变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

0 引言
油浸式变压器是换流变电站的重要设备。近年来，变压器火灾事故常有发生，造成一定的人员伤亡和经济损失，严重影响电网正常运行[1,2]。变压器火灾发生后，变压器箱体内部变压器油溢出，会形成典型的油池火现象。变压器油是1种常用于冷却、灭弧和绝缘的介质[3],其是具有高闪点、多组分的液体可燃物[4]。研究变压器油燃烧特性对于控制变压器火灾具有重要的现实意义。
由于变压器大多布置在室外开放空间，环境风流是影响火灾发展的重要因素。现有变压器火灾相关研究多在无风环境下进行，研究结果不完全适用于真实变压器火灾场景[3,4]。在环境风影响下，池火燃烧过程受自然对流和强制对流耦合作用，与无风环境相比，燃烧特性更为复杂[5]。Welker等[6]开展环境风作用下甲醇、丙酮、正己烷和苯的池火实验研究，结果表明除甲醇外，池火燃烧速率随风速升高而呈现下降趋势。Woods等[7]开展甲醇池火实验，研究结果与文献[6]研究结果基本相同。邝辰[8]研究环境风对正庚烷池火燃烧速率的影响，发现不同直径油池火质量损失速率转折点存在差异。Tang等 [9]开展丙酮池火实验，表明燃烧速率随风速增长呈现“增加-减小-增加”的变化趋势。然而，液态燃料种类繁多，不同类别液态燃料的理化性质相差较大，现有相关研究对象多为低闪点、易挥发的甲醇等单质燃料和汽油等轻油，而变压器油等高闪点、多组分的液体可燃物与单质燃料和轻油相比，组成成分复杂，火灾发展规律存在差异。因此，环境风作用下高闪点液体可燃物的燃烧特性仍需进一步探讨。
因此，本文研究环境风对变压器油燃烧特性的影响，研究结果可丰富和完善变压器油燃烧基础数据，对室外环境下变压器火灾防控提供一定参考。
1 实验方法
本文实验装置系统示意如图1所示。使用直径为1mm的铠装热电偶采集火羽流温度、油温和壁面温度，温度测量范围为0～1100℃。油池内布置10根油温热电偶，距油池底部高度间隔为1cm, 其中，距油池底部1～5 cm处热电偶为油温热电偶，其余为池内火焰热电偶。贴壁热电偶分别布置在上风侧、中侧和下风侧外壁面，距油池底部3cm。采用高精度电子天平实时记录油品质量变化，天平量程为0～60kg, 精度为0.01g。利用摄像机采集火焰图像，帧率为30fps, 放置于油池火实验台正前方5m处。2组热流计分别布置在距离油池中心3倍直径(3D)和5倍直径(5D)处，垂直于环境风方向。
实验选用内径为20,30,40cm的钢制圆形油池，侧壁高10cm, 燃料为昆仑25号(KL25X)变压器油。实验开始前，启动风机并调节至实验风速，检查实验测量设备。待风速稳定后，向油池内注入变压器油，加入10mL正庚烷作为引燃剂。静置片刻后，使用电火花点火器引燃油池，开始实验并记录实验数据。实验工况如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 火焰结构
变压器油池火受浮力与环境风耦合作用，火焰结构发生改变[10]。图2所示为不同工况下典型火焰图像。由图2可知，变压器油池火火焰结构随风速改变发生变化，油池火焰前端在环境风速较大时均出现火焰断裂脱离现象，且小尺度油池更为明显；对于直径20 cm油池火，火焰倾斜角度与风速呈正相关，当风速达到3.5 m/s时，火焰在强风流干预下以破碎火焰向下风侧分散，且燃烧强度明显减弱；对于直径30cm油池火，随着环境风速的增大，火焰倾斜角度逐渐加剧，当风速达到3.5m/s时，出现火焰前端分离现象，但火焰强度有明显增强；对于直径40cm油池火，当风速达到2.0m/s时，火焰强度在环境风作用下出现减弱趋势，随后火焰强度明显增强，整个燃烧过程，火焰形态较为完整，未出现火焰破碎和明显的火焰分离现象。
2.2 质量损失速率
