气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究

张佳庆 黄玉彪 陈清 王永旭 李斌

[关键词]特高压输电；气云爆炸；消防炮；抗爆性能

0引言

特高压输电是世界上最先进的输电技术，由于输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少，被誉为电力高速公路。在输电线路的建设过程中，需要考虑经济输送距离，完成输电站总体布局，统筹解决电力资源与负荷中心分布的不均匀性问题。

在输电线路变电站的建设过程中，油浸变压器是最常见、选用最多的电力变压器。油浸变压器使用变压器油作为绝缘和冷却介质。变压器油是由不同分子量的碳氢化合物组成的混合物。在变压器的运行中，在高温、电场和电弧作用下，这些化合物中的C-H．C-C键发生断裂，会产生氢气和甲烷、乙烷、乙烯、乙炔之类的烃类气体；同时，固体绝缘分解，也会产生一氧化碳。在正常情况下，即使变压器内部这种可燃气体含量较高，也不会引起燃烧。但在故障电弧的作用下，变压器油分解，变压器内部可燃气体剧增，压力瞬间增大，导致器身结构破坏，从而变压器油、可燃气体等混合物喷出，引发器身内残留的变压器油继续分解和爆燃。当泄露的热解产物混合气体与空气混合后点燃，可能会发生更严重的二次爆炸，对人员和设备造成危险，给社会经济带来严重损失。

为避免这一类事故的发生，在变电站的设计施工中，本质安全设计和安全措施方面的考虑尤为重要。在此基础上，一旦事故发生，将事故控制在一定范围内，减少事故带来的损失和防止事故扩大化也是一项重要课题。消防炮是远距离扑救火灾的重要消防设备，主要用来扑救石油化工企业、飞机库、邮轮、油码头、海上钻井平台和储油平台等可燃易燃液体集中、火灾危险性大、消防人员不易接近的场所的火灾。针对变压器油气云爆炸事故，重点开展消防炮在变压器油气云爆炸作用下的响应情况研究，能够为指导此类工况下消防炮的设计改造、提供新型的变压器油爆炸消防措施奠定基础。

1变压器油气云爆炸模拟试验

1.1变压器油气云爆炸试验装置设计

基于已有的变压器爆炸事故数据，在静爆载荷作用下，变压器内的绝缘油会喷射而出，喷射过程伴随火光出现，喷射形成的云雾最大扩散距离为3.0～3.5m。在此条件下，利用气云爆炸方法设计相关容器并模拟变压器内部的爆炸过程。

结合已有气云爆炸模拟试验的经验，设计模拟试验装置如图1所示。

试验场地为南京理工大学静爆试验场。试验前，将地面平整压实，将模拟试验装置放置在离地悬空1.6m处。起爆药装填至模拟试验装置中心，利用雷管引爆中心装药，使得油料抛撒成云雾。云雾在抛撒过程中边分散、边燃爆，实现变压器装置失控爆炸的全过程模拟。

1.2典型变压器油气云爆炸过程

利用设计的变压器油抛撒装置，通过系统试验确定变压器油气云爆炸的设计参数。具体试验工况如表1所示。

考虑到实际变压器油的喷射距离为3.0～3.5m和云雾边缘的燃爆超压约为100kPa这2个参数指标，变压器试验油量选择在10～20L時，能够实现需要的变压器油的喷射半径。

根据试验需求，采用高速摄像机、红外热成像仪和超压测试系统，分别捕捉变压器油气云爆炸全过程、温度场数据和超压场数据。高速摄像系统为日本Photron公司的UXIOO型高速摄像机，拍摄速率为2000s-1：红外热成像仪为美国Flir公司的A615防爆型，拍摄速率为30s-1，记录温度范围为0～2000℃：超压测试系统为美国PCB公司的113系列传感器和瑞士ELSYS公司的数据采集系统，采集频率1MHz。

通过系统模拟试验，获得合适的变压器油抛撒效果。典型的变压器油抛撒和燃爆过程图像如图2所示。

研究发现，当变压器油的试验油量为10L及以上时，油料抛撒及燃爆半径均在3.5m左右，符合变压器燃爆模拟试验的需求。距爆源不同位置处的压力如表2所示。

从变压器油抛撒半径和实测压力可以看出，变压器油气云爆炸过程中距爆源2～7m均能够实现超压从30～130kPa的覆盖范围，在此范围内能对人员和设备造成不同程度的伤害。对比已有变压器油气云爆炸事故数据可知，利用自行设计的变压器油抛撒装置，能够较好地模拟变压器油爆炸的实际情况。

