油浸式变压器着火时排油安全性和处理流程分析

杨黎明，李叶森，艾 心，杨之圣，夏海云

(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133)

电网中运行的大型电力变压器一般为油浸式电力变压器，构成的原材料包括变压器油、绝缘纸、木质垫块或压板等。尽管变压器发生火灾的概率较低，但一旦因某种原因起火，往往意味着变压器损坏，甚至引起邻近的变压器或其它电气设备损坏，对厂站造成严重的破坏，影响到电网的安全稳定运行[1]。图1为某变压器火灾照片。

图1 某变压器火灾照片

变压器着火时危险性较大，需要正确采取措施进行处理，才能将危险和损失降到最小。按照国家标准，油浸式变压器均需要配置事故排油池。事故油池可以贮存变压器漏油、排油，回收污油，防止油进入河流、水库污然水体。但能否在火灾时进行排油到事故油池，国内技术标准DL 5027-2015《电力设备典型消防规程》、DL/T 572-2010《电力变压器运行规程》等没有明确规定。而与之近似的汽轮机油系统火灾处理中，DL 5027-2015《电力设备典型消防规程》明确规定要打开事故排油门进行排油。

国内各厂站的规定也不相同。有的厂站在设计、安装时也没有考虑火灾中的排油问题，变压器事故排油阀安装位置紧靠变压器，在变压器着火时人员无法靠近事故排油阀操作排油。从近几年的一些案例上看，油浸式变压器着火时是没有进行事故排油的，变压器油燃烧长达数小时甚至10多小时[2]，风险较大难以控制。

本文旨在分析油浸式变压器着火的燃烧问题，分析事故排油的安全问题和变压器火灾正确处理流程，为相关厂站和设计单位提供参考。

1 变压器油的燃烧形式

为了加强绝缘和改善冷却散热条件，油浸式变压器将铁芯和绕组一起浸入灌满了绝缘油的油箱中。变压器油一般是矿物绝缘油，密度比水小，约890 kg/m3。变压器油的沸点为220℃左右，不易挥发，闭杯闪点高于135℃[3]，高于易燃物标准值60℃[4]，变压器油属于可燃物，但不是易燃、易爆物，在空气中可持续稳定的燃烧。

液体的燃烧有两种形式，一是液体受热蒸发成气体，与空气混合后形成可燃混合气后燃烧，二是液体受热分解成可燃气体，与空气混合后形成可燃混合气体燃烧。变压器油的燃烧是第二种，即受热后分解成可燃气体后燃烧。在热和电的作用下，变压器油会分解产生氢气和低分子烃类(甲烷、乙烯、乙炔、乙烷)混合气体，在变压器中纸等纤维绝缘固体材料会分解出一氧化碳、二氧化碳。变压器油分解产生的气体数量、成份比例、速度主要取决于故障点能量释放形式与故障点严重程度。低分子烃类气体属于易燃易爆品，变压器油分解的易燃气体中，纯乙炔的燃点最低，常压下为406～440℃。但是，当易燃气体与空气混合时，燃点会发生改变，且与压力相关，可能会远低于纯物质的着火点。当混合气体遇到明火或者温度瞬间升高达到了混合气体的最小着火能量，就会发生燃烧与爆炸。

2 变压器的着火和爆炸的过程

燃烧的三要素为燃料、空气和温度，这三要素中只要一个不满足，燃烧就不可能发生。在正常情况下，油浸变压器内部与空气隔绝，并且正常运行时温度一般小于105℃，所以不会燃烧，即使在故障情况下产生氢气和烃类气体，温度超过燃点也不会燃烧。变压器燃烧主要是从变压器喷出的油气在空气中的被引燃，引起变压器油及其他物质的持续燃烧。

