基于火焰蔓延仪的典型换流变压器绝缘油燃烧特性试验研究

汪亚龙，黎昌海，张佳庆，尚峰举，陆守香，范明豪，王刘芳

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230027；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

换流变压器是特高压输电工程的核心设备之一，我国典型换流变压器的储油量在130～200 t之间。绝缘油在变压器中扮演着重要角色，其作用包括冷却、绝缘和消弧等，其储油量较大，绝缘油为高闪点(通常大于130℃)液体，一般条件下难以被点燃。但近年来，国内外发生了数起严重的变压器火灾事故[1-8]，这些事故具有火灾发展迅猛、规模大和扑救难度大等特点，这说明在一定高能条件下，绝缘油仍然能快速燃烧并放出大量热量。

液体燃料一般不会直接与氧气发生燃烧反应，而是需要先受热蒸发产生可燃蒸气，可燃蒸气再与氧气混合在高温条件下发生燃烧反应，燃烧速率与蒸发速率密切相关，而蒸发速率与液体温度有关，液体温度越高，蒸发速率越快，燃烧速率也越大[9]。

KI50X型绝缘油是我国换流变压器最通用的绝缘油，其闭杯闪点为140℃，密度为881 kg/m3，性状为无味黏稠液体[10]，加氢处理轻质环烷基馏分含量大于99.6%其余成分为2,6-二叔丁基对甲酚[10]。国内外研究人员高度关注绝缘油的火灾特性，如范明豪等[11]利用ISO 9705全尺寸热释放速率试验台，研究了油盘尺寸(边长为250 mm、300 mm、400 mm正方形)对克拉玛依DB-25号变压器绝缘油的热释放速率、质量损失速率、中心线处及烟气层温度等燃烧特性参数的影响；Jonsson[12]利用锥形量热仪，开展了针对500 kV油浸套管的绝缘系统和500 kV树脂套管的绝缘系统中提取的绝缘油、油浸纸、树脂浸渍纸等典型绝缘介质的火灾试验研究，结果表明绝缘油的点火时间小于10 s，峰值热释放速率达2 700 kW/m2，火灾危险性仅次于油浸纸，且游离状态的绝缘油占油浸绝缘套管系统总释放能量的60%以上；张博思等[13]采用锥形量热仪开展了外加辐射热通量分别为20 kW/m2和50 kW/m2条件下，不同初始油温对变压器绝缘油燃烧特性影响的试验研究，结果表明变压器初始油温的升高导致绝缘油点燃时间的缩短以及峰值热释放速率和CO生成速率的增大[13]。

由于特高压换流变压器绝缘油与常规变压器绝缘油的成分不同，并且前人的研究中很少涉及不同油层厚度和辐照强度对典型换流变压器KI50X型绝缘油燃烧特性的影响，因此对于特高压直流变压器绝缘油的研究仍存在不足。特高压换流站中的换流变压器往往成排地密集布置，两两之间使用防火墙隔开。在实际火灾场景中，换流变压器着火后可能发生爆炸，变压器本体或油枕可能产生破口，变压器绝缘油在自然油压的作用下向外猛烈喷出，在破口附近的地面上形成油池，并可能被点燃，形成油池火。换流变压器的储油量大，处在工作状态的变压器油温较高，根据《变压器运行规程》(DL/T 572—95)的规定，油温一般在70℃～95℃之间，事故条件下的油温可能更高。因此，换流变压器绝缘油火灾具有燃烧剧烈、扑救难度大、灭火时间长等特点，着火的换流变压器会对周围环境发出强烈的热辐射，可能引燃邻近换流变压器或者流淌到地面上的变压器绝缘油，造成火灾的蔓延及损失的扩大。此外，油层初始厚度的增大，能够延长油池稳定燃烧时间，且能够使得沸腾燃烧速率明显增加，从而影响油料的燃烧特性[14]。因此，有必要研究油层厚度和外加辐照强度对换流变压器绝缘油燃烧特性的影响，为采取有效的防灭火策略提供依据。

为此，本文利用火焰蔓延仪开展了不同油层厚度和外加辐照强度对典型换流变压器KI50X型绝缘油的点燃时间、热释放速率、CO及烟气生成速率等燃烧特性影响的试验研究，并计算了该绝缘油的火灾增长系数，为换流变压器制定有效的防灭火策略提供参考。

