鄭耀斌，付光來，謝 丹，王守潔，任永一

(山東智源電力設計咨詢有限公司，山東 濟南 250021)

在密閉空間里發(fā)生爆炸，如果沒有泄壓措施，爆炸能量會轉化為對圍護建筑物的巨大壓力，造成建筑物破壞。如果在圍護物里合理的設置一個泄壓口，包括門、窗、重量60 kg/m2的輕質建材等，這些輕質維護物在巨大的爆炸沖擊能量的作用下，瞬間破壞，使爆炸能量迅速釋放，可以大大削減作用在建筑物結構上的壓力，從而保障建筑物在遭遇爆炸時的安全性。因此，有爆炸危險的變壓器室應考慮合理的防爆泄壓設計。

1 變電站變壓器室爆炸模型分析

1.1 變壓器室爆炸發(fā)生機理

郭正位等的研究表明，變壓器油在電弧影響、較高溫度等條件下長期工作，容易分解出多種不同的可燃氣體。經(jīng)過理論分析和采樣分析得出，變壓器中絕緣油在高溫、電弧等異常環(huán)境下產(chǎn)生的氣體主要有氫氣和烴類，如H2、C2H4、C2H2、CH4、C2H6，還有少量長鏈揮發(fā)物。變壓器設置有泄壓閥，產(chǎn)生的這些氣體在一般工作狀態(tài)下會及時從變壓器泄壓閥排出，在通風狀態(tài)良好的情況下，氣體濃度很難達到爆炸極限以上。主變壓器室產(chǎn)生的氣體體量不大，變壓器油一般基于以下3種原因產(chǎn)生可燃氣體。

(1)變壓器內部絕緣油分解產(chǎn)生可燃氣體。在電弧的作用下，絕緣油分解。根據(jù)周遠翔等人的研究，電弧作用下，其產(chǎn)生的氣體主要為H2和C2H2，大約占了90%，生成的氣體成分詳見表1。

表1 電流作用下絕緣油分解組分

(2)絕緣油在熱條件下分解產(chǎn)生可燃氣體。絕緣油在熱條件下一般有裂解和裂化兩種方式。一般油品在700～800℃會產(chǎn)生裂解反應，400～600℃會產(chǎn)生裂化反應，而一般油浸式變壓器的上層油溫不會超過95℃。因此，條件不足，此種情況可以忽略。

(3)絕緣油在熱條件下?lián)]發(fā)形成可燃氣體。設計工作者在確定變壓器油時，一般會選擇沸點較高的絕緣油，這就決定了變壓器中的油體揮發(fā)量很少?；馂陌l(fā)生時，部分的絕緣油與火焰靠近時可能揮發(fā)形成少量的氣體，而這種方式產(chǎn)生的氣體量很少，這些少量的氣體或者飄散到溫度較低的環(huán)境中凝結成液態(tài)的，或者直接遇火燃燒掉，基本不會形成可燃氣體云團。

根據(jù)傳統(tǒng)的Baker－Strehlow模型，第一種方式產(chǎn)生的氣體危險性遠高于第二種和第三種，而且從氣體量的方面考慮，第一種占主體成分。基于上述第一種原因產(chǎn)生的氣體同時具有很大的危險性和爆炸性。

1.2 現(xiàn)行變壓器室泄壓計算模型

變電站屬于工業(yè)建筑，按照廠房一類進行設計。依據(jù)現(xiàn)行國家標準 GB 50016－2014《建筑設計防火規(guī)范》，對有爆炸危險的廠房，規(guī)范給出了推薦的泄壓面積計算公式，由密閉容器內可燃氣體爆炸泄壓的立方體定律和相似原理推導得出。國際防爆泄壓方面，美國消防協(xié)會NFPA 68《爆燃泄壓防爆標準》在國際上具有較高的權威性和參考價值。NFPA 68－2013盡管區(qū)分高強度封閉空間和低強度封閉空間，采取不同的計算公式，但也均是假定空間為封閉空間。

變壓器正常工作產(chǎn)生氣體，變壓器泄壓閥的設置，可以成功的將這些氣體排除，由于排氣速度緩慢，加之變壓器室一般加強通風設置，按照構造的方式在變壓器室的上方設置足夠的通風散氣窗，在自然通風情況下完全可以消散到爆炸極限以下，所以按照廠房和倉庫爆炸模型(達到一定濃度的爆炸性氣體彌漫于整個房間內)進行防爆泄壓設計并不合理。

目前在電力行業(yè)中針對變電站的變壓器室的泄壓設計并沒有合適的計算方法，對變壓器的爆炸機理分析的也不夠明確，這使得設計人員在遇到此類計算時，缺少依據(jù)，設計存在較大的隨意性。據(jù)調查，目前電力行業(yè)不少設計單位對于變壓器室的泄壓面積是基于《建筑設計防火規(guī)范》3.6.4條提供的模型進行計算，見式(1)。

