汪亞龍，黎昌海，張佳慶，尚峰舉，陸守香，范明豪，王劉芳

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理改變交流電壓的設(shè)備，按冷卻方式可以分為干式變壓器和油浸式變壓器兩類。干式變壓器無油、難燃，在防火方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。油浸式變壓器具有散熱性能強(qiáng)、制造及維護(hù)成本低、回收利用較為方便等特點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)效益往往優(yōu)于干式變壓器，因此被廣泛采用[1]。大型油浸式變壓器作為核心電力設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于電廠和變電站[2]。例如在特高壓直流輸電工程中連接換流橋與交流系統(tǒng)的換流變壓器，其電壓等級(jí)高，工況復(fù)雜、運(yùn)行溫度高、尺寸巨大[3]。

絕緣油是油浸式變壓器的主要絕緣及冷卻介質(zhì)。油浸式變壓器內(nèi)部及頂部油枕充有大量可燃的變壓器油，在故障、高溫條件下起火，往往會(huì)導(dǎo)致油浸變壓器本身以及其他鄰近的電氣設(shè)備損壞，嚴(yán)重破壞變電站，影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-10]。

本文基于近年來國內(nèi)外發(fā)生的油浸式變壓器火災(zāi)事故案例，分析了油浸式變壓器火災(zāi)事故的類型和特點(diǎn)，總結(jié)了油浸式變壓器火災(zāi)事故的發(fā)生機(jī)理，并提出了防止和控制油浸式變壓器火災(zāi)事故的對(duì)策與技術(shù)措施。

1 油浸式變壓器火災(zāi)事故案例分析

1.1 國外油浸式變壓器火災(zāi)事故分析

油浸式變壓器火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，1984—2018年媒體公開報(bào)道的8起國外油浸式變壓器火災(zāi)事故的發(fā)生原因及其后果，見表1。

表1 1984—2018年8起國外油浸式變壓器火災(zāi)事故案例Table 1 Fire accidents of oil-immersed transformers abroad from 1984 to 2018

由表1可知，國外油浸式變壓器火災(zāi)事故的主要原因往往是變壓器局部過熱，或者故障引發(fā)電弧，引燃了變壓器油。

1.2 國內(nèi)油浸式變壓器火災(zāi)事故分析

1987—2018年媒體公開報(bào)道的14起國內(nèi)油浸式變壓器火災(zāi)事故的發(fā)生原因及其后果，見表2。

表2 1987—2018年14起國內(nèi)油浸式變壓器火災(zāi)事故案例Table 2 14 cases of oil-immersed transformer fire in China from 1987 to 2018

2 油浸式變壓器火災(zāi)事故的類型、特點(diǎn)和發(fā)生機(jī)理

2.1 油浸式變壓器火災(zāi)事故的類型

根據(jù)油浸式變壓器火災(zāi)事故的模式和燃燒形式，將油浸式變壓器火災(zāi)事故的類型分為噴射火、油池火、流淌火三類。

(1) 噴射火：噴射火是在有壓力的管道或容器內(nèi)油料通過泄漏口往外噴射燃料并被點(diǎn)燃的一種燃燒方式，多出現(xiàn)在變壓器爆炸后的較短時(shí)間內(nèi)，一般火焰高度(長度)較大，泄漏口處動(dòng)量大、能量密度大，造成撲救難度大。

(2) 流淌火：流淌火是液體燃料邊流淌邊燃燒的一種燃燒方式，多發(fā)生在變壓器油的泄漏和火災(zāi)擴(kuò)大階段，大量泄漏燃油不能快速燃燒完全，流向沒有約束的方向并不斷被點(diǎn)燃，導(dǎo)致火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大，造成撲救困難。

(3) 油池火：油池火是一定厚度燃油在物體表面發(fā)生燃燒的一種燃燒方式，泄漏到物體表面的燃料向四周流淌，受到阻擋或限制時(shí)，燃料將在局部積聚，形成一定厚度的油池，油池被點(diǎn)燃即形成油池火。變壓器油池火多發(fā)生在燃油受到邊界約束后，多為火災(zāi)的充分發(fā)展階段，油池火的熱釋放速率除了取決于油料特性外，還與暴露并燃燒的油池表面積以及燃料的蒸發(fā)速率相關(guān)，而燃料的蒸發(fā)速率則受油溫的影響極其明顯。

在實(shí)際的油浸式變壓器火災(zāi)事故中，噴射火、流淌火、油池火往往同時(shí)存在，這給火災(zāi)的撲救帶來了更大的困難。

2.2 油浸式變壓器火災(zāi)事故的特點(diǎn)

