朱思宇，汪書蘋，楊 嫻，程旭東，周 勇*

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026；2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院電力火災與安全防護安徽省重點實驗室，合肥，230022；3.國家電網公司輸變電設施火災防護實驗室，合肥，230022；4.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司，合肥，230601)

0 引言

電力系統(tǒng)運行中包含大量充油設備，包括套管、互感器、斷路器等少油設備[1]，這些設備在長期運行后由于超負荷運行時間長、設備制造工藝不良、運行維護不當?shù)葐栴}，有可能導致電氣強度和機械強度降低并造成設備的絕緣老化和損壞，發(fā)生絕緣擊穿進而引發(fā)電弧，同時絕緣變壓器油長時間使用后的老化也會導致其品質劣化，絕緣性降低，點燃特性和燃燒特性也會發(fā)生變化。此時電弧攜帶的能量可能會引燃變壓器油，造成少油設備的起火甚至爆炸，損毀變壓器，進而導致區(qū)域內的斷電，嚴重威脅電網的安全運行。因此，電力系統(tǒng)中變壓器油的點燃特性和點燃過程研究，對于少油設備的安全運行和保護措施制定具有重要意義。

變壓器少油設備的火災危險性可分為內部誘因和外部誘因。其中，內部誘因又分為內部產氣[2]、內部電容屏間放電、電容芯末屏處卷入玻璃顆粒異物引起電弧放電等，同時設備在長期運行過程中，套管接縫處及其他薄弱部位可能出現(xiàn)缺口，變壓器油從而接觸空氣甚至泄露。此時若變壓器處于高負荷狀態(tài)下，局部高溫產生的絕緣油氣混合物可能被電弧點燃并發(fā)生化學爆炸[3-6]。外部誘因分為套管接口處漏油、套管末屏接地不良、套管空氣側外絕緣套閃絡等。由于污閃、外部放電等現(xiàn)象產生的電弧，也可能導致漏出的變壓器油被點燃造成閃焰甚至明火[7]。對于大型變電站而言，由于保養(yǎng)較好且檢測到位，能夠及時進行處置的情況下，外部誘因造成的火災風險較小。但對于無人值守的小型變壓器，泄露后的變壓器油被點燃后，明火可能造成殼體損壞進而產生破口引發(fā)連鎖反應，演變?yōu)榛馂谋ㄊ鹿?，存在較大安全隱患。

在已有的對于變壓器油的火災危險性的研究中，主要針對的是變壓器油的燃燒特性以及防、滅火方法[8,9]。其中范明豪等[10]采用全尺寸熱釋放速率實驗臺，針對典型的克拉瑪依DB-25號油，通過不同尺寸油盤的燃燒試驗，研究了油的燃燒特性參數(shù)包括熱釋放速率、質量損失速率、中心線處及煙氣層溫度等。趙金龍等[11]搭建了油池火燃燒試驗平臺，研究了初始油溫對變壓器油燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)初始發(fā)展階段，隨著初始油溫的升高，燃燒速率會不斷增加燃燒劇烈程度隨著油盤尺寸的增大逐漸增加。閔永林等[12]通過數(shù)值模擬和全尺寸實驗驗證的方式，研究了通風條件下用多組分細水霧撲滅變壓器火災的情況，研究發(fā)現(xiàn)細水霧系統(tǒng)能有效抗風，在極限條件下保護變壓器。劉葉飛等[13]提出以箱變的外形結構、內部構造、獨立模塊為主的八防功能：防火、防凝露和凝霜、防水、防高溫、防低溫、防潮、防腐蝕、防小動物進入以及新的防雷與接地的設計方案，能夠保證電網的正常運行, 同時符合國家電氣設備安全質量標準。目前已有的涉及變壓器油的點燃特性研究多使用熱輻射進行點燃，但是只有當進入火災發(fā)展階段火焰蔓延時，熱輻射的影響才會比較顯著，而在實際情況下，電弧攜帶的能量往往是造成變壓器油被點燃的直接原因，因此研究電弧點燃變壓器油的點燃特性，有利于還原真實情境下變壓器發(fā)生火災爆炸的過程，為防治措施的制訂提供依據(jù)。

本文通過實驗方法研究變壓器油在電弧作用下的點燃現(xiàn)象，并通過控制變壓器油的老化程度、電弧的能量等變量，結合Bruceton法統(tǒng)計變壓器油被電弧點燃的溫度，計算點燃的臨界溫度和本質安全溫度，從而研究變壓器油在電弧作用下的點燃規(guī)律，據(jù)此制訂安全策略以防治可能造成變壓器油被點燃的安全事故。