式中：A為泄壓面積(m2)；V為廠房的容積(m3)；C為泄壓比(m2/m3)。

通過這種方法計算出的泄壓面積普遍偏大，甚至會大于房間整面外墻的面積，導致泄壓墻面很難布置，給設計造成困難。

1.3 變壓器爆炸模型選取

1.3.1 鍋爐房爆炸機理

鍋爐爆炸的本質是能量釋放，鍋爐中存儲著巨大的能量，一經(jīng)釋放，瞬間轉化為強大的機械能。在鍋爐運行過程中，爐膛燃爆，某些受壓元件在使用過程中達到極限強度或者鍋爐材料的薄弱處發(fā)生破壞，導致鍋爐出現(xiàn)破裂口，鍋爐中的水及蒸汽會立即從破口處釋放，即鍋爐爆炸。在這一短暫過程中，鍋爐內的壓力瞬間減小、釋放，導致爐內氣體液體劇烈汽化、膨脹，大量的水蒸氣迅速膨脹，鍋爐內的壓力迅速再次升高，破裂口進一步變大，破裂口處的水蒸氣形成巨大的沖擊波造成爆炸現(xiàn)象。鍋爐爆炸時釋放的巨大能量大部分以沖擊波的形式作用于周圍環(huán)境，對建筑物和人員造成巨大的破壞。

1.3.2 變壓器爆炸機理

建設在城區(qū)的變電站一般要求戶內布置，主變壓器是安全隱患最大的設備，因此主變室是眾多電氣室安全防范的重中之重。因為變壓器內儲有大量變壓器油，長期在較高溫度的環(huán)境下工作，危險較大，是變電站防火防爆的重點。從變壓器構造上來看，內部是鐵心柱、鋁線或絕緣銅線等制成的線圈，在油浸式變壓器中的絕緣油充斥其中，絕緣油閃點約為135℃，易蒸發(fā)燃燒，易與空氣混合成易爆混合物。變壓器內部有紙板、棉紗、布、木材可燃物作為絕緣襯墊、支架等，在過載或短路的情況下，在高溫或電火花、電弧作用下，變壓器中的可燃的材料和絕緣油發(fā)生分解產(chǎn)生可燃氣體，氣體膨脹使變壓器內部壓力劇增，可引起變壓器外殼爆炸，大量絕緣油噴出燃燒進一步擴大火災，造成更大的破壞。

1.3.3 變壓器室爆炸模型選取

通過鍋爐爆炸和變壓器爆炸機理對比分析，可以得到，鍋爐和變壓器爆炸均是由于內部液體氣化導致內部壓力劇增，爐體或者變壓器外殼薄弱環(huán)節(jié)破壞，導致爆炸，進而引起下一階段的二次爆炸或火災，爆炸能量以沖擊波的形式對結構產(chǎn)生破壞。

通過以上分析，顯然主變壓器室存在爆炸危險，此種爆炸不同于《建筑防火設計規(guī)范》中廠房和倉庫的爆炸模型，而近似于鍋爐房爆炸模型。因此，參考《鍋爐房設計規(guī)范》15.1.2條：鍋爐房的外墻、樓地面或屋面，應有相應的防爆措施，并應有相當于鍋爐間占地面積10%的泄壓面積，見公式(2)：

式中：S為鍋爐房占地面積。

1.4 小結

通過對以上兩種計算模型的對比和分析，得出鍋爐房的爆炸機理與變壓器的爆炸機理接近，因此變壓器室爆炸模型近似采用鍋爐房爆炸模型是合理的。

2 泄壓設計及計算

2.1 泄壓設計

根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》3.6.3條，泄壓設施宜采用輕質屋面板、輕質墻體和易于泄壓的門、窗等?！督ㄖO計防火規(guī)范》3.6.4條，作為泄壓設施的輕質屋面板和輕質墻體的單位質量不宜超過60 kg/m2。此處的單位質量，是指泄壓面的綜合單位重量，《建筑結構荷載設計規(guī)范》中規(guī)定了不同材料的容重?！跺仩t房設計規(guī)范》規(guī)定，當泄壓面積不足時，鍋爐房的內墻和頂部(頂棚)敷設金屬爆炸減壓板可作為補充。

對于經(jīng)計算所需泄壓面積較小的變壓器室，聯(lián)系到消散變壓器正常工作下產(chǎn)生的氣體的要求，選擇通過設置百葉窗和通風窗的形式兼做泄壓面積，可以同時達到泄壓面積要求。

2.2 泄壓計算實例

以濟南某220 kV全戶內變電站為例，單個變壓器室長17 m，寬11 m，高14.4 m，變壓器容量為240 MVA/臺，為油式變壓器。

(1)基于《鍋爐房設計規(guī)范》提供的模型計算的泄壓面積：

(2)基于《建筑防火設計規(guī)范》提供的模型計算的泄壓面積：

式中：體積V=17×11×14.4=2692.8(m3)。泄壓比C按照表1氣體成分加權計算，

表2為兩種計算模型經(jīng)濟指標對比。

表2 兩種計算模型經(jīng)濟指標對比

通過計算對比，按照鍋爐房爆炸模型計算的變壓器室泄壓面積較建筑防火規(guī)范模型減小90%以上，顯著降低了工程造價。

3 結論

綜上所述，可得出如下結論：

(1)變電站變壓器室應考慮泄壓設計，房間的泄壓計算應選用合適的計算模型。

(2)通過分析比較鍋爐與變壓器的爆炸機理，得出變壓器室的爆炸模型以及泄壓計算公式 ：A=0.1×S。

(3)與現(xiàn)行算法相比，通過新模型計算得到的變壓器室的泄壓面積顯著減小，計算結果更加合理。泄壓面積的大幅減少，顯著降低了變電站造價。