基于火焰蔓延儀的典型換流變壓器絕緣油燃燒特性試驗研究

汪亞龍，黎昌海，張佳慶，尚峰舉，陸守香，范明豪，王劉芳

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027；2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601)

換流變壓器是特高壓輸電工程的核心設備之一，我國典型換流變壓器的儲油量在130～200 t之間。絕緣油在變壓器中扮演著重要角色，其作用包括冷卻、絕緣和消弧等，其儲油量較大，絕緣油為高閃點(通常大于130℃)液體，一般條件下難以被點燃。但近年來，國內外發生了數起嚴重的變壓器火災事故[1-8]，這些事故具有火災發展迅猛、規模大和撲救難度大等特點，這說明在一定高能條件下，絕緣油仍然能快速燃燒并放出大量熱量。

液體燃料一般不會直接與氧氣發生燃燒反應，而是需要先受熱蒸發產生可燃蒸氣，可燃蒸氣再與氧氣混合在高溫條件下發生燃燒反應，燃燒速率與蒸發速率密切相關，而蒸發速率與液體溫度有關，液體溫度越高，蒸發速率越快，燃燒速率也越大[9]。

KI50X型絕緣油是我國換流變壓器最通用的絕緣油，其閉杯閃點為140℃，密度為881 kg/m3，性狀為無味黏稠液體[10]，加氫處理輕質環烷基餾分含量大于99.6%其余成分為2,6-二叔丁基對甲酚[10]。國內外研究人員高度關注絕緣油的火災特性，如范明豪等[11]利用ISO 9705全尺寸熱釋放速率試驗臺，研究了油盤尺寸(邊長為250 mm、300 mm、400 mm正方形)對克拉瑪依DB-25號變壓器絕緣油的熱釋放速率、質量損失速率、中心線處及煙氣層溫度等燃燒特性參數的影響；Jonsson[12]利用錐形量熱儀，開展了針對500 kV油浸套管的絕緣系統和500 kV樹脂套管的絕緣系統中提取的絕緣油、油浸紙、樹脂浸漬紙等典型絕緣介質的火災試驗研究，結果表明絕緣油的點火時間小于10 s，峰值熱釋放速率達2 700 kW/m2，火災危險性僅次于油浸紙，且游離狀態的絕緣油占油浸絕緣套管系統總釋放能量的60%以上；張博思等[13]采用錐形量熱儀開展了外加輻射熱通量分別為20 kW/m2和50 kW/m2條件下，不同初始油溫對變壓器絕緣油燃燒特性影響的試驗研究，結果表明變壓器初始油溫的升高導致絕緣油點燃時間的縮短以及峰值熱釋放速率和CO生成速率的增大[13]。

由于特高壓換流變壓器絕緣油與常規變壓器絕緣油的成分不同，并且前人的研究中很少涉及不同油層厚度和輻照強度對典型換流變壓器KI50X型絕緣油燃燒特性的影響，因此對于特高壓直流變壓器絕緣油的研究仍存在不足。特高壓換流站中的換流變壓器往往成排地密集布置，兩兩之間使用防火墻隔開。在實際火災場景中，換流變壓器著火后可能發生爆炸，變壓器本體或油枕可能產生破口，變壓器絕緣油在自然油壓的作用下向外猛烈噴出，在破口附近的地面上形成油池，并可能被點燃，形成油池火。換流變壓器的儲油量大，處在工作狀態的變壓器油溫較高，根據《變壓器運行規程》(DL/T 572—95)的規定，油溫一般在70℃～95℃之間，事故條件下的油溫可能更高。因此，換流變壓器絕緣油火災具有燃燒劇烈、撲救難度大、滅火時間長等特點，著火的換流變壓器會對周圍環境發出強烈的熱輻射，可能引燃鄰近換流變壓器或者流淌到地面上的變壓器絕緣油，造成火災的蔓延及損失的擴大。此外，油層初始厚度的增大，能夠延長油池穩定燃燒時間，且能夠使得沸騰燃燒速率明顯增加，從而影響油料的燃燒特性[14]。因此，有必要研究油層厚度和外加輻照強度對換流變壓器絕緣油燃燒特性的影響，為采取有效的防滅火策略提供依據。

為此，本文利用火焰蔓延儀開展了不同油層厚度和外加輻照強度對典型換流變壓器KI50X型絕緣油的點燃時間、熱釋放速率、CO及煙氣生成速率等燃燒特性影響的試驗研究，并計算了該絕緣油的火災增長系數，為換流變壓器制定有效的防滅火策略提供參考。

