变压器作为电力输送的关键设备,运行过程中产生的高温电弧通过内部的变压器油来消除,但变压器内部局部过热或故障也会导致变压器油燃烧和爆炸。为全面梳理变压器火灾事故成因,了解变压器火灾特点,需探究变压器油燃烧的火灾动力学过程、燃烧特征参数的变化规律。
Zhang 等利用锥形量热仪开展小尺度实验,确定不同外辐射作用下变压器油池火的点燃特性、燃烧速率变化规律。Zhao 等通过变压器油池火实验,依据燃烧料的详细参数修正了油池火燃烧速率的相关模型。王蔚对纵向风速改变下油池火燃烧速率的变化进行分析,结果表明火源平均燃烧速率与纵向风风速呈正比关系。
迄今为止,国内外学者针对变压器油燃烧特性的研究仍较少,而对特定变压器油火焰的燃烧形式,如火焰脉动、脉动频率等基础研究尚未完成。
室内油池火封闭程度较高、扰动较少,可较好地观察羽流脉动规律,进而探究火焰高度、热辐射等特征参数。同时,脉动频率作为数字化信号,其频域特征对智慧消防中早期火焰识别具有重要意义。基于此,本文将在自行搭建的变压器油池燃烧平台上,定性、定量研究不同油池直径对变压器油池火非稳态燃烧过程、燃烧速率、火焰脉动频率等的影响。为了解变压器油的燃烧特性,正确认识变压器火灾的发生、发展规律,以及为变电站火灾的智能监控与早期预警提供技术支撑。
1、实验方法
1.11 实验装置及工况
为更加真实地研究变压器火灾发生时变压器油的基本燃烧特性和燃烧形式,搭建油池火燃烧实验平台,如图1所示。
实验中,采用高精度电子天平实时记录油池火燃烧的质量变化,天平量程为0~61 kg,精度为0.1g。为清晰记录变压器油池火燃烧过程,采用高速摄像仪进行拍摄,设定每秒传输60帧,为保障记录的火焰不失真,实验前将高速摄像仪固定于距地面1.5m的三脚架上,放置在火源正前方。整个实验过程中,保持所有参数设置不变。
由于真实尺度下油池火主要受热辐射反馈影响,因此依据Babrauskas提出热辐射起主导作用的临界直径为D=0.2m,采用不同直径(40、50、60cm)的油池,油池边沿高度均为10cm。实验中油池内油品厚度均为5cm,油品型号为 KI25X,具体参数见表 1。由于变压器油属于高燃点重油,极难被引燃,因此缓慢、均匀地在油池四周注入80mL正庚烷作为引燃剂进行点燃,观测整个燃烧发展过程,采集数据,待油盆冷却至室温,方可进行下一次实验。
实验在上海同泰火安科技有限公司的全尺度隧道内完成,隧道长100m,宽12.75m,高6.7m。由于空间较大,池火发展不受隧道影响。实验过程中,关闭隧道两端通风口,即可忽略风速对实验的影响。实验期间,隧道内温度为(30±3)℃,湿度(56±10)%。为避免误差,每组工况需重复3次实验。
2实验结果与分析
2.11 变压油池火非稳态燃烧过程
对油厚5cm、油初温20℃、直径50cm工况下不同时刻变压器油池火的燃烧形态进行整理,如图2所示。
油池被引燃后,正庚烷燃烧产生的热量迅速加热液体表面,大量可燃蒸气与空气混合,达到混合当量比后参与燃烧。火焰迅速扩展至整个油面,燃烧速率快速增长,火焰高度不断增大。74s时燃烧进入准稳态阶段,燃烧速率基本达到稳定值,火焰高度在一定范围内脉动。随着燃烧的持续进行,油池壁面被不断加热,1645s时,池壁温度达到并超过燃料沸点发生沸腾燃烧,燃烧速率开始增长,火焰高度不断增加。2295s时,燃烧速率达到最大值。此后由于液体燃料供应不足,燃烧速率和火焰高度逐渐降低,2525s时,火焰熄灭,燃烧停止。
初期液面温度较低,可燃气体的蒸发量较小。随着燃烧不断发展,质量燃烧速率不断增大,大量可燃混合物进入火焰燃烧,燃烧规模增大,火羽流高度不断增长,火焰温度逐渐升高。随着燃烧的发展,油池的蒸气产生速率和消耗速率逐渐达到动态平衡,油池的燃烧速率基本维持不变,火焰在热浮力作用下呈现出较强的脉动现象,但是火焰高度和火焰形态基本稳定。随着燃油不断消耗,可燃气体产生速率低于消耗速率,温度不断降低,两者相互抑制,火焰逐渐熄灭。
2.22 燃烧速率特性
燃烧速率在一定燃烧效率下直接决定了油池火的热释放速率,表征了燃料燃烧速度的快慢。对电子天平记录的油池质量变化处理后,得到 D=40、50、60cm 变压器油池火燃烧速率 m''随时间的变化曲线,如图3所示。
对各直径下的质量损失速率进行观察,可以将变压器油的燃烧分为初期增长阶段、充分发展阶段(稳定燃烧阶段、沸腾燃烧阶段)、衰减熄灭阶段。实验中正庚烷仅添加80mL即54.72g,由于正庚烷密度较低,仅为0.68g/mL(变压器油为0.883 g/mL),沸点98 ℃,燃点 204 ℃(变压器油为325 ℃),所以正庚烷最先燃烧。依据初期增长阶段的质量损失速率得出,正庚烷在初期增长过程中已经燃烧完全,对后续充分发展阶段、衰减熄灭阶段并无影响。