质量损失速率是表征油池火燃烧速率的重要参数。图3所示为直径20,30,40cm油池火质量损失速率与环境风速之间的关系。图3表明，在环境风作用下，池火质量损失速率出现3类转折点(A,B,C类):当环境风速相对较小时，风流会增加氧气供应，在转折点A之前质量损失速率增加，随着环境风速增大，火焰偏移量增大，火焰向油池辐射的热量减少，对流热反馈逐渐占据主要地位，另外，王明武等[11]和Hu等[12]的研究表明质量损失速率会因辐射热反馈削弱而减小；转折点B之后，油池火主控因素变为热对流，在一定风速范围内，对流换热系数随环境风速增大而增大，热对流增强，在转折点B与转折点C之间池火质量损失速率持续增加；然而，当环境风速增大至超过某临界风速时(转折点C),出现火焰前端脱离现象，火焰脱离长度随环境风速的增加而增大，削弱了火焰对变压器油的加热作用，燃烧速率下降。
图4所示为各类转折点无量纲模型的预测值与实验值对比情况，图4中曲线斜率即为不同情况下的弗劳德数。表2所示为不同直径变压器油池火在上述3类转折点处对应的弗劳德数。由图4可知，转折点A和B对应的临界风速与浮力诱导速度具有相关性，说明油池火浮力与环境风动量存在竞争机制。不同直径油池火燃烧速率同类转折点对应的弗劳德数大致相等。由于实验风速的限制，直径30,40cm油池火并未出现转折点C,预测其转折点C的风速分别约为3.7,4.2m/s。
2.3 燃料温度
变压器油池火燃料温度与池火传热过程相关[13]。油池热量来源为燃料吸收辐射的热量、对流的热量和侧壁向燃料的传导热量[14]。图5所示为直径40cm油池火燃油温度随时间的变化(风速0)。由图5可知，以距油池底部5 cm处油温为例，在燃烧初期，热电偶浸没在燃料内，油池引燃后温度迅速响应，温度从30℃上升至330 ℃,达到变压器油沸点，燃油温度在一段时间内保持稳定，约228s后油温再次上升，最后稳定在约400℃,这表明在右面上方形成燃料蒸汽区。2100s后，温度迅速上升至约800℃,此时燃料已经耗尽，热电偶处于火焰区域。随着燃烧的进行，燃料高度逐渐下降，距油池底部高度1～4cm处温度均先后呈现出5cm处温度的变化趋势，依次经历温度梯度层、沸腾层和蒸汽层，液态燃料燃尽时，热电偶进入火焰区域，最后火焰熄灭。
图6所示为直径30cm油池火在不同环境风速下温度变化曲线。在油池燃烧过程中，燃料接收到的热量除用于燃料表面的液面蒸发外，一部分热量通过对流传热效应向油池深处传递，使油温出现分层现象，呈现出自燃料表面向下依次降低的趋势。油池内燃料层根据温度自上而下分为沸腾层和温度梯度层。沸腾层位于油层表面，其温度为变压器油的沸点，约330℃。根据图6距油池底部4cm处热电偶温度数值计算沸腾层厚度。取实验点火后约900 s的实验数据进行分析，统计不同环境风速下各油池直径的沸腾层厚度计算结果，如表3所示。由表3可知，对于相同直径的变压器油池火，在环境风作用下，不同直径油池火沸腾层厚度均有增，即沸腾层厚度与环境风速相关性较为显著；在油池直径为20,30,40cm时，风速3.5m/s时沸腾层厚度相比于无风(风速0)时的增长率分别约为4.8%,7.1%,9.1%。这是由于沸腾层厚度主要和燃料接收到外界的热量有关，随着风速的变化，燃烧速率增大，燃料从外界吸收的热量增加，进而促进沸腾层厚度增大。同时，表3数据还表明，直径20,30,40cm池火沸腾层的平均厚度分别约为2.58,2.53,2.47mm, 这说明沸腾层厚度与油池直径无明显相关性，这是由环境风和油池尺度共同作用引起的。文献表明沸腾层厚度变化会受壁面传热量的影响，但该影响会随油池尺度的增加而减弱。本文实验所使用的油池尺度相对较大，并且环境风会对壁面产生冷却作用，油池直径越小，冷却效果越强，在二者耦合作用下，沸腾层厚度与油池直径相关性不显著。
3 结论
1)变压器油池火火焰结构随风速改变发生变化。当环境风速较大时，火焰会出现断裂脱离现象。
2)在环境风作用下，油池火具有3类较为明显的转折点，并且临界风速与浮力诱导速度之间存在线性关系。
3)变压器油池火燃料层自上而下分为沸腾层和温度梯度层，沸腾层温度约为330℃。沸腾层厚度与环境风速相关性显著，与油池直径相关性不显著。