1 試驗裝置與工況設計

1.1 火焰蔓延儀

火焰蔓延儀(Fire Propagation Apparatus,FPA)是一種可以模擬一定熱源條件下材料被點燃和燃燒蔓延的儀器，其量熱系統基于氧耗原理，符合ASTM E2058和ISO 12136標準，能夠反映火災實際情況，受到國際廣泛的認可[15]。值得注意的是，與錐形量熱儀等同類儀器相比，其輻射熱源水平分布在樣品四周，克服了煙氣二次輻射、熱源二次輻射等因素造成的輻射熱偏差的缺點，因此FPA的輻射熱源優于錐形量熱儀等裝置[15]。

本試驗使用鎢-石英紅外線加熱器對樣品施加輻射熱，利用位于油盤上方的標準乙烯-空氣預混引燃火焰，樣品燃燒完畢后，關閉紅外加熱器，燃燒過程中的煙氣被集氣罩收集，通過煙氣分析儀、光密度傳感器等裝置進行數據分析。

1.2 試驗工況設計

本次采用火焰蔓延儀(FPA)開展了不同外加油層厚度和輻照強度對典型換流變壓器KI50X型絕緣油(以下簡稱絕緣油)的燃燒特性影響的試驗研究。試驗場地裝有空調系統，保持室溫為25℃，空氣濕度為75%。使用注射器將直流變壓器KI50X型絕緣油注入直徑為100 mm、側壁高為2.5 mm的沖壓成型鋁制油盤中。本次試驗工況設計如下：工況P1～P10，外加輻照強度為50 kW/m2，油量(油層初始厚度)分別為5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、40 mL、45 mL、50 mL；工況P6、B1～B10，油量為30 mL，外加輻照強度分別為50 kW/m2、45 kW/m2、40 kW/m2、35 kW/m2、30 kW/m2、25 kW/m2、20 kW/m2、15 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2。

2 結果與分析

2.1 不同油層厚度和外加輻射強度對換流變壓器KI50X型絕緣油點燃時間的影響

點燃時間(Time to Ignition,TTI)反映了試樣的火災危險性[16-19]，點燃時間越長，試樣火災危險性越低，耐熱性能越好[20]。換流變壓器KI50X型絕緣油的點燃時間隨油量(油層初始厚度)的變化曲線見圖1。

圖1 不同油量(初始油層厚度)對KI50X型絕緣油 點燃時間的影響Fig.1 Effect of different oil volumes (initial oil layer thickness) on the ignition time of the insulation oil KI50X

由圖1可見，在5～25 mL油量(0.637～3.185 mm初始油層厚度)的條件下，換流變壓器絕緣油的點燃時間隨油量的增加而緩慢增加，在30 mL油量時絕緣油點燃時間大幅增加，隨后出現了一個轉折點，在30～50 mL油量時其呈現下降趨勢，隨后保持在40 s左右。

絕熱狀態下，燃料溫升所需的時間(t0)與油量(VOil)的關系式如下：

(1)

考慮到燃料的蒸發，液面上方的蒸氣壓隨著液體溫度的升高而增加[21]，根據克勞修斯-克拉佩龍方程，液體蒸氣壓(POil)與液體溫度(TOil)之間的關系符合下式：

(2)

式中：Lvap為燃料的蒸發潛熱(J/kg)；R為理想氣體常數；C為常數。

根據公式(1)，在燃料油層厚度較薄時，同樣的外加輻照強度下，燃料被加熱到沸點的時間也較短。然而，如圖1所示，隨著燃料油層厚度的增加，被輻射熱加熱的有效厚度卻并未增加，這導致油量增大到一定值后，燃料點燃時間卻并未出現顯著增加。

根據公式(2)，在相同的油量條件下，液體蒸氣壓與燃料溫度呈正相關，因此隨著外加輻照強度的增加，燃料表面升溫速度增加，因此其點燃時間也隨之減小。不同外加輻照強度對換流變壓器KI50X型絕緣油點燃時間的影響見圖2，這與試驗結果是一致的。

圖2 不同外加輻照強度對KI50X型絕緣油點燃時間的 影響Fig.2 Effect of different external irradiation intensity on the ignition time of the insulation oil KI50X

2.2 不同油層厚度和外加輻射強度對KI50X型絕緣油熱釋放速率(HRR)的影響

熱釋放速率(Heat Release Rate,HRR)指試樣燃燒過程中釋放熱的速率，是確定火災危險性的重要變量之一[22]?；贏STM E2058—2006標準，利用氧耗法量熱原理，對試樣燃燒生成的氣體進行測量，可以得到試樣的HRR值。本試驗測得的不同油量(油層初始厚度)和不同外加輻照強度下KI50X型絕緣油熱釋放速率與點燃時間的關系曲線，見圖3和圖4。