当变压器内部出现严重过载、短路、绝缘损坏等故障时，绝缘油受到高温或电弧作用，受热分解产生大量烃类混合气体，使变压器内部的压力急剧上升，导致变压器安全阀动作或油箱的结构破坏，即初级变压器爆炸。初级变压器爆炸后，绝缘油、混合气体和油雾通过安全阀或变压器油箱破裂口向外猛烈释放，泄漏的热解产物混合气体和油雾与空气混合后遇到温度高于燃点的物体，比如明火、电火花、电弧、摩擦过热物体，混合气体被点燃，就会发生二次爆炸。

然而在一些高压易燃气体泄漏现象相关的火灾事故中，并没有发现明显的火源。根据其他研究者的研究与实验，普遍认为，当高压易燃气体被释放到周围的空气中时，会有一定的概率产生一个瞬态激波。周围的空气会被产生的激波剧烈压缩，从而温度会剧烈上升，当接触区域的易燃气体和空气混合物的温度上升的足够快时，混合气体就有一定的概率发生自燃，自燃会最终过渡成湍流扩散燃烧[5]。

3 变压器事故油池

关于变压器事故油池，国家、行业技术标准对其做了相应要求[6-9]：

1)油浸式变压器及其它充油电气设备单台油量在1 000 kg以上时，应设置贮油坑及事故油池。

2)贮油坑容积应按贮存单台设备100%的油量确定。当贮油坑底设有排油管，能将油安全排至总事故油池时，其容积可按20%的油量确定。排油管的内径不应小于150 mm，管口应加装铁栅滤网。

3)贮油坑内应铺设卵石层，其厚度不宜小于250 mm，卵石粒径为50～80 mm。应定期检查和清理，以不被淤泥、灰渣及积土所堵塞。

贮存100%设备油量的贮油坑上部宜装设栅格，其净距不大于40 mm，并在其上铺设卵石层。

4)总事故油池的容积按最大一台充油箱的全部油量确定。当设有固定式水喷雾灭火系统时，总事故油池的容积应按贮存最大一台充油箱油量与其灭火水量之和确定。

5)设置有带油水分离措施的总事故油池时，位于地面之上的变压器对应的总事故油池容量应按最大一台变压器油量的60%确定；位于地面之下的变压器对应的总事故油池容量应按最大一台主变压器油量的100%确定。

按上述标准规定，大中型油浸式变压器均应设置事故油池。但相关标准中未明确规定事故油池的使用条件、是否可以用于火灾时排油。

4 变压器着火时打开事故排油阀排油的利弊分析

变压器贮油坑、事故油池布置见图2，贮油坑位于变压器下方。变压器排油时，打开变压器排油管控制阀，变压器内的油通过变压器排油管排到贮油坑，再通过贮油坑排油管自流进事故油池。

图2 变压器贮油坑、事故油池结构图

变压器着火时，在灭火装置不启动情况下，要确定能否排油，需要考虑以下三个问题：

1)变压器喷出的油在卵石上表面燃烧时，会不会点燃变压器排到贮油坑的油。

2)排到卵石之上的油点燃后能不能持续燃烧。可燃物的燃烧是氧化作用，需要在最低氧浓度以上进行，一般氧浓度低于15%时，就不能维持燃烧。因为卵石的隔氧效果，油不能在坑下持续燃烧，只能是分解的可燃气体上升到卵石上表面后在空气中燃烧。燃烧着的油进入贮油坑必然不能在坑内燃烧，但初燃时分解的可燃气体上升到卵石上表面燃烧时产生的热量对贮油坑内油的热效果能否持续使其分解产生可燃气体，维持气体的燃烧。

