适用于变压器油火的泡沫灭火剂评价指标体系与方法

孙绪坤，柯 巍，韩腾奔，王正阳，马伟伟，韩亚军

(1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；3.九江中船化学科技有限公司，江西 九江 332000)

近年来，随着国内电网技术的不断发展，大型电力变压器的数量也在逐渐增加。据资料统计，截至2017年，国家电网公司运行的高压变电站有2 000余座，其中110 kV以上变压器近40 000台。根据散热方式的不同变压器可分为干式变压器和油浸式变压器。其中，干式变压器内部不含变压器油，在防火方面优势较大；油浸式变压器与干式变压器相比，具有散热效果好、维护方便、易于回收等优点，因此其得到了广泛的应用。变压器油的工作温度通常为80～90℃，闪点为136℃。正常状态下，变压器的工作温度低于闪点，不会发生火灾。但根据相关统计，虽然不同地区变压器的故障率差别较大，但在工作年限内变压器发生严重故障的概率通常为0.5%～2.5%。变压器一旦发生故障，其内部温度会明显上升，进而引燃变压器油。而水成膜泡沫灭火剂作为油类火灾的专用灭火剂，是保障变电站消防安全的有力手段。

现阶段存在多种泡沫灭火剂，由于其适用条件不同，在应对特定火场时灭火性能的差别较大。针对该问题国内外已有大量的相关研究。如徐志胜等通过改变泡沫灭火剂的气液比、压力和体积流量等参数，提出了一种用于评价泡沫灭火剂的柴油火抑制性能的新方法；Xiao等将表面张力和扩散系数作为评价指标，对无氟泡沫灭火剂的灭火性能进行了评价，发现表面活性剂是影响其灭火性能的重要因素；康青春等针对泡沫灭火剂的优选问题，建立了一套通用评价体系，其可为泡沫灭火剂的综合优选提供参考。

综上研究可知，针对泡沫灭火剂灭火性能的评价已有大量的研究，但由于缺少针对性评价指标，对特殊环境下泡沫灭火剂的优选效果有限。考虑到变压器油工作环境的复杂性，仍需建立一种适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能优选评价指标体系。因此，本文在综合考虑变压器油燃烧特性的基础上，构建了一种针对性较强的适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能评价指标体系，采用模糊熵权法对10种泡沫灭火剂的灭火性能进行了评价，并优选其中5种泡沫灭火剂进行了变压器油火抑制试验验证，以为适用于变压器油火的泡沫灭火剂优选提供理论依据。

1 适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能评价指标体系建立

适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能评价指标体系分为一级评价指标和二级评价指标，其中一级评价指标符合通用评价准则，包括性能准则和稳定性准则；基于变压器油特性和工作环境制定针对性指标，并依据《泡沫灭火剂》(GB 15308—2006)标准和相关文献对评价指标取值方法进行确定。各评价指标的满分均为1.0分，对未加说明的，各分值间取分参照下式：

分值间取分=

1.1 性能准则

性能准则包括灭火时间、90%控火时间、油面铺展速度、抗复燃时间和油面黏附能力。

(1) 灭火时间：参照泡沫灭火剂灭火性能等级表，Ⅰ级取1.0分，Ⅱ级取0.8分，Ⅲ级取0.6分，各等级之间分A、B、C、D，分值间隔根据A、B、C、D等分取值。

(2) 90%控火时间：对于内径为2.4 m的变压器油盘，从施加泡沫灭火剂到火焰扑灭90%所花费的时间为30 s取1.0分，时间为90 s取0.8分，时间为150 s取0.6分。

(3) 油面铺展速度：针对直径2.5 m的燃烧变压器油液面，泡沫铺满液面的时间为2 min取1.0分，时间为7 min取0.8分，时间为13 min取0.6分，时间为18 min取0分。

(4) 抗复燃时间：将内径0.3 m和0.4 m的变压器油盘叠放，在内、外油盘中均加入变压器油，其中外油盘油面覆盖泡沫灭火剂，点燃外油盘记录内油盘油面的引燃时间，时间为15 min取1.0分，时间为10 min取0.8分，时间为5 min取0.6分，时间为2 min取0分。

(5) 油面黏附能力：室温条件下，针对0.2 m高的垂直变压器油面，泡沫下降至底端的时间为20 s取1.0分，时间为15 s取0.8分，时间为10 s取0.6分，时间为5 s取0分。

1.2 稳定性准则

稳定性准则包括热油面泡沫存在时间、抗变压器油污染能力和泡沫液耐久性。

(1) 热油面泡沫存在时间：将泡沫置于温度为88℃、直径为4 cm的变压器油面，记录泡沫完全消失所需的时间，泡沫存在时间为250 min取1.0分，时间为180 min取0.8分，时间为90 min取0.6分，时间为30 min取0分。

