽化、膨胀，大量的水蒸气迅速膨胀，锅炉内的压力迅速再次升高，破裂口进一步变大，破裂口处的水蒸气形成巨大的冲击波造成爆炸现象。锅炉爆炸时释放的巨大能量大部分以冲击波的形式作用于周围环境，对建筑物和人员造成巨大的破坏。

1.3.2 变压器爆炸机理

建设在城区的变电站一般要求户内布置，主变压器是安全隐患最大的设备，因此主变室是众多电气室安全防范的重中之重。因为变压器内储有大量变压器油，长期在较高温度的环境下工作，危险较大，是变电站防火防爆的重点。从变压器构造上来看，内部是铁心柱、铝线或绝缘铜线等制成的线圈，在油浸式变压器中的绝缘油充斥其中，绝缘油闪点约为135℃，易蒸发燃烧，易与空气混合成易爆混合物。变压器内部有纸板、棉纱、布、木材可燃物作为绝缘衬垫、支架等，在过载或短路的情况下，在高温或电火花、电弧作用下，变压器中的可燃的材料和绝缘油发生分解产生可燃气体，气体膨胀使变压器内部压力剧增，可引起变压器外壳爆炸，大量绝缘油喷出燃烧进一步扩大火灾，造成更大的破坏。

1.3.3 变压器室爆炸模型选取

通过锅炉爆炸和变压器爆炸机理对比分析，可以得到，锅炉和变压器爆炸均是由于内部液体气化导致内部压力剧增，炉体或者变压器外壳薄弱环节破坏，导致爆炸，进而引起下一阶段的二次爆炸或火灾，爆炸能量以冲击波的形式对结构产生破坏。

通过以上分析，显然主变压器室存在爆炸危险，此种爆炸不同于《建筑防火设计规范》中厂房和仓库的爆炸模型，而近似于锅炉房爆炸模型。因此，参考《锅炉房设计规范》15.1.2条：锅炉房的外墙、楼地面或屋面，应有相应的防爆措施，并应有相当于锅炉间占地面积10%的泄压面积，见公式(2)：

式中：S为锅炉房占地面积。

1.4 小结

通过对以上两种计算模型的对比和分析，得出锅炉房的爆炸机理与变压器的爆炸机理接近，因此变压器室爆炸模型近似采用锅炉房爆炸模型是合理的。

2 泄压设计及计算

2.1 泄压设计

根据《建筑设计防火规范》3.6.3条，泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等。《建筑设计防火规范》3.6.4条，作为泄压设施的轻质屋面板和轻质墙体的单位质量不宜超过60 kg/m2。此处的单位质量，是指泄压面的综合单位重量，《建筑结构荷载设计规范》中规定了不同材料的容重。《锅炉房设计规范》规定，当泄压面积不足时，锅炉房的内墙和顶部(顶棚)敷设金属爆炸减压板可作为补充。

对于经计算所需泄压面积较小的变压器室，联系到消散变压器正常工作下产生的气体的要求，选择通过设置百叶窗和通风窗的形式兼做泄压面积，可以同时达到泄压面积要求。

2.2 泄压计算实例

以济南某220 kV全户内变电站为例，单个变压器室长17 m，宽11 m，高14.4 m，变压器容量为240 MVA/台，为油式变压器。

(1)基于《锅炉房设计规范》提供的模型计算的泄压面积：

(2)基于《建筑防火设计规范》提供的模型计算的泄压面积：

式中：体积V=17×11×14.4=2692.8(m3)。泄压比C按照表1气体成分加权计算，

表2为两种计算模型经济指标对比。

表2 两种计算模型经济指标对比

通过计算对比，按照锅炉房爆炸模型计算的变压器室泄压面积较建筑防火规范模型减小90%以上，显著降低了工程造价。

3 结论

综上所述，可得出如下结论：

(1)变电站变压器室应考虑泄压设计，房间的泄压计算应选用合适的计算模型。

(2)通过分析比较锅炉与变压器的爆炸机理，得出变压器室的爆炸模型以及泄压计算公式 ：A=0.1×S。

(3)与现行算法相比，通过新模型计算得到的变压器室的泄压面积显著减小，计算结果更加合理。泄压面积的大幅减少，显著降低了变电站造价。