大型充油设备绝缘纸板燃烧特性研究

闫海鸥，詹振宇

(1.国网河南省电力公司，河南 郑州 450000;2.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000)

0 引言

油纸绝缘结构广泛应用于大型充油设备中，绝缘纸板长期受到电、热、力等作用而逐渐劣化。由于绝缘纸板长期浸泡在绝缘油中，一旦因短路产生火花，绝缘纸板极易着火，引发套管爆炸、释压阀喷油、变压器箱体开裂等事故，并造成变电站内其他电气设备损坏，影响电网的安全运行，带来重大经济损失。因此，研究绝缘纸板的燃烧特性，对提高站内设备火灾预防水平具有重要意义。

1 试验设计方案

为研究绝缘纸板的燃烧特性，选取某变压器设备生产商的绝缘纸板，纸板厚度为2 mm，试验前将绝缘纸板裁剪为20 cm×20 cm的方形试样，用酒精擦拭试样表面去除污染物后，放置于25 ℃的干燥箱中干燥6 h，取出后再放置于室温条件下保持24 h。

试验时，采用锥形量热计按照ISO 5660标准试验方法，通过外加热辐射方式模拟绝缘纸板在不同规模火灾事故中可能受到的热辐射。每组试验均开展3次，分别记录绝缘纸板的着火时间、质量变化和热释放速率，并取平均值。

试验在恒温的室内开展，确保环境因素相对统一；取5组试样，并分别设置5种外加热辐射通量条件，初始外加热辐射通量设为30 kW/m2，之后依次在此基础上逐次增加15 kW/m2，直至最高辐射通量达到90 kW/m2。

2 试验结果分析

2.1 绝缘纸板的着火时间

着火特性对于测量可燃物引起的火灾危险十分重要，测量绝缘纸板着火时间可为后续变压器火灾预警及消防措施选择提供重要参考。绝缘纸板在不同外加热辐射通量下的着火时间如图1所示。

图1 不同外加热辐射条件下绝缘纸板着火时间

由图1可知，随着外加热辐射通量增加，绝缘纸板着火时间越短，绝缘纸板发生火灾的时刻越快；但着火时间的减少与外加辐射热通量增加并非线性关系，着火时间减少的速率比外加辐射热通量增加的速率要快。在外加热辐射通量为30 kW/m2的情况下，绝缘纸板的着火时间约为196 s；而当外加热辐射通量达到90 kW/m2时，着火时间仅需要约17 s，着火时间大大缩短。这一现象与其他材料的研究结果基本类似。

2.2 质量损失率

图2为不同外加热辐射条件下，绝缘纸板点燃后的质量变化曲线。

由图2可知，随着外加热辐射通量的不断增加，绝缘纸板的质量损失速率也随之加快。在燃烧前期，质量损失率随时间增长，呈线性增长趋势，到达波峰后下降，进入衰减期。

图2 不同外加热辐射条件下绝缘纸板质量损失

在外加热辐射通量为30 kW/m2和45 kW/m2的条件下，绝缘纸板的质量损失均缓慢增加；外加热辐射达到60 kW/m2时，绝缘纸板着火后质量损失大幅度增加，达到峰值后，绝缘纸板残余质量变小，相应的质量损失变小，进入质量缓慢衰减期。

2.3 热释放速率

热释放速率用于表征火灾的增长速度和规模。绝缘纸板在不同外加热辐射通量下的热释放速率变化规律如图3所示。

图3 不同外加热辐射条件下绝缘纸板热释放速率

由图3可知，在绝缘纸板开始燃烧时，绝缘纸板的热释放速率为0；随着外加热辐射通量的增加，绝缘纸板的热释放速率曲线发生了变化，部分外加热辐射通量下，出现多了个热释放速率峰，尤其是外加热辐射达到60 kW/m2时，热释放速率曲线上均出现了双峰。但由于不同外加热辐射通量条件下，随着燃烧时间增加，绝缘纸板并未再次发生大量的热释放现象。因此，相对而言，在火灾初期外加热辐射通量增加对绝缘纸板火灾隐患更大，需及时处理。随着燃烧时间增加，长时间燃烧下的火灾隐患未再显著增加。试验中，不同外加热辐射通量条件下，绝缘纸板热释放参数如表1所示。

表1 绝缘纸板的热释放速率参数

根据表1参数可知，不同外加热辐射通量下，绝缘纸板热释放速率峰值差异较大，在90 kW/m2的外加热辐射通量下，59 s绝缘纸板的热释放速率就能达到400.01 kW/m2，是30 kW/m2的外加热辐射通量下热释放速率峰值299.47 kW/m2的1.34倍，且峰值时间大大缩短；而90 kW/m2的外加热辐射通量下其第二个峰值到达时间仍早于30 kW/m2时的情况，且热释放速率仍较大。因此，当外加热辐射通量增加时，绝缘纸板将面临着更为严峻的火灾隐患，对于长期高温运行的变压器或处在高温等极端条件下的变压器，需要做好火灾事故初期的应急预案，防患于未然。

3 结论

采用锥形量热计试验研究了绝缘纸板在外加热辐射通量下燃烧特性，分析了绝缘纸板的着火时间、质量损失和热释放速率的情况。结果表明，外加热辐射通量增加到一定程度时，绝缘纸板质量损失及热释放速率均增加较快，其与外加热辐射通量并非线性关系，在高温、外加热辐射通量较大时，应予以重点防护。