3)变压器着火时排油对变压器内部的危害是不是增大。

上面3个问题任一个问题的答案如果是肯定的，那么排油反而增加了风险。下面分别对这三个问题进行分析。

4.1 油在卵石上表面燃烧时热力学分析

根据标准，变压器下鹅卵石的总厚度为250 mm，平均直径为60 mm。为了能够进行热力学计算，现需要进行如下假设：

1)燃烧的油附着在鹅卵石表面，且燃烧过程稳定，传热量不随时间变化；

2)鹅卵石由于附着燃油，故最表面温度假设为燃油的着火点温度；

3)将总鹅卵石层看成均匀的平板型鹅卵石层与空气层的组合结构，如图3所示，因此，可以将该传热问题看成一个多层结构的大平板一维传热问题。

图3 鹅卵石层传热结构图

为了获得传热物体温度场的数学表达式，必须根据能量守恒定律和傅里叶定律来建立物体中的温度场应当满足的变化关系式，即导热微分方程。

下面从导热物体中任意取出一个微元平行六面体来做该微元体能量收支平衡的分析。设物体中有内热源，其值为Φ，它代表单位时间内单位体积重物体产生或消耗的热能。

与空间任一点的热流密度矢量可以分解为三个坐标方向的分量一样，任一方向的热流量也可以分解成x、y、z坐标轴方向的分热流量，如图4中Φx，Φy及Φz所示。通过x=x，y=y，z=z三个微元表面导入微元体的热流量可根据傅里叶定律写出为：

图4 微元体的导热平衡方程

(1)

式中，(Φx)x表示热流量在x方向上的分量(Φx)在x点的值，其余类推。通过x=x+dx、y=y+dy、z=z+dz三个表面而导出微元体的热流量亦可按傅里叶定律写出如下：

(2)

对于微元体，按照能量守恒定律，在任意时间间隔内有以下热平衡关系：

导入微元体的总热流量+微元体内热源的生成热=导出微元体的总热流量+微元体内能增量

(3)

而在该过程中，为一维大平板稳态导热问题，因此导热微分方程可简化为[10]

(4)

其中，q为热流密度；λ为导热系数；δ为厚度；Δt为温差。

多层结构的大平板，可以将每一层结构看成一个热阻，如图5示。

图5 多层平板结构结构热阻计算模型

由此模型与图3的结构图可得到

(5)

根据查阅文献与资料，取热流密度q=1 000 W[11]，空气的导热系数λ1=0.049 W/m·℃，鹅卵石上表面温度t1=350℃，鹅卵石的导热系数λ1=2.2 W/m·℃。

代入公式可以得到：鹅卵石下表面的温度为78℃。

该温度远低于变压器油闪点、燃点以及混合气体燃点，因此若燃烧的变压器油不进入集油坑，集油坑中的油并不会发生燃烧的情况。

4.2 油分解的易燃气体在卵石上表面燃烧时热力学分析

变压器油未燃烧，只是鹅卵石上部有油分解的易燃气体燃烧，易燃气体燃烧的火焰温度可达1 400℃，因此热辐射不能被忽略，理应计算。合理化假设：

1)燃烧时间充分，整个燃烧过程成稳定状态；

2)不考虑环境中的风速影响，热对流换热部分为自然对流，且为层流状态；

3)因为易燃气体的比例无法确定，因此，燃烧温度，混合气体的热物性，选取各纯净易燃气体的均值。

热对流，热辐射，热传导分开计算如下：

热对流：

q1=h(tf-tw1)

(6)

式中，q1为对流传热的热流密度；h为对流传热系数，取0.3 W/m2·K；tf为火焰温度，取1 400℃；tw1为鹅卵石上表面温度。

热辐射：

(7)

其中，q2为热辐射的热流密度；ε为发射率(考虑角系数之后)，取0.02[11]；C为辐射系数，取5.67 W/m2·K4。

热传导：

(8)

其中，空气的导热系数为λ1取0.049 W/m·℃；鹅卵石的导热系数λ2为2.2 W/m·℃；tw2为鹅卵石下表面温度。

总热流密度

q=q1+q2+q3

(9)