1 试验装置与工况设计

1.1 火焰蔓延仪

火焰蔓延仪(Fire Propagation Apparatus,FPA)是一种可以模拟一定热源条件下材料被点燃和燃烧蔓延的仪器，其量热系统基于氧耗原理，符合ASTM E2058和ISO 12136标准，能够反映火灾实际情况，受到国际广泛的认可[15]。值得注意的是，与锥形量热仪等同类仪器相比，其辐射热源水平分布在样品四周，克服了烟气二次辐射、热源二次辐射等因素造成的辐射热偏差的缺点，因此FPA的辐射热源优于锥形量热仪等装置[15]。

本试验使用钨-石英红外线加热器对样品施加辐射热，利用位于油盘上方的标准乙烯-空气预混引燃火焰，样品燃烧完毕后，关闭红外加热器，燃烧过程中的烟气被集气罩收集，通过烟气分析仪、光密度传感器等装置进行数据分析。

1.2 试验工况设计

本次采用火焰蔓延仪(FPA)开展了不同外加油层厚度和辐照强度对典型换流变压器KI50X型绝缘油(以下简称绝缘油)的燃烧特性影响的试验研究。试验场地装有空调系统，保持室温为25℃，空气湿度为75%。使用注射器将直流变压器KI50X型绝缘油注入直径为100 mm、侧壁高为2.5 mm的冲压成型铝制油盘中。本次试验工况设计如下：工况P1～P10，外加辐照强度为50 kW/m2，油量(油层初始厚度)分别为5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、40 mL、45 mL、50 mL；工况P6、B1～B10，油量为30 mL，外加辐照强度分别为50 kW/m2、45 kW/m2、40 kW/m2、35 kW/m2、30 kW/m2、25 kW/m2、20 kW/m2、15 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2。

2 结果与分析

2.1 不同油层厚度和外加辐射强度对换流变压器KI50X型绝缘油点燃时间的影响

点燃时间(Time to Ignition,TTI)反映了试样的火灾危险性[16-19]，点燃时间越长，试样火灾危险性越低，耐热性能越好[20]。换流变压器KI50X型绝缘油的点燃时间随油量(油层初始厚度)的变化曲线见图1。

图1 不同油量(初始油层厚度)对KI50X型绝缘油 点燃时间的影响Fig.1 Effect of different oil volumes (initial oil layer thickness) on the ignition time of the insulation oil KI50X

由图1可见，在5～25 mL油量(0.637～3.185 mm初始油层厚度)的条件下，换流变压器绝缘油的点燃时间随油量的增加而缓慢增加，在30 mL油量时绝缘油点燃时间大幅增加，随后出现了一个转折点，在30～50 mL油量时其呈现下降趋势，随后保持在40 s左右。

绝热状态下，燃料温升所需的时间(t0)与油量(VOil)的关系式如下：

(1)

考虑到燃料的蒸发，液面上方的蒸气压随着液体温度的升高而增加[21]，根据克劳修斯-克拉佩龙方程，液体蒸气压(POil)与液体温度(TOil)之间的关系符合下式：

(2)

式中：Lvap为燃料的蒸发潜热(J/kg)；R为理想气体常数；C为常数。

根据公式(1)，在燃料油层厚度较薄时，同样的外加辐照强度下，燃料被加热到沸点的时间也较短。然而，如图1所示，随着燃料油层厚度的增加，被辐射热加热的有效厚度却并未增加，这导致油量增大到一定值后，燃料点燃时间却并未出现显著增加。

根据公式(2)，在相同的油量条件下，液体蒸气压与燃料温度呈正相关，因此随着外加辐照强度的增加，燃料表面升温速度增加，因此其点燃时间也随之减小。不同外加辐照强度对换流变压器KI50X型绝缘油点燃时间的影响见图2，这与试验结果是一致的。

图2 不同外加辐照强度对KI50X型绝缘油点燃时间的 影响Fig.2 Effect of different external irradiation intensity on the ignition time of the insulation oil KI50X

2.2 不同油层厚度和外加辐射强度对KI50X型绝缘油热释放速率(HRR)的影响

热释放速率(Heat Release Rate,HRR)指试样燃烧过程中释放热的速率，是确定火灾危险性的重要变量之一[22]。基于ASTM E2058—2006标准，利用氧耗法量热原理，对试样燃烧生成的气体进行测量，可以得到试样的HRR值。本试验测得的不同油量(油层初始厚度)和不同外加辐照强度下KI50X型绝缘油热释放速率与点燃时间的关系曲线，见图3和图4。

