小型变压器油燃烧试验及射流火形成发展研究

小型变压器油燃烧试验及射流火形成发展研究

0换流变火灾机理大型旁通站是中国特高压供电的核心组成部分。它是能源输送的重要支撑，对防火活动有严格的要求。换流变作为换流站的主体结构，高电压、高电流、高负荷的工作环境使其易发生火灾，而换流变内部存在的大量绝缘可燃材料和变压器油等可燃物，加剧了换流站火灾严重程度，不仅给附近区域的工农业生产带来极大冲击，而且严重影响电网的正常运行。受换流变内部金属材料材质、分布、数量影响，其火灾呈复杂性、多样性换流变中的变压器油火灾作为一种高强度湍流燃烧现象，常伴随出现沸腾液体蒸发蒸气爆炸(BoiledLiquidEvaporateVaporExplosion,BLEVE)、射流火等复杂现象。19世纪70年代，REID现有文献主要依靠国外研究数据和经验进行模拟分析，缺乏系统研究，且研究方向均在天然气等可燃气泄漏的BLEVE现象及机制方面，而射流火方面的研究则集中在稳定流量的可燃气泄漏火灾上，针对电力系统中换流变发生液体火灾时，外部火包裹罐体出现射流火的特殊形式以及罐内金属材料的体积对射流火火灾发展的影响研究较少。鉴于此，笔者拟自行搭建圆柱形罐体的变压器油燃烧试验平台，研究换流变内变压器油的量、铁芯及绕组等所占体积对射流火形成和发展的影响，以期揭示持续热源作用下射流火产生、发展、猛烈熄灭等各阶段的火焰形式，为防控换流变(变压器)火灾提供理论基础和试验数据。1换流变充放电试验试验系统装置包括储油系统、供热系统、点火系统、温度采集系统与图像采集系统5大系统，如图1所示。其中储油系统为直径220mm的圆柱形罐体，壁厚10mm，高300mm，并于底部安装高100mm的支撑三角架。罐体顶部距圆心处40mm位置开设直径15mm的孔，模拟换流变顶部套管破裂后情景。供热系统采用直径400mm的油池持续供热，模拟火灾发生后内部变压器油受热膨胀溢出，在换流变周围形成油池火情景，试验通过燃烧80mL正庚烷引燃。试验中用采集仪采集罐内热电偶所测量的油温数据，并用采集频率为60帧/s的高速摄像仪记录各阶段火焰发展状况。2罐体垂直垂直度试验系统在气压0.1MPa、20℃、风速0m/s下，将9L的圆柱形罐体垂直放置于油池中部，组装试验系统并调试点火、图像采集与温度采集系统。试验中罐体、油池内燃烧物规格为25号昆仑牌变压器油，闪点(闭口)约为145℃，密度为883kg/m3试验结果与分析3.1罐内温度变化对火焰灭燃剂系统的影响随着燃烧的持续进行，罐内压力逐渐降低，射流火动量控制作用不断衰减，控制因素从射流火形成初期的动量-浮力变为以浮力作用为主。因此，21min30s时火焰喷射高度降低，燃烧达到稳定阶段。火焰熄灭阶段中，随着罐底油池火源功率的逐渐降低，从孔口向外涌出的油蒸气逐渐减少，直至油蒸气的涌出速率与火焰传播速率失衡，造成维持火焰稳定燃烧因素被打破，火焰熄灭。对罐内油温数据处理得罐内油温随时间变化的关系如图3所示。对比分析图2和图3,19m8s时罐内油温升至138℃，恰与25号变压器油闪点相同。随着油池燃烧的不断进行，罐内油温上升速率不断降低并在320℃(沸点)左右趋于平缓。变压器油蒸发后，热电偶所测得蒸气温度380℃，变压器油蒸气温度明显大于变压器油温度，因此，所测油温变化斜率又缓慢上升。3.2稳定阶段火焰的发生时间底部油池稳定加热，罐体射流火形成、发展过程如图3和图4所示。罐内含油量分别为6.75、4.5L，罐底油池直径40cm、厚3cm，将罐底油池火引燃时间定义为t=0s。对比分析图2—图4射流火火焰发展过程，受罐体变压器油充装量减少影响，射流火出现时间从19min2s延至19min28s、19min47s，达到最大喷射高度所需时刻也从20min15s后延至20min45s、21min39s，其余各阶段火焰出现时间也有一定延后。