油浸式變壓器器身多為封閉結(jié)構(gòu)，故障狀態(tài)下的高溫常引起絕緣油或氣體膨脹，在失控狀態(tài)下易發(fā)生爆炸。而位于油箱頂部油枕內(nèi)的大量變壓器油在重力作用下，從箱體開裂處向外猛烈噴出，助長了火勢(shì)的蔓延，大大增加了火災(zāi)撲救的難度。此外，變壓器火災(zāi)出現(xiàn)的爆燃現(xiàn)象，可能對(duì)變壓器本體結(jié)構(gòu)、防護(hù)屋頂、防火墻和消防設(shè)施造成破壞，將導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展過程的多變性。因此，油浸式變壓器油泄漏燃燒可能會(huì)引發(fā)噴射火、油池火、流淌火等更為復(fù)雜的燃燒形式。

綜上所述，油浸式變壓器火災(zāi)事故的特點(diǎn)可以概括為：爆炸性、快速性、破壞性、多變性和火災(zāi)形式多樣性。在油浸式變壓器發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，及時(shí)地切斷油枕流向箱體的油路，有助于防止變壓器火災(zāi)事故的擴(kuò)大和蔓延[20]。

2.3 油浸式變壓器火災(zāi)事故的發(fā)生機(jī)理

從國內(nèi)外油浸式變壓器典型火災(zāi)事故案例的共性來看，變壓器絕緣油是火災(zāi)的可燃物，而局部過熱或異常放電是火災(zāi)的點(diǎn)火源，而空氣作為助燃物在火災(zāi)過程中持續(xù)存在，上述可燃物、點(diǎn)火源、助燃物的存在滿足了火災(zāi)發(fā)生的基本條件。

根據(jù)系統(tǒng)安全工程中的事故致因理論，事故是能量的意外釋放。系統(tǒng)中存在的、可能發(fā)生意外釋放的能量或危險(xiǎn)物質(zhì)被稱作第一類危險(xiǎn)源[26]。油浸式變壓器充裝了大量可燃絕緣材料和絕緣油，例如一臺(tái)220 kV、180 MVA的大型油浸式變壓器充油量可達(dá)30 t以上，其中的大量絕緣油可以視為第一類危險(xiǎn)源；導(dǎo)致約束、限制能量措施失效或破壞的各種不安全因素被劃分為第二類危險(xiǎn)源[27]，一旦第二類危險(xiǎn)源出現(xiàn)，事故將可能發(fā)生。油浸式變壓器火災(zāi)故障的具體模式，即第二類危險(xiǎn)源的主要形式如下[28-30]。

(1) 繞組短路：繞組短路的形式分為繞組間短路和繞組對(duì)地短路，其中繞組間絕緣老化、水或異物進(jìn)入變壓器、引線絕緣破損等會(huì)造成繞組層間或匝間短路；而振動(dòng)、操作過電壓、絕緣距離不足或損壞等則會(huì)造成繞組短路，擊穿鐵芯、外殼、臺(tái)架等接地部分，從而引起繞組對(duì)地短路。短路部位的溫度會(huì)迅速上升，可能引燃變壓器油，發(fā)生火災(zāi)。

(2) 內(nèi)部損耗過大：變壓器內(nèi)部損耗包括繞組損耗(銅損)和鐵芯損耗(鐵損)兩部分，實(shí)際運(yùn)行的變壓器鐵損往往大于銅損。鐵芯硅鋼片存在制造缺陷、鐵芯多點(diǎn)接地、變壓器鐵芯硅鋼片間氣隙過大等，都是增加變壓器內(nèi)部損耗的因素，而變壓器內(nèi)部損耗過大的情況下，一方面可能引燃絕緣紙或絕緣油等可燃物，另一方面引起故障部位附近絕緣損壞，造成繞組短路，引發(fā)火災(zāi)。

(3) 接觸不良：分接開關(guān)或電源引線等部位是接觸不良的多發(fā)部位，接觸不良會(huì)造成局部持續(xù)異常發(fā)熱，引燃可燃物或者損壞周圍絕緣，引發(fā)火災(zāi)。

(4) 變壓器油劣化：變壓器長時(shí)間運(yùn)行后，變壓器油在高溫或電弧的影響下，生成多種溶于油的酸類和氧化產(chǎn)物，如繞組、鐵軛、夾件、散熱管上附著或積聚劣化生成的“油泥”，其導(dǎo)熱性很差，且阻礙絕緣油的正常循環(huán)，嚴(yán)重影響繞組散熱；劣化的絕緣油中的多種不穩(wěn)定物質(zhì)進(jìn)一步分解，生成強(qiáng)腐蝕性的臭氧，損壞絕緣材料。

