变压器油在电弧作用下的点燃特性

2021-11-17朱思宇汪书苹程旭东

火灾科学 2021年3期

朱思宇，汪书苹，杨娴，程旭东，周勇*

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院电力火灾与安全防护安徽省重点实验室，合肥，230022；3.国家电网公司输变电设施火灾防护实验室，合肥，230022；4.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，合肥，230601)

0 引言

电力系统运行中包含大量充油设备，包括套管、互感器、断路器等少油设备[1]，这些设备在长期运行后由于超负荷运行时间长、设备制造工艺不良、运行维护不当等问题，有可能导致电气强度和机械强度降低并造成设备的绝缘老化和损坏，发生绝缘击穿进而引发电弧，同时绝缘变压器油长时间使用后的老化也会导致其品质劣化，绝缘性降低，点燃特性和燃烧特性也会发生变化。此时电弧携带的能量可能会引燃变压器油，造成少油设备的起火甚至爆炸，损毁变压器，进而导致区域内的断电，严重威胁电网的安全运行。因此，电力系统中变压器油的点燃特性和点燃过程研究，对于少油设备的安全运行和保护措施制定具有重要意义。

变压器少油设备的火灾危险性可分为内部诱因和外部诱因。其中，内部诱因又分为内部产气[2]、内部电容屏间放电、电容芯末屏处卷入玻璃颗粒异物引起电弧放电等，同时设备在长期运行过程中，套管接缝处及其他薄弱部位可能出现缺口，变压器油从而接触空气甚至泄露。此时若变压器处于高负荷状态下，局部高温产生的绝缘油气混合物可能被电弧点燃并发生化学爆炸[3-6]。外部诱因分为套管接口处漏油、套管末屏接地不良、套管空气侧外绝缘套闪络等。由于污闪、外部放电等现象产生的电弧，也可能导致漏出的变压器油被点燃造成闪焰甚至明火[7]。对于大型变电站而言，由于保养较好且检测到位，能够及时进行处置的情况下，外部诱因造成的火灾风险较小。但对于无人值守的小型变压器，泄露后的变压器油被点燃后，明火可能造成壳体损坏进而产生破口引发连锁反应，演变为火灾爆炸事故，存在较大安全隐患。

在已有的对于变压器油的火灾危险性的研究中，主要针对的是变压器油的燃烧特性以及防、灭火方法[8,9]。其中范明豪等[10]采用全尺寸热释放速率实验台，针对典型的克拉玛依DB-25号油，通过不同尺寸油盘的燃烧试验，研究了油的燃烧特性参数包括热释放速率、质量损失速率、中心线处及烟气层温度等。赵金龙等[11]搭建了油池火燃烧试验平台，研究了初始油温对变压器油燃烧特性的影响，发现初始发展阶段，随着初始油温的升高，燃烧速率会不断增加燃烧剧烈程度随着油盘尺寸的增大逐渐增加。闵永林等[12]通过数值模拟和全尺寸实验验证的方式，研究了通风条件下用多组分细水雾扑灭变压器火灾的情况，研究发现细水雾系统能有效抗风，在极限条件下保护变压器。刘叶飞等[13]提出以箱变的外形结构、内部构造、独立模块为主的八防功能：防火、防凝露和凝霜、防水、防高温、防低温、防潮、防腐蚀、防小动物进入以及新的防雷与接地的设计方案，能够保证电网的正常运行, 同时符合国家电气设备安全质量标准。目前已有的涉及变压器油的点燃特性研究多使用热辐射进行点燃，但是只有当进入火灾发展阶段火焰蔓延时，热辐射的影响才会比较显著，而在实际情况下，电弧携带的能量往往是造成变压器油被点燃的直接原因，因此研究电弧点燃变压器油的点燃特性，有利于还原真实情境下变压器发生火灾爆炸的过程，为防治措施的制订提供依据。

