变压器集油池不同铺设方式的卵石层对隔火能力影响研究

刘威峰，相中华，闫振华，陈继尧，杨西银，周秀

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；3.国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 银川 750400)

0 引 言

近年来，由于油浸式变压器套管炸裂引起的电气火灾事故频发，电力行业采取了消防队伍驻站值守，变压器集油池铺设卵石层，油浸式变压器安装消防喷淋头等措施[1-4]，进一步强化了变电站电气设备消防能力。变压器在发生喷油或爆炸起火事故时，变压器集油池卵石层对油水混合物流向事故油池有一定阻碍作用，但是油水混合物溢出集油池在变压器周边形成流淌火，会扩大着火面积。虽然文献[5-6]中提到集油池内应铺设卵石层，其厚度不应小于25 cm，卵石层直径宜为5～8 cm，但并未对集油池卵石层铺设方式进行要求。本文试验研究了集油池内卵石层不同铺设方式对变压器故障起火后的隔火能力以及水喷淋对火势的抑制效果[7-9]，试验研究数据为油浸式变压器集油池卵石层选择合适的铺设方式，以及提高油浸式变压器消防能力提供借鉴。

1 集油池内卵石层对隔火能力影响试验场地设计

1.1 试验场地设计

变压器基础、集油池、排油管道及事故集油井试验场地依据文献[5-7]中要求的技术参数进行设计建设。变压器集油池长度为10 m，宽度为7 m，深度为0.75 m。事故油池采用20 m3油罐代替。变压器集油池至事故油井排油管管径为20 cm，坡度5%，最大排量为23 L/s。试验过程中通过消防车水枪和水喷雾系统向集油池内卵石层喷水(2台消防车，每辆消防车储液容量为10 kL，并配2支水枪，每支水枪流量为10 L/s)，试验场地如图1所示，试验设备布置见图2。

1.2 模拟变压器燃烧试验装置

为模拟变压器套管爆裂起火，燃烧变压器油从升高座溢出形成流淌火倾泻至油池内卵石层表面的工况，制作了1个尺寸为2 m×1 m×0.2 m的油槽，通过高度为2 m的支架固定在变压器基础上(根据变压器套管根部高度架设)。油槽上部敞开，油槽一侧切割出深度为5 cm，长度为1 m的流油豁口，试验过程中在油槽上方设置棉絮引燃变压器油。

图1 试验场地布置

图2 试验设备布置

为模拟变压器燃烧过程中油枕中油流入本体并通过套管升高座溢出，采用10 t油罐模拟变压器油枕，通过直径60 mm管路连接至油槽。油罐底部与油槽的高差控制在0.5 m，利用直径60 mm阀门控制变压器油可持续流30 min以上，充分模拟真实变压器燃烧过程。

为模拟变压器燃烧后水喷淋系统对火势的抑制效果，在集油池一侧(正对油槽流油豁口侧)布置两层水喷雾喷头模拟水喷淋喷头，同时在试验过程中通过消防车水枪向油池内卵石层喷水。为观察火势及油流动状态在集油池卵石层下架空层状态，在油池侧壁及排油管(距出口3 m)内部安装6台摄像机，安装位置见图3。

图3 卵石层架空空间内摄像机布置位置

1.3 集油池卵石层的铺设方式

目前集油池卵石层常见的铺设方式有集油池卵石层架空铺设和集油池卵石层铺至底部两种方式。卵石层架空铺设方式为在变压器集油池中设置高度为35 cm的格栅，格栅上方铺设厚度为25 cm的卵石层(卵石层直径5～8 cm)，如图4所示。卵石层铺至池底的铺设方式为变压器集油池中不设置格栅，卵石层直接铺设在油池底部，卵石层厚度为25 cm，如图5所示。为防止卵石层进入排油管道，在排油口处设置格栅。

图4 架空铺设的卵石层

图5 铺至池底的卵石层

2 不同铺设方式的卵石层隔火能力试验过程

2.1 架空铺设的卵石层隔火能力试验

1)人工手动关闭输油管路中直径60 mm阀门，在吊车起吊的油罐中注满变压器油，约10 t，将油罐出油口位置高出油槽高度0.5 m，将油罐四角进行固定，防止试验时油罐摆动。摄像机对准模拟变压器着火后的落火点全程记录试验过程。

2)油槽中注满变压器油(离油槽上沿1 cm)，向油槽注入500 mL汽油作为变压器油引燃物。点燃油槽中注入的汽油(实测2 min后若继续着火，且冒黑烟即可确认变压器油已引燃)，通过汽油引燃变压器油。

3)待油槽表面火势足够大时(现场观察判断，点火约5 min后)，打开输油管路阀门，将油罐内变压器油注入油槽内。同时计时，每隔30 s记录一次流量(串接在输油管路中的流量表)，同时观察记录油槽开口处溢出并流入变压器油池过程中卵石层上部和卵石层下部火势变化情况。

4)在确认卵石层底部着火相对严重的情况下，启动水喷淋对落火点卵石层进行灭火，同时启动消防车水对集油池底部进行灭火，控制消防注水流量(增加消防水枪数量)，观察记录火势及油池底部火势情况。

5)集油池底部排油管为钢管直径200 mm管径，坡度5%，流量23 L/s。

2.2 铺至底部的卵石层隔火能力试验

按照上述过程点燃油槽内变压器油，打开输油管路中直径60 mm阀门，使油槽内燃烧变压器油流入集油池，开始做不带水喷淋时卵石层隔火能力试验。开启水喷淋，对落火点卵石层进行适当灭火，观察卵石层火势情况。