(5) 套管故障：油浸紙電容式套管由于安裝不當(dāng)而受機(jī)械性沖擊或嚴(yán)重超溫運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，若套管制造不良、電容芯空氣與水分未除盡或卷得太緊導(dǎo)熱不良，在充油套管出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致?lián)舸r(shí)，套管往往會(huì)發(fā)生爆裂，可能引發(fā)火災(zāi)事故。

(6) 其他原因：如違章施工、違規(guī)動(dòng)火等。

3 油浸式變壓器火災(zāi)事故的滅火對(duì)策與防火技術(shù)措施

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，油浸式變壓器火災(zāi)事故可分為室內(nèi)、室外兩大類，由于各自的滅火需求差別較大，因此需要分別采取相應(yīng)的滅火對(duì)策與防火技術(shù)措施。

通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外可用于變壓器火災(zāi)的滅火系統(tǒng)主要包括泡沫噴霧系統(tǒng)、中倍泡沫滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、排油注氮滅火系統(tǒng)和雨淋滅火系統(tǒng)等。此外，《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)中指出，油浸式變壓器消防系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置消火栓系統(tǒng)。不同滅火系統(tǒng)對(duì)變壓器火災(zāi)滅火效能的比較，見表3?？梢?，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同選擇合適的滅火系統(tǒng)。

表3 不同滅火系統(tǒng)對(duì)變壓器火災(zāi)滅火效能的比較Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of different fire extinguishing systems for transformer fire

3.1 室外油浸式變壓器火災(zāi)事故的滅火對(duì)策

由于室外環(huán)境較為開放，不利于采用窒息法滅火，因此針對(duì)室外油浸式變壓器的滅火，應(yīng)考慮采用隔離法、冷卻法等。

水噴霧滅火系統(tǒng)滅火效果好、造價(jià)低，普遍應(yīng)用于國內(nèi)外變壓器的消防滅火[31]。水噴霧能夠?qū)χ鸬淖儔浩髌鸬浇禍刈饔?，同時(shí)滅火過程中產(chǎn)生的水蒸氣也能夠稀釋變壓器附近的空氣，降低氧氣濃度，對(duì)火源起到一定的窒息作用。但是，針對(duì)室外油浸式變壓器的消防滅火在使用水噴霧滅火系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：由于變壓器不規(guī)則的外形以及受安全距離的限制，水噴霧滅火系統(tǒng)所需實(shí)際流量常大于設(shè)計(jì)流量；噴頭需根據(jù)使用環(huán)境配備過濾網(wǎng)、防塵帽；配管及管夾均應(yīng)接地，且接地電阻不大于16Ω；事故集油坑通往集油井管道需要同時(shí)具備足夠的排油和排水能力，避免因排油管道管徑太小造成排水不暢導(dǎo)致事故油外泄；為了防止漏電造成的損失進(jìn)一步擴(kuò)大，控制程序應(yīng)保證水噴霧滅火系統(tǒng)在設(shè)備已斷電的情況下進(jìn)行噴霧滅火[2]；在寒冷地區(qū)要采取保溫伴熱措施，防止管道凍裂。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在變壓器絕緣子升高座孔口設(shè)噴頭保護(hù)有利于滅火[32]。

針對(duì)室外油浸式變壓器的消防滅火，在缺水或嚴(yán)寒地區(qū)宜采用排油注氮滅火系統(tǒng)[33]，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝，國際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，有取代水噴霧滅火系統(tǒng)的趨勢(shì)。當(dāng)油浸式變壓器內(nèi)部出現(xiàn)異常的壓力劇增，氣體繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)排油注氮滅火系統(tǒng)，隨后排油閥打開，一段時(shí)間(約20 s)后通過減壓閥、經(jīng)過注氮管，氮?dú)獗蛔⑷胗拖涞撞?，攪?dòng)絕緣油，加速摻混油箱內(nèi)的高溫與低溫絕緣油，使故障部位油溫降到閃點(diǎn)以下，破壞發(fā)生燃燒的條件，熄滅油箱內(nèi)部火焰。該系統(tǒng)具有滅火速度快、損失小、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，火災(zāi)時(shí)能及時(shí)隔離變壓器箱體與油枕，滅火后充氮仍然留在油箱內(nèi)，能夠保證油不會(huì)復(fù)燃，且排油注氮裝置是密封的，從根本上避免了水噴霧滅火系統(tǒng)存在的防銹、防藻菌、防凍等問題。