取q=q3=1 000 W，联立方程可得，tw1=335℃，tw2=63℃。

鹅卵石下表面温度63℃低于变压器油闪点，因此贮油坑不会持续分解出可燃性气体，鹅卵石上表面的气体燃烧是不可持续的。

4.3 变压器着火时排油对变压器内部的影响

上述分析表明，变压器油排进贮油坑后不会燃烧。下面主要在变压器已停电状态从对火势的影响方面分析变压器着火时打开事排油阀排油的影响。

1)变压器油箱未破裂，油气从压力释放阀喷出着火。由于变压器已从电力系统隔离，变压器内部放电能量已消除，若变压器无外部能量加热，变压器内部油不会再分解产生可燃气体。压力释放阀暂时自动关闭，变压器内部可能存在部分可燃气体，压力恢复压力释放阀动作压力以下。燃烧物质和形式为变压器喷出热油在变压器表面燃烧。此时如果不排油，变压器内部油在表面火焰加热下可能继续分解产生可燃气体，压力释放阀继续动作喷出油气继续燃烧、闪爆，对变压器产生持续危害。如果进行排油，则可降低变压器油面，减少受热分解，有利于降低火灾影响。

2)变压器油箱已破裂，从变压器箱体破损处喷出燃烧。变压器已破损，变压器油与空气有自由面，油流出外部持续燃烧，或在破损处燃烧，内部压力不会升的很高。此种情况如果不采取排油措施，一般燃烧时间比较长，最终燃烧点会进入变压器箱体内部，直至绝缘油和纤维全部烧完。排油后由于可燃烧的可燃物少了，有利于降低燃烧影响和时间。

综合分析以上两种情况，在变压器着火时，打开排油阀排油比不打开排油阀更好。

5 变压器着火时操作流程

上述分析表明，变压器着火时是可以安全排油的。

油浸式变压器固定式灭火设施一般有排油注氮灭火装置、泡沫喷雾灭火装置，水喷雾灭火装置也是可以扑灭变压器着火的[12]。变压器着火的初期火焰相对较小，易扑灭，变压器着火时，还是应该首先启动灭火装置进行灭火，无法灭火时才考虑进行排油。结合以上分析，根据DL 5027-2015《电力设备典型消防规程》、DL/T 572-2010《电力变压器运行规程》相关规定，变压器着火时应按以下流程处理：

1)变压器着火时，应立即断开电源，停运冷却器，并迅速采取灭火措施，防止火势蔓延。设有火灾自动报警、固定灭火系统(水喷雾灭火系统、排油注氮灭火装置、泡沫喷雾灭火装置)时，应立即启动报警和灭火。

2)拨打火警电话(优先拨打内部火警电话)，同时快速报告单位有关领导。单位应立即实施灭火和应急疏散预案，及时疏散人员，迅速扑救火灾。

3)发电机变压器组中间无断路器，在发电机为停止惰走前，严禁人员靠近变压器灭火。

4)采用移动式灭火器时，可使用干粉、六氟丙镜等灭火器灭火，不能扑灭时再用泡沫灭火器灭火，不得已时可用干砂灭火，地面上的绝缘油着火，应用干砂灭火。

5)室外变电站和有隔离油源设施的室内油浸设备失火时，可用水灭火，无放油管路时，不应用水灭火。6)在确保操作人员安全的情况下，可打开变压器事故排油阀将变压器油排入事故油池，排油完毕，应及时关闭排油阀。

7)如危及邻近设备的安全运行，也应及时联系停止邻近设备的运行。

8)灭火时必须有专人指挥，防止扩大故障或引起人员中毒、烧伤、触电等。

6 结 语

1)按行业标准配置排油设施的变压器着火时是可以安全排油的，排油后应及时关闭排油阀。

2)变压器发生火灾时，断电后应首先启动灭火装置，无法灭火时可进行排油至事故油池。

3)变压器事故排油阀的安装位置应保证火灾时操作安全，布置在耐火墙之外或离变压器有足够距离，防止人员操作时被烧伤、炸伤。

4)考虑到压头的差别，排油时变压器排油管中油比贮油坑排油管的油压力大、流速高。在设计和建造贮油坑、事故油池时，应合理设计两者的尺寸，防止排油时贮油坑排油不畅油面上升后漫过卵石被点燃。

5)为了保证火灾时安全排油，厂站应把做好贮油坑上卵石的维护和平整、使各处卵石的尺寸和厚度达到标准的要求，并编进检修维护规程，且按期进行维护。