(2) 抗变压器油污染能力：令泡沫穿过0.5 m厚的变压器油层，根据试验前后泡沫重量的变化计算含油率，含油率为5%取1.0分，含油率为8%取0.8分，含油率为12%取0.6分，含油率为15%取0分。

(3) 泡沫液耐久性：对密封后的泡沫灭火剂进行720 h高低温老化试验，根据《泡沫灭火剂》(GB 15308—2006)标准对其发泡倍数进行测定，泡沫灭火剂发泡倍数下降程度为2%取1.0分，下降程度为10%取0.8分，下降程度为15%取0.6分，下降程度为20%取0分。

2 模糊熵权法理论基础

2.1 熵权法原理

(1)

其中，

m

和

n

分别为评价指标和样本的数量。

由于评价指标体系中各指标值的量纲不同，不同指标数量级间存在差异，为了消除不同量纲产生的不可公度性，需要对评价指标进行标准化处理，具体处理方法如下：

对于收益型评价指标，有：

(2)

对于成本型评价指标，有：

(3)

然后，计算第

i

项评价指标下第

j

个对象指标值的比重

P

：

(4)

通过对数得到第

i

个评价指标的熵值

S

为

(5)

式中：常数

k

与样本数

n

有关，定义

k

=1

/

ln

n

，且0 ≤

S

≤ 1，并规定当

P

=0时，

P

·ln

P

=0。

最后，按下式计算各评价指标的权重：

(6)

2. 2 模糊综合评价法原理

模糊综合评价法属于模糊数学的一种方法，该方法能根据样本隶属度对复杂定性问题进行整体评价，具体步骤如下：

(1) 建立模糊评价矩阵：因素集

U

={

U

,

U

,…,

U

,…,

U

}为评价样本的集合，评价集

V

={

V

,

V

,…,

V

}为对应于各样本指标的评价结果。设有

n

个评价样本，各评价样本有

m

个评价指标，则可建立模糊评价矩阵如下：

(7)

(2) 确定评价指标权重向量：各评价指标对应的权重向量为=(

w

,

w

,…,

w

)，用来表征不同评价指标的重要程度，常用的确定方法有专家调查法和层次分析法等。(3) 评价结果的求解：利用合成模糊评价矩阵和评价指标权重向量，可得到评价结果向量，常用的合成方法为最大隶属度原则，但当误差较大时，也可采用平均加权隶属度原则。具体计算公式如下：=·

(8)

2.3 模糊熵权法的特点

模糊熵权法是基于模糊综合评价与熵权法原理的综合应用，其在原模型的基础上充分考虑了两者的评价优势。由于模糊综合评价中权重向量的确定受主观因素的影响较大，其最终得到的评价结果与实际情况存在偏差；而熵权法确定权重则是基于评价指标数据的量化取值，通过计算不同评价指标的离散程度对客观权重进行求解，其不受个人因素的影响。因此，模糊综合评价与熵权法的有机结合在一定程度上能够克服传统评价过程中的主观定性缺点，使评价结果更加可靠。

3 实例验证

3.1 泡沫灭火剂灭火性能评价

通过调研常用泡沫灭火剂的应用环境和油类火灾特征，从中选取10种比较有代表性的泡沫灭火剂作为评价样本，分别编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。设评价指标集

C

={

C

,

C

,…,

C

}种对应的评价指标见表1，本文利用德尔菲法并参照本文的取值标准对各种泡沫灭火剂的评价指标进行打分，得到10种泡沫灭火剂各评价指标的原始数据见表2，其对应的原始决策矩阵如下：

表1 适用于变压器油火的泡沫灭火剂评价指标代号和名称Table 1 Evaluation indicators and codes of foam fire extinguishing agent suitable for transformer oil fire

表2 10种泡沫灭火剂各评价指标的原始数据Table 2 Original data of the evaluation indexes for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

根据公式(2)对原始决策矩阵进行归一化处理，得到标准决策矩阵为

根据公式(4)～(6),可得到各评价指标的权重，见表3。

表3 10种泡沫灭火剂各评价指标的权重Table 3 Evaluation index weight for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

各评价指标对应的权重向量为

=(0

.

089 5,0

.

183 1,0

.

117 3,0

.

174 1,0

.

107 1,0

.

147 7,0

.

098 3,0

.

082 9)根据公式(8)对模糊评价矩阵(即标准决策矩阵)和评价指标权重向量求解，可得到10种泡沫灭火剂对变压器油火的灭火性能评价得分为=·=(0

.

693 4,0

.

703 8,0

.

697 6,0

.

699 4,0

.

718 7,0

.