此外，SD型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于室外油浸式變壓器的消防滅火。該系統(tǒng)的滅火藥劑為SD系列高效泡沫滅火劑，當(dāng)火災(zāi)信號(hào)觸發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，為給滅火藥劑加壓，控制模塊使高壓氮?dú)膺M(jìn)入滅火藥劑容器罐，產(chǎn)生泡沫并通過噴頭進(jìn)行噴淋滅火。SD型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)具有體積小、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便易行、組合靈活多變等特點(diǎn)，同樣適用于寒冷地區(qū)和缺水地區(qū)，但是滅火藥劑需定期更換，增加了后期的維護(hù)成本。整體上看，SD型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)成本低于水噴霧滅火系統(tǒng)[34]。

3.2 室內(nèi)油浸式變壓器火災(zāi)事故的滅火對(duì)策

室內(nèi)油浸式變壓器所處的環(huán)境較為封閉，有利于采用窒息法控制火災(zāi)。但由于變壓器帶有高壓電，為了防止漏電造成的損失進(jìn)一步擴(kuò)大，不宜采用導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行滅火。因此，高壓CO2全淹沒滅火系統(tǒng)特別適用于室內(nèi)變壓器的消防滅火，且具有響應(yīng)時(shí)間短、滅火效果好、對(duì)設(shè)備損害小等特點(diǎn)，適用于全淹沒滅火以及局部滅火，已成為室內(nèi)油浸式變壓器主要的固定式滅火方式之一。

CO2滅火劑儲(chǔ)存在高壓瓶組中，該系統(tǒng)由火災(zāi)探測(cè)器觸發(fā)，滅火期間連鎖裝置將自動(dòng)關(guān)閉防護(hù)區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)。為了避免誤操作造成人員窒息，要求設(shè)置噴射警示裝置、手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及應(yīng)急呼吸器[34]。

盡管CO2全淹沒滅火系統(tǒng)的滅火效果好，但造價(jià)昂貴、對(duì)設(shè)計(jì)安裝要求高、管理維護(hù)成本高，且缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使其應(yīng)用受到一定的限制。

3.3 油浸式變壓器火災(zāi)事故的防火技術(shù)措施

針對(duì)油浸式變壓器火災(zāi)，在完全失去控制之前，還可以采取以下技術(shù)手段或措施消除火災(zāi)發(fā)生的條件：

(1) 變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)有效動(dòng)作并消除異常過電壓，從而避免繞組或套管放電擊穿，將點(diǎn)火源扼殺在萌芽狀態(tài)。

(2) 儲(chǔ)油柜截流閥的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠使絕緣油以合適流速雙向流通，補(bǔ)償受熱膨脹或受冷收縮；同時(shí)，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，在某些必要情況下，如充油瓷式套管斷裂、OIP套管故障或主油箱發(fā)生破損時(shí)，截流閥也可以及時(shí)、有效地關(guān)斷儲(chǔ)油柜的絕緣油輸出。

(3) 為了承受油氣異常體積膨脹造成的壓力和形變，變壓器油箱應(yīng)具有一定的彈性。

(4) 若故障無法及時(shí)排除，變壓器內(nèi)部壓力急增，為了防止事故發(fā)生，需要設(shè)置緊急壓力釋放裝置。

除了上述故障屏蔽、限制措施以外，使用難燃環(huán)保高燃點(diǎn)介質(zhì)替代作為絕緣介質(zhì)的可燃性絕緣油，可以視為一種本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，而油浸式變壓器需要使用大量可燃的絕緣材料和變壓器油，包含大量的第一類危險(xiǎn)源，一旦能量屏蔽、限制措施失效，第二類危險(xiǎn)源出現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。引發(fā)油浸式變壓器火災(zāi)事故的具體故障原因包括繞組間短路、繞組對(duì)地短路、變壓器內(nèi)部損耗過大、接觸不良、變壓器油劣化、套管故障等。油浸式變壓器火災(zāi)的燃燒形式包括噴射火、油池火、流淌火。油浸式變壓器火災(zāi)事故具有爆炸性、快速性、破壞性、多變性和火災(zāi)形式多樣性的特點(diǎn)。當(dāng)油浸式變壓器發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時(shí)，采取措施及時(shí)切斷油枕中變壓器油流向箱體的油路，對(duì)防止油浸式變壓器火災(zāi)事故的擴(kuò)大和蔓延具有重要的作用。