图3 不同油量(初始油层厚度)下KI50X型绝缘油热释放 速率随点燃时间的变化曲线Fig.3 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different oil volumes (initial oil layer thickness)

图4 不同外加辐照强度下KI50X型绝缘油热释放速率 随点燃时间的变化曲线Fig.4 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different external irradiation intensities

室温(290K)状态下，13 mm深度的庚烷池火燃烧状态呈现出5个阶段[23]：①初始发展期；②稳定燃烧期；③过渡期；④整体沸腾燃烧期；⑤衰减期。要使燃烧经历以上5个阶段，需要油池有足够的油量。与试验现象相对应，对于25 mL以下油量的试验组，试验过程中未观察到燃料明显的沸腾现象，即燃料燃烧由于油量不足，终止在了整体沸腾燃烧期之前，此时对应的油层初始厚度为3.185 mm；而对于35 mL以上油量的试验组，试验中观察到了燃料燃烧经历了上述5个阶段。

由图3可见，固定外加辐照强度(50 kW/m2)，且油量为30 mL以上时，绝缘油初始发展期对应的点燃时间为30～50 s，此时KI50X型绝缘油的HRR值迅速增加；绝缘油稳定燃烧期对应的点燃时间为50～80 s，此时KI50X型绝缘油的HRR值增速明显放缓，油层表面开始出现气泡，HRR曲线出现一个台阶；过渡期对应KI50X型绝缘油HRR值的突然增加，对应的点燃时间为80～110 s，此时油层表面出现大量气泡，沸腾状态下绝缘油的热交换被大大加强。对于50 mL油量的试验组，KI50X型绝缘油的HRR值可达880 kW/m2，约是其稳定燃烧阶段150 kW/m2的6倍；随后由于燃料耗尽，转入衰减期，火焰明显减弱。外加辐照强度为30 kW/m2、油量为30 mL绝缘油燃烧的5个阶段对应的图片,见图5。

图5 KI50X型绝缘油燃烧的5个阶段Fig.5 Five stages of insulation oil KI50X combustion

由图4可见，外加辐照强度的增加使得绝缘油的点燃时间缩短，在图4中反映为绝缘油的HRR初始发展期的提前；对于相同油量，不同外加辐照强度的各试验组，KI50X型绝缘油的HRR曲线的趋势基本一致，但KI50X型绝缘油燃烧的5个阶段对应的点燃时间略有不同。

2.3 不同油面厚度和外加辐射强度对KI50X型绝缘油CO及烟气生成速率的影响

本试验测得的不同油量(初始油层厚度)和不同外加辐照强度条件下KI50X型绝缘油的CO生成速率随时间的变化曲线，见图6和图7。

图6 不同油量(油层初始厚度)下KI50X型绝缘油CO 生成速率随时间的变化曲线Fig.6 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different oil volume (initial oil layer thickness)

图7 不同外加辐照强度下KI50X型绝缘油CO生成速 率随时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensity

CO生成速率的增加表明燃料燃烧不充分程度提高[24]。由图6可见，当油量低于15 mL时，绝缘油CO生成速率的峰值随油量的增加而增加；当油量高于15 mL时，绝缘油CO生成速率的峰值不再增加，这表明随着油量的增加，绝缘油的燃烧效率先减小后不变。

由图7可见，在油量一定的情况下，随着外加辐照强度的减小，绝缘油CO生成速率的峰值缓慢下降，这表明外加辐照强度越高，绝缘油的燃烧效率越低。

由此可见，在进行绝缘油火灾毒性分析时，应当考虑外加辐照强度因素的影响。

本试验测得的不同油量(油层初始厚度)和不同外加辐照强度条件下KI50X型绝缘油的烟气生成速率(rate of smoke release，RSR)随点燃时间的变化曲线，见图8和图9。

图8 不同油量(油层初始厚度)下KI50X型绝缘油烟气 生成速率随时间的变化曲线Fig.8 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different oil content (initial oil layer thickness)

图9 不同外加辐照强度下KI50X型绝缘油烟气生成速率 随时间的变化曲线Fig.9 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由图8可见，不同油量下绝缘油烟气生成速率呈现出明显的差别；绝缘油烟气生成速率的峰值随油量的增加而增加，绝缘油烟气生成速率峰值出现的时间随油量的增加而延迟。