本文通过实验方法研究变压器油在电弧作用下的点燃现象，并通过控制变压器油的老化程度、电弧的能量等变量，结合Bruceton法统计变压器油被电弧点燃的温度，计算点燃的临界温度和本质安全温度，从而研究变压器油在电弧作用下的点燃规律，据此制订安全策略以防治可能造成变压器油被点燃的安全事故。

1 变压器油的老化

表1 变压器油老化数据Table 1 Aging data of transformer oil

2 变压器油在电弧下的点燃特性

2.1 实验装置和实验方法

实验装置包括电弧点火杆、电弧控制器、加热平板、盛油皿、摄像机等。其中，电弧点火杆为西安科汇热工技术设计研究所生产的KTGD-B型可调式点火器，输入电压范围为90 V～220 V，为了研究电弧能量及电弧电压与点燃温度之间的相关性，本研究中共取4个梯度，120 V、150 V、180 V、220 V，表2为电弧点火器的参数表；对应箱体电压为1 kV～2 kV，点火杆头输出电压约为5 kV、6.8 kV、8.1 kV、10 kV，可对应实际情况中10 kV及以下等级变压器少油设备中可能发生的电弧，以及更高电压等级变压器的低压端少油设备中的电弧；产生的输出能量为6 J、9.6 J、13.8 J、20.5 J，该电弧能量数值由电弧发生器制造厂家提供，由于其内部为电容式构造，因此能量通过公式Q=UC计算得到的，其中U为电弧电压，C为装置中设置的电容。控温加热平板为常州国宇仪器制造有限公司生产的DB-1型数显不锈钢电热板，可控温温度范围为20 ℃～450 ℃，控温精度为±5 ℃。为了防止对流空气等环境因素的干扰，装置放置在密闭空间中进行实验，图1为实验装置示意图和实物图。实验时，在直径120 mm的盛油皿中倒入30 ml变压器油，控制加热平板对变压器油进行加热，并通过热电偶在点火杆头正下方测温点处测量油温，油温恒定3 s后再通过电弧控制器进行点燃。点燃过程中，为了尽可能接近液体表面，得到点燃的最低温度，控制电弧点火器与油面的距离为1 mm，考虑到电弧以及环境因素可能造成的点燃延迟，一次点燃持续5 s，盛油皿中出现闪焰现象或持续燃烧判定为“点燃成功”，在表格中记录为“√”，若未成功点燃，则记录为“×”。

图1 实验装置示意图和实物图Fig. 1 Schematic diagram and physical diagram of the experimental device

根据谢苗诺夫理论，点燃过程需要物质燃烧产生的热量大于散失的热量才能被点燃，盛油皿表面积过大会造成热量损失变大，从而更难被点燃，为了研究最危险情况，也即最低点燃温度，直径应尽可能的小；但面积过小时，由于电弧产生的冲击波作用会使绝缘油喷溅到点火杆上，造成电弧端封堵从而失效。120 mm直径的盛油皿是经过前期实验得到的不会喷溅造成失效的最小直径。同时，绝缘油是一种化学性质稳定的液体，不会被直接点燃，当蒸发为气体或者成为气雾状态时才能被点燃[19]，只有表面的绝缘油能够产生气态可燃物质从而参与这个过程。又因为实验中绝缘油作为整体被加热，表面与底部几乎没有温差，不存在热传导会使表面温度下降的问题，因此盛油量不会产生较大的影响。实验中较少的油量有利于油温的控制，减少实验中升降温所需的时间，但是又需要一定的油量来抵消由于加热蒸发和电弧冲击波及分解作用造成的损失，根据前期实验得到30 ml是最低所需油量。

