泡沫喷雾灭变压器油火试验研究

摘要：为了探究泡沫喷雾灭火系统在变压器油火应用场景中的灭火效能，在70℃～300℃初始油温的工况下使用泡沫喷雾灭火系统对变压器油火进行灭火研究。研究发现，单一系统的灭火效能会随初始油温的升高而降低，泡沫喷雾施放能熄灭火焰，也能较快降低火焰温度与油品温度，能有效防止复燃发生。

关键词：变压器油；泡沫喷雾；灭火试验

变压器是变电站、换流站中的核心设备，近年来变压器事故时有发生，一旦发生火灾不仅损坏站内昂贵设备、威胁站内人员安全，而且往往会导致大面积的停电事故，造成更为严重的后续经济损失。因此，研究固定消防设施扑灭变压器油火是近年的热点。

变压器油自身是一种高闪点（大于130℃）、高燃点（350℃）液体，因此在常温下很难被引燃[1]，汪亚龙[2]通过改变油盘尺寸、油品的初始油温、油品的厚度探究了KI50X变压器油的燃烧特性。在发生事故时，局部的高温会加速变压器油蒸发，引发气体膨胀，故障电弧会引燃变压器油蒸汽，容易发生爆炸，造成变压器内大量变压器油泄露，并在漏油池进一步形成油池火[3]。陈晟[4]研究了变压器油池火的燃烧规律，探究了油池火稳定燃烧时的热释放速率和辐射热量。由于变压器油工作温度较高（65℃～90℃），且热值较大，容易形成难以扑灭的热油火，一般变电站的变压器之间布置较为紧密，如果不能及時扑灭火灾，将会有火灾进一步蔓延的风险。消防车上常用的水炮、干粉炮、泡沫炮都不能迅速有效地处理该类火灾[5， 6]。张佳庆[7]研究了超细干粉灭热油火的规律，发现超细干粉能有效扑灭200℃以下的初期火灾且不会复燃，但燃烧时间超过1min后就有复燃风险。现有的固定灭火设施[8]以泡沫喷雾为主，但泡沫喷雾因其发泡不充分，响应时间较慢，热稳定性较差，在大面积变压器油火的这种高热辐射场[9]中难以在短时间内完全覆盖油面，所以希望引入固定干粉灭火设施[10]来与泡沫喷雾系统形成联用系统[11]，能够更迅速更高效地扑灭变压器火灾。文章主要研究不同初始油温对泡沫喷雾灭变压器油火的影响。

一、试验设计

（一）试验台

试验台由上部泡沫喷头（2个）和干粉喷头组成，下方由油盘、加热炉、隔热板和天平组成，温度测量装置主要由火焰羽流中心线温度、油温和油盘壁面温度的热电偶组成，布置方式如图1所示，干粉与泡沫喷头均可灵活调整高度。油盘直径350mm，侧壁高200mm，油盘上方的热电偶束，间距200mm，最低T5距油面200mm；油盘中热电偶束自油盘底部中心位置，竖直间隔10mm，水平间隔10mm，依次排布；油盘侧壁热电偶自油盘底部间距10mm，依次排布。

（二）油品、灭火剂与泡沫喷头的选择

试验变压器型号选择的是昆仑润滑油公司生产的KI25X型，这是目前国内换流站大型变压器主要使用油品；选用3%AFFF作为此次泡沫灭火剂。

（三）工况设计

试验在装有顶部排烟净化装置的4m×8m×4m的房间内进行，忽略环境风速影响，试验环境温度在10±5℃。试验工况如表1。

（四）试验步骤

向油盘内注入30mm厚变压器油，加热炉将油品加热至指定温度，使用庚烷或火源引燃油品，燃烧到达90s后，施放灭火剂（联用情况下，先使用干粉扑灭明火，再施放泡沫），灭火完成后待油温降至100℃以下，停止泡沫施放，此时认定灭火成功且无复燃风险。期间使用热电偶记录火焰温度、油温、壁温变化；使用天平记录油盘整体质量变化和干粉罐施放前后质量差；使用摄像机记录灭火全过程火焰羽流形态变化。