2消防炮抗气云爆炸性能试验

2.1消防炮抗爆性能试验设计

基于建立的典型变压器油气云爆炸模拟试验方法，结合外场中变压器油气云爆炸的实际过程，以市场上通用的消防炮为模型，开展消防炮抗爆性能试验研究，评估消防炮抗爆效果并提出改进建议。

在试验装置一侧互成900的2条线布置地面传感器，分别距装置1、2、4、5、7m，与地面平齐。消防炮系统放置于距爆心5m的压力测点处。试验时，将高速摄像机、超压测试系统、红外热成像仪放置在安全距离处，对样品进行拍摄，并获得冲击波压力和温度场数据。每次试验结束后，对消防炮进行功能性验证，主要验证遥控控制与水流喷射是否正常。

2.2试验结果分析

2.2.1消防炮抗气云爆炸过程

以消防炮为研究对象，高速摄像机记录的气云爆炸过程如图3所示。

从图3可以看出，变压器油的燃爆对消防炮的作用是一个瞬时过程。50ms时，发生爆燃的绝缘油云雾便完全包裹住消防炮及附属部件。随后，中心火焰向四周迅速扩散。200ms时，火焰处于最旺盛的阶段，会对消防炮造成巨大破坏。此时，消防炮的抗爆能力主要依靠消防炮的机械强度。随后，消防炮持续受到云雾燃爆火焰的高温作用，高温可持续800ms。此时，温度场的持续作用会影响消防炮的耐久性。

2.2.2爆炸状态场测试结果

1）冲击波超压场。气云爆炸的冲击波超压见表3。

可以看出，消防炮系统的迎爆面冲击波超压约为95kPa，压力随着爆心距的增大而先增大、后减小。距离爆心1m处的冲击波超压比较小，这是因为该测点处于云雾中心区域，空气含量相对较少，发生爆燃后的燃烧不充分。压力最大值出现在2.0m处，在此距离内，云雾燃爆会对消防炮造成较大的破坏。

2）温度场。气云爆炸过程中消防炮炮头和电机处的温度见图4。

从图4可以看出：常规型消防炮炮头处的最高温度为490.00℃；电机处最高温度为498.75℃；温度持续时间均超过10s。

2.2.3气云爆炸前后消防炮状态分析

试验前、后消防炮及关键部件的照片对比如图5所示。

通过系统检查和分析发现，由于消防炮线缆未做金属铠装防爆设计，仅用耐高温管道进行包裹，在压力和高温的耦合作用下，线缆出现破损情况，在发生燃爆事故时极易出现通讯失效和控制失灵的情况。经过功能性测试发现，目前消防炮的远程控制功能和喷水功能正常，但由于线缆破损和控制机构受强振动冲击，存在失能风险。由于炮头以及电机裸露程度较大，更易受燃爆过程的压力载荷作用，在高温的作用下，出現了电机损坏的情况，此时消防炮将彻底无法使用。

2.3基于消防炮抗爆试验结果的消防炮防爆措施

根据气云爆炸条件下消防炮抗爆性能研究结果，结合文献调研工作，提出消防炮防护要求和结构设计及安装的改进措施如下：

1）为保证发生燃爆事故时可以起到灭火作用，消防炮应安装在距爆心3m以上的位置。

2）消防炮需要固定在地面或其他固定物上，除需用膨胀螺栓固定外，还需对连接处进行加固处理，使消防炮更加牢固。

3）为满足燃爆事故发生时通讯及控制正常，需要对消防炮的连接线缆进行加固处理，以防受到冲击后插头脱落。如焊接、注胶等加固措施。

4）在发生燃爆事故时，消防炮上负责控制转向的电机存在失效的可能，需设计保护装置进行保护，降低冲击波对消防炮的破坏作用。

5）消防炮的连接线缆绑扎成束且固定牢靠，线缆除了进行耐高温处理外，还需进行金属铠装保护设计，以确保在发生燃爆事故时不会出现断裂、短路的情况。

3结论

围绕特高压输电站变压器安全问题，开展了气云爆炸条件下消防炮抗爆性能研究，得到结论如下：

1）自行设计了变压器油气云爆炸试验装置，并完成了试验效果验证，能够较好地模拟真实变压器爆炸相关参数。

2）针对消防领域常用的消防炮，开展了抗气云爆炸试验，通过冲击波压力、热威力及样品状态对比分析发现，现有消防炮在气云爆炸条件下损伤明显，最薄弱环节在线缆处，安装方式同样需要改进。

3）基于试验研究结果，提出了消防炮防爆措施，用于指导未来抗爆型消防炮的研制。