油浸式变压器火灾事故的特点与灭火对策研究

汪亚龙，黎昌海，张佳庆，尚峰举，陆守香，范明豪，王刘芳

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230027;2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

变压器是根据电磁感应原理改变交流电压的设备，按冷却方式可以分为干式变压器和油浸式变压器两类。干式变压器无油、难燃，在防火方面具有一定的优势。油浸式变压器具有散热性能强、制造及维护成本低、回收利用较为方便等特点，其经济效益往往优于干式变压器，因此被广泛采用[1]。大型油浸式变压器作为核心电力设备，已广泛应用于电厂和变电站[2]。例如在特高压直流输电工程中连接换流桥与交流系统的换流变压器，其电压等级高，工况复杂、运行温度高、尺寸巨大[3]。

绝缘油是油浸式变压器的主要绝缘及冷却介质。油浸式变压器内部及顶部油枕充有大量可燃的变压器油，在故障、高温条件下起火，往往会导致油浸变压器本身以及其他邻近的电气设备损坏，严重破坏变电站，影响了电网的安全稳定运行[4-10]。

本文基于近年来国内外发生的油浸式变压器火灾事故案例，分析了油浸式变压器火灾事故的类型和特点，总结了油浸式变压器火灾事故的发生机理，并提出了防止和控制油浸式变压器火灾事故的对策与技术措施。

1 油浸式变压器火灾事故案例分析

1.1 国外油浸式变压器火灾事故分析

油浸式变压器火灾时有发生，1984—2018年媒体公开报道的8起国外油浸式变压器火灾事故的发生原因及其后果，见表1。

表1 1984—2018年8起国外油浸式变压器火灾事故案例Table 1 Fire accidents of oil-immersed transformers abroad from 1984 to 2018

由表1可知，国外油浸式变压器火灾事故的主要原因往往是变压器局部过热，或者故障引发电弧，引燃了变压器油。

1.2 国内油浸式变压器火灾事故分析

1987—2018年媒体公开报道的14起国内油浸式变压器火灾事故的发生原因及其后果，见表2。

表2 1987—2018年14起国内油浸式变压器火灾事故案例Table 2 14 cases of oil-immersed transformer fire in China from 1987 to 2018

2 油浸式变压器火灾事故的类型、特点和发生机理

2.1 油浸式变压器火灾事故的类型

根据油浸式变压器火灾事故的模式和燃烧形式，将油浸式变压器火灾事故的类型分为喷射火、油池火、流淌火三类。

(1) 喷射火：喷射火是在有压力的管道或容器内油料通过泄漏口往外喷射燃料并被点燃的一种燃烧方式，多出现在变压器爆炸后的较短时间内，一般火焰高度(长度)较大，泄漏口处动量大、能量密度大，造成扑救难度大。

(2) 流淌火：流淌火是液体燃料边流淌边燃烧的一种燃烧方式，多发生在变压器油的泄漏和火灾扩大阶段，大量泄漏燃油不能快速燃烧完全，流向没有约束的方向并不断被点燃，导致火灾的蔓延和扩大，造成扑救困难。

(3) 油池火：油池火是一定厚度燃油在物体表面发生燃烧的一种燃烧方式，泄漏到物体表面的燃料向四周流淌，受到阻挡或限制时，燃料将在局部积聚，形成一定厚度的油池，油池被点燃即形成油池火。变压器油池火多发生在燃油受到边界约束后，多为火灾的充分发展阶段，油池火的热释放速率除了取决于油料特性外，还与暴露并燃烧的油池表面积以及燃料的蒸发速率相关，而燃料的蒸发速率则受油温的影响极其明显。

在实际的油浸式变压器火灾事故中，喷射火、流淌火、油池火往往同时存在，这给火灾的扑救带来了更大的困难。

2.2 油浸式变压器火灾事故的特点

油浸式变压器器身多为封闭结构，故障状态下的高温常引起绝缘油或气体膨胀，在失控状态下易发生爆炸。而位于油箱顶部油枕内的大量变压器油在重力作用下，从箱体开裂处向外猛烈喷出，助长了火势的蔓延，大大增加了火灾扑救的难度。此外，变压器火灾出现的爆燃现象，可能对变压器本体结构、防护屋顶、防火墙和消防设施造成破坏，将导致火灾发展过程的多变性。因此，油浸式变压器油泄漏燃烧可能会引发喷射火、油池火、流淌火等更为复杂的燃烧形式。

综上所述，油浸式变压器火灾事故的特点可以概括为：爆炸性、快速性、破坏性、多变性和火灾形式多样性。在油浸式变压器发生火灾事故时，及时地切断油枕流向箱体的油路，有助于防止变压器火灾事故的扩大和蔓延[20]。

