卵石层的不同铺设方式对变压器集油池的排泄能力影响研究

刘威峰，王博，闫振华，马云龙，周秀，丁培

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011）

0 引言

天山换流站“4·7”、宜宾换流站“6·2”火灾事故中油浸式变压器套管或箱体爆裂后燃烧的变压器油流淌，火势无法及时控制，造成重大经济损失。为减小油浸式变压器套管炸裂引起的电气火灾事故危害，变电站大型充油设备（以油浸式变压器和油浸式电抗器为主）集油池铺设卵石层、油浸式变压器安装消防喷淋头、站地消防联动等措施，进一步强化了变电站电气设备消防灭火能力[1-4]。集油池卵石层对油浸式设备火势有一定抑制作用，同时对油水混合物流向事故油井有一定阻碍作用，甚至油水混合物溢出集油池在变压器周边形成流淌火，引起更严重火灾[5-7]。相关设计标准[8-9]对卵石层铺设的厚度和卵石大小提出标准化要求，但未要求铺设方式，故不同设计人员所设计的变电站集油池卵石层铺设方式不同。本文通过试验研究集油池内卵石层的不同铺设方式对变压器集油池排泄能力的影响，为油浸式变压器集油池卵石层铺设方式、排泄能力设计以及电气火灾救火方式提供指导意见。

1 集油池内卵石层对排泄能力影响试验设计

1.1 试验场地设计

试验场地的110 kV变压器基础、集油池、排油管道及事故集油井根据GB50059要求的技术参数进行设计建设。变压器集油池10 m×7 m×0․75 m（长×宽×高），事故集井采用20 m3油罐代替。变压器集油池至事故油井排油管直径为200 mm，坡度5%，最大排量为23 L/s。试验场地和设备布置如图1所示。

图1 试验场地布置

图2 试验设备布置

1.2 集油池排泄能力试验装置

在110 kV变压器集油池基坑架设燃烧油槽和水喷雾系统模拟实际变压器情况，集油池内铺设卵石。为观察卵石层架空铺设时，变压器油在卵石层下方架空层，在集油池侧壁及排油管（距出口3 m）内部等不同位置安装6台摄像机，安装位置如图3所示。试验过程中通过消防车水枪和水喷雾系统向集油池内卵石层喷水（2台消防车，每辆消防车储液容量为10 kL并配两支水枪，每支水枪流量为10 L/s）。

图3 架空层及排油管内摄像机布置位置

1.3 集油池卵石层不同铺设方式

集油池卵石层常见的铺设方式有集油池卵石层架空铺设和集油池卵石层铺至底部两种方案。

①卵石层架空铺设方案。在变压器集油池中设置高度为35 cm的格栅，格栅上方铺设厚度为25 cm的卵石层（卵石层直径5-8 cm）。

②卵石层铺至池底铺设方案。变压器集油池中不设置格栅，卵石层直接铺设在油池底部，卵石层厚度为25cm[10]。

为防止卵石层进入排油管道，同时方便两种铺设方式的转换，在排油口处设置格栅。

2 集油池排泄能力试验过程

2.1 架空铺设的卵石层排泄能力试验

油槽中，点燃浸汽油的棉纱引燃y油槽变压器油（离油槽上沿1 cm）。待油槽表面火势足够大时，打开输油管路阀门向油罐内油槽注入变压器油。打开输油管路阀门时开始计时，每隔30 s记录一次流量（串接在输油管路中流量表），同时观察油槽内燃烧油溢出后卵石层表面和卵石层下部空间火势变化情况。启动消防车和水喷雾系统对试验变压器进行灭火，控制消防水泵流量在40 L/s持续喷水，观察记录变压器火势及油池底部火势情况，排泄是否通畅，是否有水溢出至集油池周围地面。集油池底部排油管为钢管DN200管径，坡度5%，流量23 L/s，4支水枪流量为40 L/s。

2.2 铺至池底的卵石层燃烧过程中排泄能力试验

再次点燃油槽中变压器油，待油槽表面火势足够大时（点火约3 min后），打开输油管路阀门向油罐内油槽注入变压器油。待卵石层表面火势稳定后，启动消防车向集油池内补水。观察消防车补水后集油池内火势变化情况及集油池排泄量。