1 變壓器油的老化

表1 變壓器油老化數(shù)據(jù)Table 1 Aging data of transformer oil

2 變壓器油在電弧下的點燃特性

2.1 實驗裝置和實驗方法

實驗裝置包括電弧點火桿、電弧控制器、加熱平板、盛油皿、攝像機等。其中，電弧點火桿為西安科匯熱工技術設計研究所生產的KTGD-B型可調式點火器，輸入電壓范圍為90 V～220 V，為了研究電弧能量及電弧電壓與點燃溫度之間的相關性，本研究中共取4個梯度，120 V、150 V、180 V、220 V，表2為電弧點火器的參數(shù)表；對應箱體電壓為1 kV～2 kV，點火桿頭輸出電壓約為5 kV、6.8 kV、8.1 kV、10 kV，可對應實際情況中10 kV及以下等級變壓器少油設備中可能發(fā)生的電弧，以及更高電壓等級變壓器的低壓端少油設備中的電?。划a生的輸出能量為6 J、9.6 J、13.8 J、20.5 J，該電弧能量數(shù)值由電弧發(fā)生器制造廠家提供，由于其內部為電容式構造，因此能量通過公式Q=UC計算得到的，其中U為電弧電壓，C為裝置中設置的電容?？販丶訜崞桨鍨槌Ｖ輫顑x器制造有限公司生產的DB-1型數(shù)顯不銹鋼電熱板，可控溫溫度范圍為20 ℃～450 ℃，控溫精度為±5 ℃。為了防止對流空氣等環(huán)境因素的干擾，裝置放置在密閉空間中進行實驗，圖1為實驗裝置示意圖和實物圖。實驗時，在直徑120 mm的盛油皿中倒入30 ml變壓器油，控制加熱平板對變壓器油進行加熱，并通過熱電偶在點火桿頭正下方測溫點處測量油溫，油溫恒定3 s后再通過電弧控制器進行點燃。點燃過程中，為了盡可能接近液體表面，得到點燃的最低溫度，控制電弧點火器與油面的距離為1 mm，考慮到電弧以及環(huán)境因素可能造成的點燃延遲，一次點燃持續(xù)5 s，盛油皿中出現(xiàn)閃焰現(xiàn)象或持續(xù)燃燒判定為“點燃成功”，在表格中記錄為“√”，若未成功點燃，則記錄為“×”。

圖1 實驗裝置示意圖和實物圖Fig. 1 Schematic diagram and physical diagram of the experimental device

根據(jù)謝苗諾夫理論，點燃過程需要物質燃燒產生的熱量大于散失的熱量才能被點燃，盛油皿表面積過大會造成熱量損失變大，從而更難被點燃，為了研究最危險情況，也即最低點燃溫度，直徑應盡可能的?。坏娣e過小時，由于電弧產生的沖擊波作用會使絕緣油噴濺到點火桿上，造成電弧端封堵從而失效。120 mm直徑的盛油皿是經過前期實驗得到的不會噴濺造成失效的最小直徑。同時，絕緣油是一種化學性質穩(wěn)定的液體，不會被直接點燃，當蒸發(fā)為氣體或者成為氣霧狀態(tài)時才能被點燃[19]，只有表面的絕緣油能夠產生氣態(tài)可燃物質從而參與這個過程。又因為實驗中絕緣油作為整體被加熱，表面與底部幾乎沒有溫差，不存在熱傳導會使表面溫度下降的問題，因此盛油量不會產生較大的影響。實驗中較少的油量有利于油溫的控制，減少實驗中升降溫所需的時間，但是又需要一定的油量來抵消由于加熱蒸發(fā)和電弧沖擊波及分解作用造成的損失，根據(jù)前期實驗得到30 ml是最低所需油量。

初步實驗結果表明，所測得的電弧可點燃油溫變化范圍較大。因此，本研究采用Bruceton方法[20]以統(tǒng)計實驗結果，計算點火的臨界溫度。具體方法如下，首先，選取接近最低可點燃溫度的初始溫度T0和溫度步長t，本研究中選取130 ℃作為初始溫度T0，溫度步長t應與計算出的標準差接近，經過前期實驗t取5 ℃，然后，在T0±t、T0±2t、T0±3t等環(huán)境下進行試驗，每個試驗工況固定進行20次點燃實驗。如第一次試驗在T0時進行，如果點燃成功，則在T0-t溫度下進行下一次試驗，如果未點燃成功，則下一個測試在T0+t進行?？傊c燃成功就將熱表面的油溫降低，點燃失敗就將熱表面的油溫升高。表3中記錄了采用Bruceton方法的電弧對變壓器油點燃結果。根據(jù)統(tǒng)計結果，可計算出點燃概率為50%的臨界溫度。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Tc為點燃概率為50%時的臨界溫度，℃；T0為初始溫度，℃；t為溫度步長，℃；N(0)為總點燃成功次數(shù)；Dc為方差；i為溫度梯度編號±1、±2、±3、…；ni(0)為各溫度梯度的點燃成功次數(shù)；σ為標準差，℃。以表3中的一種工況：電弧輸入電壓為220 V，對老化時間為0 h的變壓器油點燃為例，初始油溫為130 ℃，溫度步長為5 ℃，在20次試驗中9次點燃成功，則Tc計算如公式(4)。