由图9可见，外加辐照强度的增加导致绝缘油烟气生成速率的峰值增加。由此可见，油量或外加辐照强度的增加会导致绝缘油烟气生成速率的增大。

2.4 火灾增长系数

通常采用火灾增长系数(Fire Growth Index,FGI)从热释放的角度来表征材料点燃后火灾的发展速率。如果材料的FGI值很高，表明材料具有很高的火灾危险性。对于地铁车辆内装板材而言，FGI值一般在0.09～1.20之间[20]。FGI的计算公式如下：

FGI=pkHRR/tpkHRR

(3)

式中:pkHRR表示峰值热释放速率(kW/m2)；tpkHRR表示峰值热释放速率出现的时间(s)。

对于相同外加辐照强度下的不同油量(油层初始厚度)以及对于相同油量下的不同外加辐照强度，绝缘油峰值HRR及其出现的时间，见图10和图11。

图10 不同油量下KI50X型绝缘油峰值热释放速率及其 出现的时间Fig.10 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different oil volume

图11 不同外加辐照强度下KI50X型绝缘油峰值热释放 速率及其出现的时间Fig.11 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由图10可见，绝缘油峰值HRR在5 mL油量时不到400 kW/m2，随着油量的快速增加，在15 mL油量时其增速放缓，随后在50 mL油量时，绝缘油的峰值HRR不到900 kW/m2。

由图11可见，随着外加辐照强度的增加，在辐射强度为5～10 kW时绝缘油的峰值HRR出现了显著增长，但随后其峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波动。

根据图10和图11的数据计算得到的KI50X型绝缘油火灾增长系数(FGI)与油量和外加辐照强度的关系，见图12和图13。

图12 KI50X型绝缘油火灾增长系数(FGI)与油量的 关系Fig.12 Relation between FGI and Oil Volume of insulation oil KI50X

由图12可见，就火灾增长系数而言，油量的增加并未导致绝缘油火灾危险性持续增加；在15 mL油量(1.911 mm油层初始厚度)情况下，绝缘油的火灾危险性最高，而对于25 mL以上油量的情况下，该绝缘油的火灾增长系数在8左右小幅度波动。

图13 KI50X型绝缘油火灾增长系数(FGI)与外加辐照 强度的关系Fig.13 Relation between FGI and external irradiation intensity of insulation oil KI50X

由图13可见，绝缘油的火灾增长系数随着外加辐照强度的增加而基本呈现线性增长，结合图11分析，不同外加辐照强度下绝缘油的峰值HRR基本一致，而绝缘油的峰值HRR出现的时间却随着外加辐照强度的减小而延后。

3 结 论

本文利用火焰蔓延仪开展了不同油面厚度和外加辐照强度对典型换流变压器KI50X型绝缘油的点燃时间、热释放速率(HRR)、CO与烟气生成速率等燃烧特性影响的试验研究，并计算了该绝缘油的火灾增长系数，得到如下结论：

(1) KI50X型绝缘油的点燃时间随着外加辐照强度的增大先迅速缩短，而后缓慢缩短。本试验中，油层厚度小于3.2 mm的工况下，绝缘油的点燃时间随着油量的增加而增加，油层厚度大于3.8 mm的工况下，绝缘油的点燃时间随油量的增加呈现下降趋势，随后保持在40 s左右。

(2) 油层厚度在4.4 mm以上时，能够完整经历池火燃烧的5个典型阶段，并且油层的热释放速率(HRR)变化趋势能够与之对应。

(3) 根据KI50X型绝缘油的CO生成速率试验结果，随着油量的增加，绝缘油的燃烧速率先降低后不变；随着外加辐照强度的增加，绝缘油的燃烧速率下降。

(4) KI50X型绝缘油的峰值HRR从5 mL油量下的不到400 kW/m2，随着油量的快速增加，随后增速放缓，在50 mL油量时，绝缘油的峰值HRR不到900 kW/m2；而随着外加辐照强度的增加，在辐射强度为5～10 kW时绝缘油的峰值HRR出现了显著增长，但随后峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波动。

(5) KI50X型绝缘油的火灾增长系数随着外加辐照强度的增加而基本呈现线性增长，而油量的增加并未导致该绝缘油的火灾增长系数持续增加。