2.3 铺至池底的卵石层排泄能力试验

在变压器集油池中用油毡布将排泄口密封，使集油池内水面没过卵石层约5 cm。拔除覆盖着集油池排泄口处的油毡，排出集油池内水，同时使用超声波流量测量排油管道的排泄速度和排泄量。

3 试验现象及分析

3.1 架空铺设的卵石层的排泄现象及分析

试验开始3 min后，燃烧变压器油落入集油池后，卵石层表面火势扩大且卵石层下方架空层火势较大；启动水喷雾和消防车水枪对集油池火势进行压制，火势很快随油流延伸至排油口（见图4）。7 min后两辆消防车水枪对燃烧区域卵石层灭火（4支水枪注水量速度大于排水速度），产生大量水雾抑制火势且架空层积水升高（见图5）。15 min后卵石层下方架空层火势将近熄灭且卵石层下部空间积水保持不变（见图6）。试验过程中排油管最大水位约为管径1/2，且整个试验过程集油池内架空卵石层底部积水水位未持续上升；油水混合物快速通过卵石层隔离油火，未见卵石层上表面和下部池底火势扩大。卵石层下层无大量积水，排泄畅通。

图4 试验3 min集油池内火势变化

图5 试验7 min集油池内火势变化

图6 试验15 min架空卵石层下火势及积水情况

3.2 铺至池底的卵石层排泄能力分析

3․2․1 燃烧试验现场

试验3 min后，燃烧变压器油落入集油池后，卵石层表面火势扩大且卵石层下方架空层起火火势较大；启动水喷雾和消防车水枪对集油池进行补水（注水量大于40 L/s超过集油池的排泄能力）。试验持续注水8 min后卵石层表面积水，火势随积水扩大，排油管水位稳定升高至1/2处（见图7）。试验开始10 min后，火势随卵石表面水位升高并扩散至整个集油池卵石层面（见图8），排油管内水位保持在高位。铺至池底的卵石层对集油池排泄有一定阻碍能力。

图7 试验8 min集油池内情况

图8 试验10 min集油池卵石层表面火势

3․2․2 集油池水量测算

打开集油池排油口，1 min后排油管内水位约为1/3排油管直径；试验开始3 min后靠近集油池排油口侧卵石层表面已无积水，远离排油口卵石层表面有少量积水，排油管水位保持最高（见图9）。试验9 min后卵石层表面无积水，排油管水位持续下降至管径1/6处，挖开远离排油口对角侧卵石层发现仍有油水混合物（见图9（c）），说明卵石层对集油池排油有一定阻碍作用。试验16 min后排油管内几乎无水流（见图9（d））。

图9 集油池卵石层铺至池底排水情况

超声波流量计测量得知总排泄量为7․57 m3；其中卵石层表面5 cm水量约为3․62 m3，25 cm厚度卵石层存水量约3․95 m3。排油管的平均排泄速度约为0․47 m3/min。试验可知，卵石层铺设至池底卵石层对集油池的排泄有很强的阻碍作用，不利于快速排泄。

4 结论

试验研究可知，卵石层架空铺设时，在卵石层表面水喷雾和消防水注入透过卵石层落入集油池，架空卵石层的集油池排泄畅通（注入水40 L/s大于排泄能力），未见水位上升。卵石层架空铺设的集油池可快速排泄油水混合物，对火势有抑制作用，卵石层直接铺至集油池底部时，卵石层增大了水流至排泄管的阻力，排泄速度相对迟缓，且注入集油池的水快速淹没卵石层后，集油池内火势会迅速蔓延至周边区域形成流淌火，水面高于卵石层表面时，引起着火范围扩大，卵石层隔火能力失效。

建议建设和设计油浸式变压器、大型充油设备集油池时，为提升集油池排泄能力，集油池卵石层采用加格栅架空铺设方式，且后期应经常检查集油池排泄口和排泄管避免堵塞。若遇到充油设备起火，灭火油水混合物流量超过集油池排泄能力时，应关注集油池内火势蔓延，避免蔓延至集油池外扩大火势。