直径为40cm 的油池火在燃烧初期0s≤t<137s处于发展阶段 ,燃烧速率迅速增大 ,137s时燃烧速率为
15.4 g/(m2·s) ;137 s≤t<1 650 s 燃烧处于准稳态阶段,燃烧速率维持在16.30g/(m2·s) ,1 650s≤t<2627s进入沸腾燃烧阶段,此时燃烧速率为18.54g/(m2·s) ,直至t≥2627s时,燃烧进入衰减熄灭阶段,燃烧速率迅速衰减,2644s时燃烧停止。
D=50cm的油池火在74s内快速增长至准稳态燃烧阶段,燃烧速率为 15.6 g/(m2·s),1645s后受壁面传热影响,变压器油出现沸腾,燃烧速率增长至21.21g/(m2·s)。此后燃烧进入衰减阶段,341s后燃烧停止。
与40、50cm油池火相比,直径60cm的池火燃烧仅经过初期增长、准稳态和熄灭衰减三个阶段。分析认为,由于沸腾燃烧现象是池壁温度达到并超过燃料沸点发生的,随着油池直径增大,与来自火焰的热辐射相比,通过油池壁面的热传导作用逐渐降低。因此,D=60 cm 时未出现沸腾燃烧,但准稳态阶段的质量损失速率大于直径为40cm的准稳态阶段的质量损失速率,约为21.12g/(m在研究变压器油燃烧的全过程中,与前人集中于燃烧发展的某一阶段不同,本文给出了全过程的平均燃烧速率,同时选择准稳态阶段(准稳态阶段时间=充分发展阶段时间-沸腾燃烧阶段时间)作为参考,求得准稳态阶段的平均燃烧速率,如表2所示。
随着油盘直径增加,油池平均燃烧速率增加。油池直径从40cm 增加至60cm时,燃烧速率从约16.88g/(m2·s)增加至约20.13g/(m2·s)。油池火燃烧的平均燃烧速率大于准稳态阶段的燃烧速率,表明在充分发展阶段油池火的燃烧速率虽然由于失重作用在一定范围内上下浮动,但整体呈缓慢增长态势。直径为50cm的油池火沸腾燃烧阶段燃烧速率迅速增大,平均燃烧速率为19.76g/(m2·s)。因此,变压器油池火燃烧的质量损失速率随直径的增大而增大,符合Babrauskas等对油池火质量速率变化规律的认识。
2.3 油池火脉动特征
2.3.1 火焰形态
截取D=40cm,初温20℃工况下变压器油池火燃烧的部分图像,整理后得出火焰脉动特征图像,如图4所示。
对图 4 各阶段火焰形成进行分析,在火焰对油池的热反馈作用下,图 4(a)中液体燃料蒸发,可燃蒸气与空气混合,达到燃烧当量比后开始燃烧,温度升高。在热浮力作用下,可燃性混合气体向上运动,燃烧区域增大,如图4
(b)、(c)所示。由于可燃性混合气体向上运动,火焰与空气的交界面处形成负压区,大量新鲜空气卷吸进入火焰, 导致火焰颈缩,中心区气体向上快速运动,如图4(d)~(g)所示。在斜压以及热浮力诱导的共同作用下,可燃性混合气体颈缩结构形成。图4(h)~(j)阶段中,可燃性气体在向上运动过程中火焰逐渐被拉伸变长,甚至出现断裂。值得注意的是,火焰的脉动燃烧是一个往复的过程,一个周期未完成,下一个周期已经开始。
2.3.2 脉动频率
截取3个火焰图像序列,每个图像序列时长均为10s,结果取平均值,通过MATLAB程序对实际火焰处理后输出火焰脉动特征的时域信号图以及火焰周期变化频谱图,如图5、图6所示。
对D=40、50、60cm油池火焰脉动特征进行相同处理后,得出其平均脉动频率,如表3所示。
由表3可以看出,随着油池直径增大,火焰脉动频率从1.97Hz 逐渐衰减至1.83、1.57Hz。即准稳态燃烧阶段火焰脉动频率与油池直径呈负相关,油池直径越大,火焰的脉动频率越小。
3、结 论
本研究旨在探究变压器油池火的燃烧特性和燃烧形式。为此开展不同油池直径的变压器油池火实验,对火焰形态、燃烧速率、火焰脉动频率等进行分析 ,主要结论如下。
(1)变压器油池火的燃烧过程可以划分为:初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。其中充分发展阶段又可以根据燃烧速率的变化特征分为准稳态燃烧阶段和沸腾燃烧阶段。
(2)就同一油池燃烧过程,其平均燃烧速率大于准稳态阶段的燃烧速率,表明在充分发展阶段油池火的燃烧速率虽然由于失重作用在一定范围内上下浮动,但整体呈缓慢增长态势。
(3)随着油池直径的逐渐增大,准稳态阶段的油池燃烧质量损失速率增大。值得注意的是当油池直径为60cm时,沸腾燃烧阶段消失。