2.3 油浸式变压器火灾事故的发生机理

从国内外油浸式变压器典型火灾事故案例的共性来看，变压器绝缘油是火灾的可燃物，而局部过热或异常放电是火灾的点火源，而空气作为助燃物在火灾过程中持续存在，上述可燃物、点火源、助燃物的存在满足了火灾发生的基本条件。

根据系统安全工程中的事故致因理论，事故是能量的意外释放。系统中存在的、可能发生意外释放的能量或危险物质被称作第一类危险源[26]。油浸式变压器充装了大量可燃绝缘材料和绝缘油，例如一台220 kV、180 MVA的大型油浸式变压器充油量可达30 t以上，其中的大量绝缘油可以视为第一类危险源；导致约束、限制能量措施失效或破坏的各种不安全因素被划分为第二类危险源[27]，一旦第二类危险源出现，事故将可能发生。油浸式变压器火灾故障的具体模式，即第二类危险源的主要形式如下[28-30]。

(1) 绕组短路：绕组短路的形式分为绕组间短路和绕组对地短路，其中绕组间绝缘老化、水或异物进入变压器、引线绝缘破损等会造成绕组层间或匝间短路；而振动、操作过电压、绝缘距离不足或损坏等则会造成绕组短路，击穿铁芯、外壳、台架等接地部分，从而引起绕组对地短路。短路部位的温度会迅速上升，可能引燃变压器油，发生火灾。

(2) 内部损耗过大：变压器内部损耗包括绕组损耗(铜损)和铁芯损耗(铁损)两部分，实际运行的变压器铁损往往大于铜损。铁芯硅钢片存在制造缺陷、铁芯多点接地、变压器铁芯硅钢片间气隙过大等，都是增加变压器内部损耗的因素，而变压器内部损耗过大的情况下，一方面可能引燃绝缘纸或绝缘油等可燃物，另一方面引起故障部位附近绝缘损坏，造成绕组短路，引发火灾。

(3) 接触不良：分接开关或电源引线等部位是接触不良的多发部位，接触不良会造成局部持续异常发热，引燃可燃物或者损坏周围绝缘，引发火灾。

(4) 变压器油劣化：变压器长时间运行后，变压器油在高温或电弧的影响下，生成多种溶于油的酸类和氧化产物，如绕组、铁轭、夹件、散热管上附着或积聚劣化生成的“油泥”，其导热性很差，且阻碍绝缘油的正常循环，严重影响绕组散热；劣化的绝缘油中的多种不稳定物质进一步分解，生成强腐蚀性的臭氧，损坏绝缘材料。

(5) 套管故障：油浸纸电容式套管由于安装不当而受机械性冲击或严重超温运行可能会产生裂纹，若套管制造不良、电容芯空气与水分未除尽或卷得太紧导热不良，在充油套管出现裂纹导致击穿时，套管往往会发生爆裂，可能引发火灾事故。

(6) 其他原因：如违章施工、违规动火等。

3 油浸式变压器火灾事故的灭火对策与防火技术措施

根据应用环境的不同，油浸式变压器火灾事故可分为室内、室外两大类，由于各自的灭火需求差别较大，因此需要分别采取相应的灭火对策与防火技术措施。

通过对国内外相关规范进行分析和总结，发现目前国内外可用于变压器火灾的灭火系统主要包括泡沫喷雾系统、中倍泡沫灭火系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统、排油注氮灭火系统和雨淋灭火系统等。此外，《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)中指出，油浸式变压器消防系统还应设置消火栓系统。不同灭火系统对变压器火灾灭火效能的比较，见表3。可见，应根据应用环境的不同选择合适的灭火系统。

表3 不同灭火系统对变压器火灾灭火效能的比较Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of different fire extinguishing systems for transformer fire

3.1 室外油浸式变压器火灾事故的灭火对策

由于室外环境较为开放，不利于采用窒息法灭火，因此针对室外油浸式变压器的灭火，应考虑采用隔离法、冷却法等。

水喷雾灭火系统灭火效果好、造价低，普遍应用于国内外变压器的消防灭火[31]。水喷雾能够对着火的变压器起到降温作用，同时灭火过程中产生的水蒸气也能够稀释变压器附近的空气，降低氧气浓度，对火源起到一定的窒息作用。但是，针对室外油浸式变压器的消防灭火在使用水喷雾灭火系统时应注意以下几点：由于变压器不规则的外形以及受安全距离的限制，水喷雾灭火系统所需实际流量常大于设计流量；喷头需根据使用环境配备过滤网、防尘帽；配管及管夹均应接地，且接地电阻不大于16Ω；事故集油坑通往集油井管道需要同时具备足够的排油和排水能力，避免因排油管道管径太小造成排水不畅导致事故油外泄；为了防止漏电造成的损失进一步扩大，控制程序应保证水喷雾灭火系统在设备已断电的情况下进行喷雾灭火[2]；在寒冷地区要采取保温伴热措施，防止管道冻裂。试验研究发现，在变压器绝缘子升高座孔口设喷头保护有利于灭火[32]。