初步实验结果表明，所测得的电弧可点燃油温变化范围较大。因此，本研究采用Bruceton方法[20]以统计实验结果，计算点火的临界温度。具体方法如下，首先，选取接近最低可点燃温度的初始温度T0和温度步长t，本研究中选取130 ℃作为初始温度T0，温度步长t应与计算出的标准差接近，经过前期实验t取5 ℃，然后，在T0±t、T0±2t、T0±3t等环境下进行试验，每个试验工况固定进行20次点燃实验。如第一次试验在T0时进行，如果点燃成功，则在T0-t温度下进行下一次试验，如果未点燃成功，则下一个测试在T0+t进行。总之，点燃成功就将热表面的油温降低，点燃失败就将热表面的油温升高。表3中记录了采用Bruceton方法的电弧对变压器油点燃结果。根据统计结果，可计算出点燃概率为50%的临界温度。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Tc为点燃概率为50%时的临界温度，℃；T0为初始温度，℃；t为温度步长，℃；N(0)为总点燃成功次数；Dc为方差；i为温度梯度编号±1、±2、±3、…；ni(0)为各温度梯度的点燃成功次数；σ为标准差，℃。以表3中的一种工况：电弧输入电压为220 V，对老化时间为0 h的变压器油点燃为例，初始油温为130 ℃，温度步长为5 ℃，在20次试验中9次点燃成功，则Tc计算如公式(4)。

Tc=130+5×

=143.89

(4)

此时计算出Tc为143.89 ℃，标准差为3.14 ℃，这意味着本工况下，变压器油在143.89 ℃具有50%的点燃概率。此时若假设点燃是一个正态分布的随机分布事件，可根据统计学数据分析方法计算出该工况下，0.01%点燃概率的温度点为131.66 ℃，参考作为本质安全的温度点TS。通过这种方法，计算出的临界温度，标准差，本质安全温度如表4中所示，图3中为根据表4数据绘制的临界温度与老化时间、电弧能量的关系曲线。

表2 电弧点火器参数表Table 2 Parameter table of arc igniter

表3 电弧对变压器油点燃结果Table 3 Ignition result of transformer oil by electric arc

续表3

图2 一次电弧点燃变压器油实验过程图像Fig. 2 Digital images of experimental process of transformer oil ignited by arc

2.2 电弧点燃实验结果

图2是一次电弧点燃变压器油的全过程图像。实验中，首先使油温在设定温度稳定3 s，后调整电弧点火器的输入电压，并进行电弧点燃。从拍摄的图像来看，在电弧作用之前的图2(b)中，变压器油表面并没有明显的气体产生，但当电弧作用在变压器油面上时，即图2(c), 图2(d), 图2(e), 图2(f)中，立刻产生了大量的白色“油雾”，这些类似“油雾”的物质应是在电弧能量的作用下，变压器油裂解反应产生的较轻短链物质，在电弧造成的瞬间高温的作用下漂浮起来，并与油中脱附的水分、杂质等混合形成油气混合物。根据实验，这种“油雾”现象只有当电弧作用在变压器油面时才会产生，而当电弧停止后，在3 s～5 s内这种现象即会自行消失。这说明电弧可以加速变压器油的分解过程，短时间内产生更多的可燃物质小分子，同时会促进易燃油气混合物的形成。根据谢苗诺夫热自燃理论，当体系的反应放热大于其热损失时即可能发生燃烧，图2中点燃的4 s应是本体系的着火延滞期，并在图2(g)中经过热积累后点燃最终发生。值得注意的是，从拍摄的图像中可以看出火焰并没有从电弧的中心处，也就是能量接受最大的油面中心点产生，而是先在电弧周围形成了一圈“火环”，在电弧停止后，火焰才由外向内传播，最终整个盛油皿表面被完全点燃，这是由于电弧不仅放出能量使变压器油大量裂解，同时其在空气中爆裂形成的冲击波也会将处于电弧中心位置的油气混合物和空气挤出，从而形成无氧空间，使火焰无法立刻向内传播。从图2(h), 图2(i)可以看出此时火焰已处于持续燃烧状态，因此此温度可记录为点燃“√”。表3中的每一格记录均是经过上述过程得到。

图3 临界温度与老化时间、电弧能量的关系曲线Fig. 3 Relation curve of critical temperature with aging time and arc energy