与图2射流火稳定喷射时间相对比，图3所示射流火稳定时间缩短。随着罐内油量的继续减少，图4射流火稳定时间仅从19min47s～24min50s，持续了5min3s，持续时间大大缩短，喷射火高度也有所降低。主要原因在于罐内变压器油的减少降低了罐内整体能量，导致气-液两相流层沸腾时间以及介质泄放时间缩短，射流火喷射稳定时间也就缩短。不仅如此，在气-液两相流层沸腾时间以及介质泄放时间降低影响下，罐口处喷出气体的初始动量有所降低，动量-浮力混合控制减弱，与图2相比，稳定阶段下射流火喷射高度有所降低。图4所示射流火发展最为剧烈即21min39s，并未呈现图2、图3所示的沸腾变压器油从孔口处向外溢出现象。原因在于罐体体积恒定，随着腔体内液相变压器油量的减少，气相空气物质的量相应的增加，气相从罐顶开孔口向外涌出时引发的稀疏波传播到罐体液相所需时间就越长，对液体的过热程度和容器内的压力响应产生影响，液体沸腾减弱。而且稀疏波向下传递时间的增加，使从罐体孔口处涌出气相的降压率减小，而降压速率的降低也会导致液体过热沸腾现象趋于稳定，因此不会出现沸腾变压器油伴随着射流火从孔口处向外涌出。3.3罐内变压器油-钢珠带将点燃底部油池火的时间定义为t=0s，在含4.5L变压器油的罐体中分别总体积为1.2、2.4dm与图2所示射流火发展过程相对比，向含4.5L变压器油的罐体中分别加入1.2、2.4dm1)由于罐体内变压器油升温所需热量均来自于罐底、罐壁的传热，钢珠加入罐内后，受密度影响钢珠不断向罐体底部坠落，最终大量钢珠沉积于罐体底部，占据罐体底部液相空间，形成了厚厚的一层“油-钢珠带”，即罐底壁厚增大，热阻增大，传热量减少。而在直径40cm、厚3cm的底部油池持续、稳定供热下，罐体侧壁的传热量相同。因此，罐内变压器油要达到形成射流火能量的时间也就越长。2)由于钢球表面不平整，加入油罐后这些突起或凹陷就会在沸腾过程中成为气化核心，并在较小的过热度下，罐内变压器油产生气泡，这些气泡作为沸腾过程中传质、传热的主要载体之一，不断地将液相变压器油的能量搬运至罐体上方的空气中，强化传热效果，变压器油积聚升温所需能量的速率减缓，进而出现罐体射流火时间大幅后移的现象，根据能量守恒定律，计算如下:式中:Q由式(1)可知:当射流火焰处于稳定期，在吸热量一定条件下，气泡增多，散热增加，罐内变压器油所积攒的能量降低，单位时间内从油罐内蒸发的变压器油减少，罐内压力降低，单位时间内从孔口涌出的油蒸气流量减小，燃烧的量降低，进而出现与图4中火焰高度相比，加入钢珠后火焰高度大幅降低的现象(图6)。4罐内整体能量降低1)射流火作为换流变火灾形式之一，BLEVE现象是喷射高度达到最高的关键点，底部油池持续供热，罐内射流火不断喷出。失去供热源后，射流火火焰高度快速衰减，因此，控制换流变火灾重点在于切断供热源。2)在罐内变压器油量从9L减少至6.75、4.5L过程中，罐内整体能量降低，气-液两相流层沸腾时间、介质泄放时间缩短，射流火出现时间从19min2s延至19min28s、19min47s，受可燃蒸气从罐口涌出的初始动量降低影响，火焰喷射高度降低。3)向含4.5L变压器油的罐体中分别加入1.2、2.4dm3.1.1射流火的形成、发展底部油池稳定加热下，罐外射流火形成、发展过程如图2所示。试验初始条件为:罐底油池直径40cm、厚3cm，罐内含油9L，罐底油池火引燃时间定义为t=0s。由图2可知:按罐体射流火火焰高度变化程度，可将射流火形成、发展过程大致分为起火阶段、稳定燃烧阶段以及火焰熄灭阶段。在起火阶段中，燃烧释放的能量通过罐壁以热传导形式向