Tc=130+5×

=143.89

(4)

此時計算出Tc為143.89 ℃，標準差為3.14 ℃，這意味著本工況下，變壓器油在143.89 ℃具有50%的點燃概率。此時若假設點燃是一個正態(tài)分布的隨機分布事件，可根據(jù)統(tǒng)計學數(shù)據(jù)分析方法計算出該工況下，0.01%點燃概率的溫度點為131.66 ℃，參考作為本質安全的溫度點TS。通過這種方法，計算出的臨界溫度，標準差，本質安全溫度如表4中所示，圖3中為根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制的臨界溫度與老化時間、電弧能量的關系曲線。

表2 電弧點火器參數(shù)表Table 2 Parameter table of arc igniter

表3 電弧對變壓器油點燃結果Table 3 Ignition result of transformer oil by electric arc

續(xù)表3

圖2 一次電弧點燃變壓器油實驗過程圖像Fig. 2 Digital images of experimental process of transformer oil ignited by arc

2.2 電弧點燃實驗結果

圖2是一次電弧點燃變壓器油的全過程圖像。實驗中，首先使油溫在設定溫度穩(wěn)定3 s，后調整電弧點火器的輸入電壓，并進行電弧點燃。從拍攝的圖像來看，在電弧作用之前的圖2(b)中，變壓器油表面并沒有明顯的氣體產生，但當電弧作用在變壓器油面上時，即圖2(c), 圖2(d), 圖2(e), 圖2(f)中，立刻產生了大量的白色“油霧”，這些類似“油霧”的物質應是在電弧能量的作用下，變壓器油裂解反應產生的較輕短鏈物質，在電弧造成的瞬間高溫的作用下漂浮起來，并與油中脫附的水分、雜質等混合形成油氣混合物。根據(jù)實驗，這種“油霧”現(xiàn)象只有當電弧作用在變壓器油面時才會產生，而當電弧停止后，在3 s～5 s內這種現(xiàn)象即會自行消失。這說明電弧可以加速變壓器油的分解過程，短時間內產生更多的可燃物質小分子，同時會促進易燃油氣混合物的形成。根據(jù)謝苗諾夫熱自燃理論，當體系的反應放熱大于其熱損失時即可能發(fā)生燃燒，圖2中點燃的4 s應是本體系的著火延滯期，并在圖2(g)中經過熱積累后點燃最終發(fā)生。值得注意的是，從拍攝的圖像中可以看出火焰并沒有從電弧的中心處，也就是能量接受最大的油面中心點產生，而是先在電弧周圍形成了一圈“火環(huán)”，在電弧停止后，火焰才由外向內傳播，最終整個盛油皿表面被完全點燃，這是由于電弧不僅放出能量使變壓器油大量裂解，同時其在空氣中爆裂形成的沖擊波也會將處于電弧中心位置的油氣混合物和空氣擠出，從而形成無氧空間，使火焰無法立刻向內傳播。從圖2(h), 圖2(i)可以看出此時火焰已處于持續(xù)燃燒狀態(tài)，因此此溫度可記錄為點燃“√”。表3中的每一格記錄均是經過上述過程得到。

圖3 臨界溫度與老化時間、電弧能量的關系曲線Fig. 3 Relation curve of critical temperature with aging time and arc energy

2.3 電弧點燃結果分析

圖3和表4的結果表明，無論哪一種電弧能量，變壓器油在電弧作用下的點燃臨界溫度，和老化時間的關系均有著相似的特征。即臨界溫度Tc并沒有單純隨著老化時間的延長，介質損耗因數(shù)tanδ的下降而下降，而是短時間(72 h～144 h)的老化后，臨界溫度大部分工況下短暫上升，長時間的老化(144 h～288 h)后，臨界溫度會快速下降，導致被點燃的風險升高。這是由于短時間內的熱氧老化下，變壓器油中的游離基鏈式反應首先發(fā)生反應產生醇和水[12]，游離的水分被變壓器油吸收后，在被電弧點燃的過程中，會吸收電弧的能量并蒸發(fā)產生水蒸氣，從而降低油面的溫度，同時水蒸氣會降低油分解產生的可燃氣體的濃度，因此提高了點燃的臨界溫度，變壓器油的安全性短暫的升高。但是在長時間的老化后，即老化144 h，介損因數(shù)達到0.1603%，酸值達到0.008%后，變壓器油中吸收的水會達到飽和，而由表1中的酸值變化可知，此時油中的鏈式反應和裂解反應在熱的作用下加劇，產生更多的短鏈醇，并進一步轉化為醛、 酮、 酸等產物[12]，這些短鏈的產物本身自燃點較低，因此在電弧能量的激發(fā)下，長時間老化后變壓器油的點燃臨界溫度會快速降低；同時變壓器油在長時間的老化后，會逐漸從透明變得渾濁，并出現(xiàn)沉淀和懸浮物，這些雜質會導致油的絕緣性下降，擊穿強度下降，從而更容易受電弧影響，產生更多的易燃短鏈物質，因此進一步劣化油的安全性能。