观察卵石层表面火势稳定后，启动消防车(4支水枪)向集油池内补水(模拟大量油水混合物流入集油池)，补水时应避开变压器油燃烧区域，避免直接将火扑灭。

观察消防车补水后集油池内火势变化情况。试验结束，关闭输油管路中DN60管径球阀使用消防车进行灭火。

2.3 试验现象及分析

2.3.1 不带水喷淋的架空卵石层隔火能力试验

燃烧变压器油落入集油池后，落油区域卵石层上表面起火，其他位置不起火；试验开始3 min后卵石层下方架空层出现明火，火势较小，见图6。

试验开始10 min后油池底部火势随油流延伸至排油管处，集油池卵石层表面火势扩大(油池底部油气上升所致)。排油管内及事故油池未发现明火和烟雾，见图7。

(a)卵石层上层火势

(b)卵石层下架空层火势

(a)卵石层上层火势

(b)卵石层下架空层火势

试验开始16 min后关闭注油阀停止注油，卵石层表面火势逐渐减小，卵石层下方架空层火势持续增大，如图8所示。

试验开始23 min后，用水枪对卵石层表面明火及排油管处冒烟卵石层进行灭火，试验开始29 min后，卵石层表面明火及架空层内火被熄灭。试验用时29 min。

(a)卵石层上层火势

(b)卵石层下架空层火势

卵石层架空时，水喷淋未启动，变压器起火后卵石层表面的火集中在油落下的区域，其他区域不起火。卵石层表面持续燃烧，油火穿越至卵石层下方架空层，受卵石层隔离及冷却作用，火势较小；架空层内火未穿越25 cm卵石层上，未进一步扩大火势。架空层内火势随油流延伸至排油管口处，排油管内无明火，集油池架空层火势未蔓延至事故油池。

2.3.2 带水喷淋铺至油池底部的卵石层隔火能力试验

燃烧变压器落入油池后，落油区域卵石层表面起火，此时启动水喷淋，并利用消防车水枪对油池进行补水(避开卵石层燃烧区域，模拟大量变压器油水混合物流入集油池中后对火势影响)。试验开始3 min后卵石层下方架空层起火，且火势很快随油流延伸至排油口，卵石层上下空间火势均不断扩大(燃烧变压器油随油流流动形成流淌火，扩大着火面积)，见图9。水喷淋限制了集油池表面着火面积，但大量油水混合物在架空层流动扩大了着火区域。

(a)集油池卵石层表面火势

(b)卵石层下架空层火势

试验开始7 min后火势较大，避免引起试验场坍塌，将消防车水枪对卵石层燃烧区域降温、灭火，见图10。试验开始9 min后，随着3支消防水枪对燃烧区域卵石层不断降温，水雾隔绝空气抑制火势扩大。

(a)集油池卵石层表面火势(7 min)

(b)卵石层下架空层火势(7 min)

试验开始15 min后，卵石层表面明火熄灭，卵石层下方架空层火势间歇性复燃，见图11。试验开始19 min后，卵石层下方架空层火势彻底熄灭，试验用时19 min。

(a)卵石层下架空层火势(15 min)

(b)卵石层下架空层火势(19 min)

卵石层架空，水喷淋启动与水喷淋不启动相比，集油池内卵石层上下表面火势变化受水喷淋，水雾隔绝了空气而抑制了火势扩大，且卵石层下部空间排泄通畅，有助于快速灭火。

2.3.3 卵石层铺至油池底部，带水喷淋的卵石层隔火能力试验

燃烧变压器油落入油池后，落油区域卵石层表面起火，此时启动水喷雾喷头，并利用消防车4支水枪(40 L/s，大于集油池排泄能力23 L/s)对油池进行补水(避开卵石层燃烧区域，模拟大量变压器油水混合物流入集油池中后对火势影响)。试验开始8 min后，由于持续补水卵石层表面积水，火势随积水扩大，见图12(a)。10 min后油水混合物界面持续升高淹没卵石层形成流淌火，火势覆盖集油池,见图12(b)。

卵石层铺至油池底部，变压器起火后卵石层表面的火集中在油落下的区域，其他区域不起火。水喷淋启动同时水枪注水，消防灭火水大于集油池排泄能力，随着集油池油水混合物超过集油池卵石层表面时，油火落入油池后火势会迅速蔓延至周边区域，且形成油火，火势较大，甚至蔓延出集油池形成流淌火，导致卵石层隔火能力失效。

(a)8 min后集油池面火势扩大

(b)10 min后集油池内火势

3 试验结论

卵石层架空时，变压器起火后卵石层表面的火集中在油落下的区域，其他区域不起火；油火穿越至卵石层下方架空层，受卵石层隔离及冷却作用，火势较小；架空层火未穿越25 cm卵石层上，未扩大火势。

卵石层架空时，水喷淋对集油池表面火势有一定抑制作用，有助于快速灭火。在卵石层表面喷水后，水立即透过卵石层落入油池下部空间,排水畅通,且未溢出卵石层，灭火效果明显。

卵石层铺至油池底部，受排水能力影响易形成流淌火扩大火势。卵石层架空方案可快速排油、排水，油火经卵石层后进行冷却和隔离对火势有抑制作用，因此，对在运工程建议变压器集油池卵石层采用架空铺设方式，同时在变压器周围架设水喷淋增强消防能力。