圖3 不同油量(初始油層厚度)下KI50X型絕緣油熱釋放 速率隨點燃時間的變化曲線Fig.3 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different oil volumes (initial oil layer thickness)

圖4 不同外加輻照強度下KI50X型絕緣油熱釋放速率 隨點燃時間的變化曲線Fig.4 Variation curves of heat release rate of insulation oil KI50X versus time with different external irradiation intensities

室溫(290K)狀態下，13 mm深度的庚烷池火燃燒狀態呈現出5個階段[23]：①初始發展期；②穩定燃燒期；③過渡期；④整體沸騰燃燒期；⑤衰減期。要使燃燒經歷以上5個階段，需要油池有足夠的油量。與試驗現象相對應，對于25 mL以下油量的試驗組，試驗過程中未觀察到燃料明顯的沸騰現象，即燃料燃燒由于油量不足，終止在了整體沸騰燃燒期之前，此時對應的油層初始厚度為3.185 mm；而對于35 mL以上油量的試驗組，試驗中觀察到了燃料燃燒經歷了上述5個階段。

由圖3可見，固定外加輻照強度(50 kW/m2)，且油量為30 mL以上時，絕緣油初始發展期對應的點燃時間為30～50 s，此時KI50X型絕緣油的HRR值迅速增加；絕緣油穩定燃燒期對應的點燃時間為50～80 s，此時KI50X型絕緣油的HRR值增速明顯放緩，油層表面開始出現氣泡，HRR曲線出現一個臺階；過渡期對應KI50X型絕緣油HRR值的突然增加，對應的點燃時間為80～110 s，此時油層表面出現大量氣泡，沸騰狀態下絕緣油的熱交換被大大加強。對于50 mL油量的試驗組，KI50X型絕緣油的HRR值可達880 kW/m2，約是其穩定燃燒階段150 kW/m2的6倍；隨后由于燃料耗盡，轉入衰減期，火焰明顯減弱。外加輻照強度為30 kW/m2、油量為30 mL絕緣油燃燒的5個階段對應的圖片,見圖5。

圖5 KI50X型絕緣油燃燒的5個階段Fig.5 Five stages of insulation oil KI50X combustion

由圖4可見，外加輻照強度的增加使得絕緣油的點燃時間縮短，在圖4中反映為絕緣油的HRR初始發展期的提前；對于相同油量，不同外加輻照強度的各試驗組，KI50X型絕緣油的HRR曲線的趨勢基本一致，但KI50X型絕緣油燃燒的5個階段對應的點燃時間略有不同。

2.3 不同油面厚度和外加輻射強度對KI50X型絕緣油CO及煙氣生成速率的影響

本試驗測得的不同油量(初始油層厚度)和不同外加輻照強度條件下KI50X型絕緣油的CO生成速率隨時間的變化曲線，見圖6和圖7。

圖6 不同油量(油層初始厚度)下KI50X型絕緣油CO 生成速率隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different oil volume (initial oil layer thickness)

圖7 不同外加輻照強度下KI50X型絕緣油CO生成速 率隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of CO generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensity

CO生成速率的增加表明燃料燃燒不充分程度提高[24]。由圖6可見，當油量低于15 mL時，絕緣油CO生成速率的峰值隨油量的增加而增加；當油量高于15 mL時，絕緣油CO生成速率的峰值不再增加，這表明隨著油量的增加，絕緣油的燃燒效率先減小后不變。

由圖7可見，在油量一定的情況下，隨著外加輻照強度的減小，絕緣油CO生成速率的峰值緩慢下降，這表明外加輻照強度越高，絕緣油的燃燒效率越低。

由此可見，在進行絕緣油火災毒性分析時，應當考慮外加輻照強度因素的影響。

本試驗測得的不同油量(油層初始厚度)和不同外加輻照強度條件下KI50X型絕緣油的煙氣生成速率(rate of smoke release，RSR)隨點燃時間的變化曲線，見圖8和圖9。

圖8 不同油量(油層初始厚度)下KI50X型絕緣油煙氣 生成速率隨時間的變化曲線Fig.8 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different oil content (initial oil layer thickness)

圖9 不同外加輻照強度下KI50X型絕緣油煙氣生成速率 隨時間的變化曲線Fig.9 Variation curves of smoke generation rate of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由圖8可見，不同油量下絕緣油煙氣生成速率呈現出明顯的差別；絕緣油煙氣生成速率的峰值隨油量的增加而增加，絕緣油煙氣生成速率峰值出現的時間隨油量的增加而延遲。