针对室外油浸式变压器的消防灭火，在缺水或严寒地区宜采用排油注氮灭火系统[33]，该系统结构紧凑、易于安装，国际上已经广泛应用，有取代水喷雾灭火系统的趋势。当油浸式变压器内部出现异常的压力剧增，气体继电器动作，启动排油注氮灭火系统，随后排油阀打开，一段时间(约20 s)后通过减压阀、经过注氮管，氮气被注入油箱底部，搅动绝缘油，加速掺混油箱内的高温与低温绝缘油，使故障部位油温降到闪点以下，破坏发生燃烧的条件，熄灭油箱内部火焰。该系统具有灭火速度快、损失小、自动化程度高等特点，火灾时能及时隔离变压器箱体与油枕，灭火后充氮仍然留在油箱内，能够保证油不会复燃，且排油注氮装置是密封的，从根本上避免了水喷雾灭火系统存在的防锈、防藻菌、防冻等问题。

此外，SD型泡沫喷淋灭火系统也被广泛应用于室外油浸式变压器的消防灭火。该系统的灭火药剂为SD系列高效泡沫灭火剂，当火灾信号触发该系统时，为给灭火药剂加压，控制模块使高压氮气进入灭火药剂容器罐，产生泡沫并通过喷头进行喷淋灭火。SD型泡沫喷淋灭火系统具有体积小、安装维护简便易行、组合灵活多变等特点，同样适用于寒冷地区和缺水地区，但是灭火药剂需定期更换，增加了后期的维护成本。整体上看，SD型泡沫喷淋灭火系统的综合经济成本低于水喷雾灭火系统[34]。

3.2 室内油浸式变压器火灾事故的灭火对策

室内油浸式变压器所处的环境较为封闭，有利于采用窒息法控制火灾。但由于变压器带有高压电，为了防止漏电造成的损失进一步扩大，不宜采用导电介质进行灭火。因此，高压CO2全淹没灭火系统特别适用于室内变压器的消防灭火，且具有响应时间短、灭火效果好、对设备损害小等特点，适用于全淹没灭火以及局部灭火，已成为室内油浸式变压器主要的固定式灭火方式之一。

CO2灭火剂储存在高压瓶组中，该系统由火灾探测器触发，灭火期间连锁装置将自动关闭防护区域的通风系统。为了避免误操作造成人员窒息，要求设置喷射警示装置、手动转换开关以及应急呼吸器[34]。

尽管CO2全淹没灭火系统的灭火效果好，但造价昂贵、对设计安装要求高、管理维护成本高，且缺乏相关的标准规范，使其应用受到一定的限制。

3.3 油浸式变压器火灾事故的防火技术措施

针对油浸式变压器火灾，在完全失去控制之前，还可以采取以下技术手段或措施消除火灾发生的条件：

(1) 变压器继电保护系统有效动作并消除异常过电压，从而避免绕组或套管放电击穿，将点火源扼杀在萌芽状态。

(2) 储油柜截流阀的设计应当能够使绝缘油以合适流速双向流通，补偿受热膨胀或受冷收缩；同时，当变压器出现故障时，在某些必要情况下，如充油瓷式套管断裂、OIP套管故障或主油箱发生破损时，截流阀也可以及时、有效地关断储油柜的绝缘油输出。

(3) 为了承受油气异常体积膨胀造成的压力和形变，变压器油箱应具有一定的弹性。

(4) 若故障无法及时排除，变压器内部压力急增，为了防止事故发生，需要设置紧急压力释放装置。

除了上述故障屏蔽、限制措施以外，使用难燃环保高燃点介质替代作为绝缘介质的可燃性绝缘油，可以视为一种本质安全设计。

4 结 语

油浸式变压器在电力系统中有着举足轻重的作用，而油浸式变压器需要使用大量可燃的绝缘材料和变压器油，包含大量的第一类危险源，一旦能量屏蔽、限制措施失效，第二类危险源出现，可能会导致火灾事故的发生。引发油浸式变压器火灾事故的具体故障原因包括绕组间短路、绕组对地短路、变压器内部损耗过大、接触不良、变压器油劣化、套管故障等。油浸式变压器火灾的燃烧形式包括喷射火、油池火、流淌火。油浸式变压器火灾事故具有爆炸性、快速性、破坏性、多变性和火灾形式多样性的特点。当油浸式变压器发生火灾爆炸事故时，采取措施及时切断油枕中变压器油流向箱体的油路，对防止油浸式变压器火灾事故的扩大和蔓延具有重要的作用。