728 0,0

.

738 6,0

.

735 2,0

.

716 1,0

.

727 4)

由评价得分可知，10种泡沫灭火剂对变压器油火的灭火性能从高到低为G>H>F>J>E>I>B>D>C>A，即G为最适合抑制变压器油火的泡沫灭火剂。

3.2 变压器油火抑制试验验证

基于《泡沫灭火剂》(GB 15308—2006)，开展了泡沫灭火器对变压器油火的抑制试验，具体试验步骤如下：

(1) 试验准备。依据标准配置规格为120 L的泡沫储罐和工作压力为0.75 MPa的空压机，将其连接作为泡沫灭火剂的动力系统。参照最佳配比(水∶原液=97∶3)得到泡沫灭火剂溶液。

(2) 参数校正。令动力系统的输出压力恒为0.75 MPa，通过测量单位时间喷出的泡沫液体积标定喷枪流量为11.4 L/min。为了保护油盘结构，使油盘下部为水，上部覆盖有3 cm厚的昆仑25号变压器油，油层厚度由同一位置的液面差测得。

(3) 变压器油火抑制。各组试验均由等量汽油引燃，为了使变压器油充分燃烧，控制其引燃时间为30 s，然后施加泡沫灭火剂并记录抑制时间与试验现象。

优选灭火性能评价中评价得分分值波动特征明显且指标代表性较强的5种泡沫灭火剂(G、H、F、J、E)为研究对象，使其在同等条件下进行变压器油火抑制试验，其试验结果见图1。

图1 5种泡沫灭火剂对变压器油火灭火性能验证Fig.1 Fire extinguishing performance of five kinds of foam extinguishing agents suitable for transformer oil fire

由图1可见，泡沫灭火剂G对变压器油火的灭火性能较好，泡沫灭火剂E的灭火性能一般。

通过分析试验现象可知，变压器油火的控制过程主要包括初期火焰抑制和中、后期残火覆盖两个阶段。其中，初期火焰抑制阶段的抑制效率取决于泡沫灭火剂的性能准则；中、后期残火覆盖阶段的抑制效率则与泡沫灭火剂的稳定性准则有关。在油火扑灭初期，灭火剂的泡沫生成量较少，油面覆盖面积不足，对火势的控制主要依靠泡沫灭火剂的降温作用与化学反应；在油火中、后期，随着泡沫的油面覆盖率逐渐增加，余火在泡沫的隔氧、降温作用下熄灭。由图1可见，泡沫灭火剂G、H、F、J均能在其接触火焰的40 s内抑制火势发展，导致其性能差异的原因为残火覆盖阶段所花费的时间。根据现场的热电偶测温数据可知，残火覆盖阶段的变压器油温度可超过600℃，此时泡沫灭火剂热稳定性、抗污染能力等指标成为决定该阶段抑制效率的重要因素。泡沫灭火剂E在残火覆盖阶段的抑制效率与其他泡沫灭火剂相差不大，说明其稳定性准则能够满足变压器油火的抑制要求，但该泡沫灭火剂在火焰抑制阶段的抑制效率一般，有必要对其性能准则指标做进一步改进。

5种泡沫灭火剂对变压器油火的适用性评价结果与变压器油火抑制试验结果的对比，见图2。

图2 利用评价指标体系对变压器油火灭火性能评价 结果与变压器油火抑制试验结果的对比Fig.2 Comparison between the evaluation results of transformer oil fire extingwishing performance and transformer oil fire suppression test result evaluation index system

由图2可见，评价指标体系对变压器油火灭火性能的评价结果与变压器油火抑制试验结果的一致性较高，参照各种泡沫灭火剂的灭火性能评价结果能有效筛选出对变压器油火灭火性能较好的泡沫灭火剂为G，且根据评价得分分值差可知泡沫灭火剂E的灭火性能相对一般。

4 结 论

(1) 考虑到现有的适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能评价指标体系的不足，本文建立了一种适用于变压器油火的泡沫灭火剂灭火性能评价指标体系。该评价体系主要包括2个方面、8个指标，满足抑制变压器油火火灾的各项要求，且大部分评价指标的量化是基于现有文献和试验数据，可靠性较高。

(2) 以该评价指标体系为基础，采用模糊熵权法对10种泡沫灭火剂的变压器油火灭火性能进行评价，并从中优选出灭火性能较好的5种泡沫灭火剂进行了变压器油火抑制试验验证。结果表明：该评价指标体系的评价结果与变压器油火抑制试验结果的一致性较高，故根据各种泡沫灭火性能的评价结果可筛选出对变压器油火灭火性能较好的泡沫灭火剂，说明该评价指标体系对泡沫灭火剂的筛选具有一定的参考价值。