由圖9可見，外加輻照強度的增加導致絕緣油煙氣生成速率的峰值增加。由此可見，油量或外加輻照強度的增加會導致絕緣油煙氣生成速率的增大。

2.4 火災增長系數

通常采用火災增長系數(Fire Growth Index,FGI)從熱釋放的角度來表征材料點燃后火災的發展速率。如果材料的FGI值很高，表明材料具有很高的火災危險性。對于地鐵車輛內裝板材而言，FGI值一般在0.09～1.20之間[20]。FGI的計算公式如下：

FGI=pkHRR/tpkHRR

(3)

式中:pkHRR表示峰值熱釋放速率(kW/m2)；tpkHRR表示峰值熱釋放速率出現的時間(s)。

對于相同外加輻照強度下的不同油量(油層初始厚度)以及對于相同油量下的不同外加輻照強度，絕緣油峰值HRR及其出現的時間，見圖10和圖11。

圖10 不同油量下KI50X型絕緣油峰值熱釋放速率及其 出現的時間Fig.10 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different oil volume

圖11 不同外加輻照強度下KI50X型絕緣油峰值熱釋放 速率及其出現的時間Fig.11 Peak value of HRR and its occurrence time of insulation oil KI50X with different external irradiation intensities

由圖10可見，絕緣油峰值HRR在5 mL油量時不到400 kW/m2，隨著油量的快速增加，在15 mL油量時其增速放緩，隨后在50 mL油量時，絕緣油的峰值HRR不到900 kW/m2。

由圖11可見，隨著外加輻照強度的增加，在輻射強度為5～10 kW時絕緣油的峰值HRR出現了顯著增長，但隨后其峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波動。

根據圖10和圖11的數據計算得到的KI50X型絕緣油火災增長系數(FGI)與油量和外加輻照強度的關系，見圖12和圖13。

圖12 KI50X型絕緣油火災增長系數(FGI)與油量的 關系Fig.12 Relation between FGI and Oil Volume of insulation oil KI50X

由圖12可見，就火災增長系數而言，油量的增加并未導致絕緣油火災危險性持續增加；在15 mL油量(1.911 mm油層初始厚度)情況下，絕緣油的火災危險性最高，而對于25 mL以上油量的情況下，該絕緣油的火災增長系數在8左右小幅度波動。

圖13 KI50X型絕緣油火災增長系數(FGI)與外加輻照 強度的關系Fig.13 Relation between FGI and external irradiation intensity of insulation oil KI50X

由圖13可見，絕緣油的火災增長系數隨著外加輻照強度的增加而基本呈現線性增長，結合圖11分析，不同外加輻照強度下絕緣油的峰值HRR基本一致，而絕緣油的峰值HRR出現的時間卻隨著外加輻照強度的減小而延后。

3 結 論

本文利用火焰蔓延儀開展了不同油面厚度和外加輻照強度對典型換流變壓器KI50X型絕緣油的點燃時間、熱釋放速率(HRR)、CO與煙氣生成速率等燃燒特性影響的試驗研究，并計算了該絕緣油的火災增長系數，得到如下結論：

(1) KI50X型絕緣油的點燃時間隨著外加輻照強度的增大先迅速縮短，而后緩慢縮短。本試驗中，油層厚度小于3.2 mm的工況下，絕緣油的點燃時間隨著油量的增加而增加，油層厚度大于3.8 mm的工況下，絕緣油的點燃時間隨油量的增加呈現下降趨勢，隨后保持在40 s左右。

(2) 油層厚度在4.4 mm以上時，能夠完整經歷池火燃燒的5個典型階段，并且油層的熱釋放速率(HRR)變化趨勢能夠與之對應。

(3) 根據KI50X型絕緣油的CO生成速率試驗結果，隨著油量的增加，絕緣油的燃燒速率先降低后不變；隨著外加輻照強度的增加，絕緣油的燃燒速率下降。

(4) KI50X型絕緣油的峰值HRR從5 mL油量下的不到400 kW/m2，隨著油量的快速增加，隨后增速放緩，在50 mL油量時，絕緣油的峰值HRR不到900 kW/m2；而隨著外加輻照強度的增加，在輻射強度為5～10 kW時絕緣油的峰值HRR出現了顯著增長，但隨后峰值HRR在800 kW/m2附近微弱波動。

(5) KI50X型絕緣油的火災增長系數隨著外加輻照強度的增加而基本呈現線性增長，而油量的增加并未導致該絕緣油的火災增長系數持續增加。