對于相同老化時間的變壓器油，點燃臨界溫度也沒有單純隨著電弧的能量升高而降低，而是在一定電弧能量下達到極值。從表4中的臨界溫度平均值可以看出，輸出能量為20.5 J、13.8 J、9.6 J、6 J時，平均臨界溫度分別為144.00 ℃、144.08 ℃、159.80 ℃、163.30 ℃。其中，當輸出能量從6 J升高至9.6 J和13.8 J的過程中，無論老化時間，變壓器油均呈現(xiàn)出隨著電弧能量升高臨界溫度下降的線性變化，但是輸出能量為20.5 J和13.8 J時的臨界溫度數(shù)據(jù)則相似，且平均臨界溫度都約為144 ℃，這可能是由于13.8 J的能量達到了當前老化油的點燃所需能量最低極限值，類似爆炸極限，繼續(xù)增加施加的電弧能量也不能繼續(xù)降低臨界點燃溫度，換句話說，變壓器油的點燃概率在電弧能量13.8 J以上時趨于一致，只會隨著老化時間的增加而改變。表4中同時計算了各個工況下的點燃溫度標準差σ和本質安全溫度值TS。其中標準差值并沒有明顯的線性變化趨勢，其平均值接近于5 ℃，即溫度步長t，因此計算得到的本質安全溫度的變化趨勢與臨界溫度有著相似的變化趨勢，輸出能量為20.5 J、13.8 J時幾乎相等，平均為124 ℃，而在13.8 J以下時，呈現(xiàn)線性升高的趨勢。

因此，當變壓器少油設備可能產生8 kV以上電壓的電弧(對應電弧能量13.8 J)時，須保證任意部位變壓器油的溫度不得超過124 ℃，否則變壓器油在變壓器薄弱或破損部位，泄露或與氧氣接觸后，即有可能被點燃發(fā)生燃燒甚至爆炸事故，而其他設備則可以適當放寬溫度的報警范圍至133 ℃、150 ℃甚至以上。根據(jù)過去的研究[10]，變壓器油在被點燃后，25 cm×25 cm的油盤下其燃燒熱釋放速率最高可達到66.4 kW，且短時間內熱輻射強度即可達到最大值，同時火源中心溫度可以達到700 ℃，有極大的火場蔓延的風險。所以，在一些無人值守的變壓器上，仍需要在其充油設備，諸如套管，繼電器的薄弱部位設置溫度監(jiān)控、消弧裝置甚至自動滅火系統(tǒng)，控制變壓器油的溫度在124 ℃以下，以應對電弧可能點燃變壓器油。最后，對于油的老化狀況應充分監(jiān)控并重視，通過表1和表4可得知，油在老化后不僅絕緣性隨著時間快速降低，其點燃臨界溫度也在一定時間后快速下降，這導致了很高的火災風險。

表4 電弧對變壓器油點燃實驗數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of transformer oil ignition by arc

續(xù)表4

3 結論

本研究通過實驗的方式，探究了變壓器油在電弧作用下的點燃過程，并利用Bruceton法對老化的變壓器油在電弧作用下的臨界點燃溫度進行了分析。得出結論如下：

1)根據(jù)點燃實驗圖像，電弧可以加速變壓器油的分解過程，短時間內產生更多的可燃物質小分子，同時會促進易燃油氣混合物的形成。

2)變壓器油的老化時間和電弧能量對點燃臨界溫度有明顯的影響。其中，老化時間在144 h之后，變壓器油會快速劣化產生大量短鏈物質，其臨界溫度也快速下降；電弧的能量則對點燃臨界溫度存在極值，電弧能量超過13.8 J時，提高電弧能量并不能使臨界溫度明顯降低，此時平均本質安全溫度約為124 ℃。

3)變壓器少油設備在使用過程中，應設置溫度監(jiān)控、消弧裝置甚至自動滅火系統(tǒng)，并嚴格控制絕緣油的介損因數(shù)小于0.1603%，酸值小于0.008%，且任意部位變壓器油的溫度不超過124 ℃，否則會有被點燃的風險。

4)本研究沒有考慮電弧對變壓器油作用后產生的氣體可能導致火災爆炸的情況，這是下一步的研究重點。