二、实验结果与分析

启动单一的泡沫喷雾灭火系统，在灭火过程中出现了明显的火焰加强现象如图2，持续喷射一段时间后火焰逐渐熄灭，在变压器油燃烧达到稳定燃烧状态后施加泡沫喷雾，液滴在落下后迅速蒸发压低火焰温度，但液滴落入油盘后会使油品剧烈沸腾，使油品的蒸发速率加速，增加了油品的燃烧速率，同时泡沫喷雾的喷射动能会增加空气扰动，使油品蒸汽更充分地与新空气混合，所以会出现火焰加强的情况。

在泡沫灭火过程中，灭火时间会随着初始油温的升高而明显增长，具体数据见图3（d），初始油温越高，火焰能更快达到稳定燃烧状态，且燃烧速率更快。

在图3（a）中，使用庚烷引燃变压器油后经过约90s达到稳定燃烧状态，在施放泡沫后迅速被熄灭，没有出现火焰温度再升高的现象，火焰被迅速熄灭。在图3（b）中，初始油温为220℃的状态下，引燃后火焰只经过约20s迅速达到稳定燃烧状态。在泡沫施放后，火焰温度出现明显的先下降后反弹的现象，对应了灭火过程中的火焰增强现象，并经过泡沫31s的持续喷放才熄灭。在图3（c）中，初始油温为300℃的状态下，油品发生自燃现象，火焰迅速升温达到稳定燃烧状态，在施加泡沫后，火焰上层温度出现了迅速升高的现象，火焰下层温度受液滴蒸发影响而压低，但油品也因液滴落入油盘中而沸腾，加速蒸发，而油品蒸汽受扰动后向上扩散，在上层与空气更充分混合，燃烧更为剧烈。在灭火过程中火焰温度出现多次温度反弹现象，经过84s明火熄灭。

三、结语

通过对比不同初始油温工况下的泡沫喷雾灭火系统的灭火效能发现：泡沫喷雾的灭火过程会出现明显的火焰加强情况，且随着初始油温的升高，灭火时间随之增长；及时施放泡沫能迅速降低油盘上方温度场温度、油品温度甚至油盘的壁面温度，而且能使泡沫迅速覆盖油面，使可燃蒸汽与空气隔离，有效防止油品复燃的发生。

参考文献：

[1]Karthik R，Raja TSR.Investigations of transformer oil characteristics[J].IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering，2012，07（04）： 369-374.

[2]汪亚龙，黎昌海，张佳庆，等. 油浸式变压器火灾事故的特点与灭火对策研究[J].安全与环境工程， 2019， 26（06）： 166-171.

[3]ZHANG B，ZHANG J，HUANG Y，et al.Burning process and fire characteristics of transformer oil[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2020，139（03）： 1839-1848.

[4]陳晟，邓洁清，鞠振福，等.变压器油池火燃烧规律的实验研究[J].中国安全生产科学技术， 2020， 16（08）： 63-68.

[5]李姝.干粉灭火剂灭火效能的研究[J].消防科学与技术，2018，37（07）： 954-957.

[6]张佳庆，尚峰举，洪清泉，等.超细干粉灭变压器热油火有效性研究[J].变压器，2021（11）： 55-60.

[7]JIA W，QIU H-H. Experimental investigation of droplet dynamics and heat transfer in spray cooling[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2003，27（07）： 829-838.

[8]FANG J，ZHENG S，WANG J，et al.An analysis of heat feedback effects of different height embedded plates on promotion of pool fire burning using a variable B number[J].International Journal of Thermal Sciences，2019，145（11）： 7.

[9]ZHAO G，XU G，JIN S，et al.FIRE-EXTINGUISHING EFFICIENCY OF SUPERFINE POWDERS UNDER DIFFERENT INJECTION PRESSURES[J].Combustion，2019，2019（04）：1-7.

[10]王馨，严震海，武红梅.水成膜泡沫与超细干粉灭火剂联合灭火试验[J].船海工程， 2017， 46（03）： 41-5+9.

作者简介：王鹏举（1997—），男，湖北随州人，硕士研究生，研究方向：防火工程。