2.3 电弧点燃结果分析

图3和表4的结果表明，无论哪一种电弧能量，变压器油在电弧作用下的点燃临界温度，和老化时间的关系均有着相似的特征。即临界温度Tc并没有单纯随着老化时间的延长，介质损耗因数tanδ的下降而下降，而是短时间(72 h～144 h)的老化后，临界温度大部分工况下短暂上升，长时间的老化(144 h～288 h)后，临界温度会快速下降，导致被点燃的风险升高。这是由于短时间内的热氧老化下，变压器油中的游离基链式反应首先发生反应产生醇和水[12]，游离的水分被变压器油吸收后，在被电弧点燃的过程中，会吸收电弧的能量并蒸发产生水蒸气，从而降低油面的温度，同时水蒸气会降低油分解产生的可燃气体的浓度，因此提高了点燃的临界温度，变压器油的安全性短暂的升高。但是在长时间的老化后，即老化144 h，介损因数达到0.1603%，酸值达到0.008%后，变压器油中吸收的水会达到饱和，而由表1中的酸值变化可知，此时油中的链式反应和裂解反应在热的作用下加剧，产生更多的短链醇，并进一步转化为醛、酮、酸等产物[12]，这些短链的产物本身自燃点较低，因此在电弧能量的激发下，长时间老化后变压器油的点燃临界温度会快速降低；同时变压器油在长时间的老化后，会逐渐从透明变得浑浊，并出现沉淀和悬浮物，这些杂质会导致油的绝缘性下降，击穿强度下降，从而更容易受电弧影响，产生更多的易燃短链物质，因此进一步劣化油的安全性能。

对于相同老化时间的变压器油，点燃临界温度也没有单纯随着电弧的能量升高而降低，而是在一定电弧能量下达到极值。从表4中的临界温度平均值可以看出，输出能量为20.5 J、13.8 J、9.6 J、6 J时，平均临界温度分别为144.00 ℃、144.08 ℃、159.80 ℃、163.30 ℃。其中，当输出能量从6 J升高至9.6 J和13.8 J的过程中，无论老化时间，变压器油均呈现出随着电弧能量升高临界温度下降的线性变化，但是输出能量为20.5 J和13.8 J时的临界温度数据则相似，且平均临界温度都约为144 ℃，这可能是由于13.8 J的能量达到了当前老化油的点燃所需能量最低极限值，类似爆炸极限，继续增加施加的电弧能量也不能继续降低临界点燃温度，换句话说，变压器油的点燃概率在电弧能量13.8 J以上时趋于一致，只会随着老化时间的增加而改变。表4中同时计算了各个工况下的点燃温度标准差σ和本质安全温度值TS。其中标准差值并没有明显的线性变化趋势，其平均值接近于5 ℃，即温度步长t，因此计算得到的本质安全温度的变化趋势与临界温度有着相似的变化趋势，输出能量为20.5 J、13.8 J时几乎相等，平均为124 ℃，而在13.8 J以下时，呈现线性升高的趋势。

因此，当变压器少油设备可能产生8 kV以上电压的电弧(对应电弧能量13.8 J)时，须保证任意部位变压器油的温度不得超过124 ℃，否则变压器油在变压器薄弱或破损部位，泄露或与氧气接触后，即有可能被点燃发生燃烧甚至爆炸事故，而其他设备则可以适当放宽温度的报警范围至133 ℃、150 ℃甚至以上。根据过去的研究[10]，变压器油在被点燃后，25 cm×25 cm的油盘下其燃烧热释放速率最高可达到66.4 kW，且短时间内热辐射强度即可达到最大值，同时火源中心温度可以达到700 ℃，有极大的火场蔓延的风险。所以，在一些无人值守的变压器上，仍需要在其充油设备，诸如套管，继电器的薄弱部位设置温度监控、消弧装置甚至自动灭火系统，控制变压器油的温度在124 ℃以下，以应对电弧可能点燃变压器油。最后，对于油的老化状况应充分监控并重视，通过表1和表4可得知，油在老化后不仅绝缘性随着时间快速降低，其点燃临界温度也在一定时间后快速下降，这导致了很高的火灾风险。