一种变压器火灾模拟装置及其点火燃烧方法与流程

1.本发明属于电力变压器消防研究领域，更具体地，涉及一种变压器火灾模拟装置及其点火燃烧方法。


背景技术：

2.电力系统的电力变压器除一些小型变压器采用固体绝缘外，其它大容量、高电压的电力变压器均采用油纸绝缘方式。其中，变压器油在变压器可燃材料的总质量中占比最大，起到散热和绝缘作用。变压器油的闪点较高(一般大于135℃)、密度较大(相对密度高达0.895)，比热容约为0.5(cal/g
·
℃)，在常温条件下，变压器油并不易燃，但在处于工作状态的变压器油温度一般在75℃上，最高的允许工作温度甚至高达95℃，此时变压器油比常温状态下更容易被点燃。此外变压器所用的绝缘材料包含大量纸、木、布材料。这类绝缘物大部分属于a级绝缘物，它的最高运行温度是105℃，其性能及质量直接影响变压器运行的可靠性和变压器使用寿命。研究表明，内部故障是引起变压器火灾的的主要原因，初期的设备内部故障引发的电弧或高温将绝缘材料(主要是绝缘油)的高温气化并产生易燃的可燃物，强大的能量产生剧烈的内部反应，短期的剧烈反应引起变压器压力释放阀喷油，甚至造成变压器箱体开裂，分解物以及高温绝缘油喷溅而出与空气结合形成火灾。以外，火灾产生co、hcl、hcn、cl2、co2等有毒有害气体进一步扩大火灾危害。
3.对于变压器诱发火灾的主要部位，国内外相关专家也做了大量研究，例如martin等学者对澳大利亚电力系统变压器火灾故障事故进行了统计，发现套管和分接开关故障是引发变压器火灾的主要原因，其中套管故障原因占比41％，分接开关故障原因占比15％。根据国际电气和电子工程师协会ieee提供的加拿大魁北克电力公司25年来的变压器火灾情况，引发变压器火灾的原因也有类似的规律。
4.变压器发生火灾时及时加以扑灭是有效减小设备及人员损失的有效手段。传统的变压器消防灭火技术主要分为四类，固定式水喷淋(雾)灭火系统、细水雾灭火系统、排油注氮灭火系统以及泡沫灭火系统。围绕其灭火效果及适用范围，相关学者虽然开展了大量基于仿真和真型模拟试验，但由于模拟设备大多采用小型装置，与工程实际中的变压器无论从质量或是体积上都存在较大差异，无法模拟实际火灾时的基本形态。但如果使用真实电力变压器，又存在价格昂贵，重量重，施工难度大，试验后对变压器造成不可逆转的损耗，致使造成每次试验成本巨大，不利于变压器燃烧试验的重复和连续开展的问题。此外不同研究人员对模拟起火点的选择又往往根据自己的经验设定，不同研究对象的研究内容往往没有对比性。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种变压器火灾模拟装置及其点火燃烧方法。
6.本发明采用如下的技术方案：
7.一种变压器火灾模拟装置，包括：变压器本体7、出线套管1、油枕2、远程手控阀门3、氮气排气管阀8、压力释放装置9、变压器模拟散热器12、操作人孔16；变压器火灾模拟装置还包括：
8.电流端子13、电压端子14、鸭嘴型喷嘴15、电喷溅管4、顶部燃烧油池5、模拟分接开关燃烧油池6、高压套管模拟燃烧油池10、中压套管模拟燃烧油池11、第一温度探头17、第二温度探头18、第三温度探头19以及第四温度探头20；
9.出线套管1、油枕2、顶部燃烧油池5、压力释放装置9、操作人孔16设置在所述变压器本体7的顶部；
10.变压器本体7左右两侧一侧连接外置注氮装置，另外一侧连接变压器模拟散热器12；
11.变压器本体7内含有模拟油池。
12.出线套管1包括：高压侧出线套管、中压侧出线套管和低压侧出线套管，在这三侧出线套管上分别设置有升高座和试验套；
13.高压侧出线套管升高座的上端设置有高压套管火灾模拟燃烧油池10，中压侧出线套管升高座的上端设置有中压套管火灾模拟燃烧油池11。
14.高压套管火灾模拟燃烧油池10与中压套管火灾模拟燃烧油池11的宽度为其对应出线套管外沿至升高座外沿的长度。
15.喷溅管4从油枕2的下部伸出，其上端设置有远程手控阀门3，其下端设置有鸭嘴喷头15。
16.模拟分接开关模拟燃烧油池(6)设置在变压器本体(7)的分接开关处，长、宽、高的取值范围分别为[0.6m,0.8m]、[0.6m,0.8m]、0.15m。
[0017]
压力释放装置9直径的取值范围为[20cm,30cm]。
[0018]
变压器本体7内部采用模拟油池结构，变压器本体长边外侧表面设置有电流端子13，与内部模拟绕组连通，通过外接换流装置实现对电流大小的控制。
[0019]
变压器本体7长边外侧表面设计有电压端子14，与变压器本体7内部模拟油池中的放电间隙相连通。
[0020]
第一温度探头17、第二温度探头18、第三温度探头19以及第四温度探头20分别设置在变压器本体7外侧的前、后、左、右四面上。
[0021]
外置注氮装置通过管道连接与变压器本体7；其中，注氮装置包括控制系统和注氮系统；
[0022]
控制系统采用继电器控制，接收信号为dc220v信号，输出通信信号接点可承受dc220v电压的非电量接点，与上位机通讯通过非电量接点传递；当变压器本体7发生火灾或爆炸危险时，开启注氮系统的氮气排气管阀8，氮气通过注氮系统的注氮管路从变压器下部充入变压器，冷却变压器内部油温，同时隔离空气。
[0023]
本发明还公开了基于变压器火灾模拟装置的点火燃烧方法，点火燃烧方法包括以下内容：
[0024]
点火燃烧方法包括内部燃烧与外部燃烧方法；
[0025]
内部燃烧方法为：变压器本体7内部采用电打火方式，及通过电压端子14外接加压装置，通过击穿电弧引燃可燃物实现内部燃烧模式，可燃物包括汽油以及汽油浸泡物；
[0026]
外部燃烧方法为：在任意燃烧油池中注入标准变压器绝缘油，并且可在在距离高压套管模拟燃烧油池10以及中压套管模拟燃烧油池11表面200mm
‑
300mm的高度悬挂40l
‑
70l的汽油袋，在模拟分接开关燃烧油池6以及顶部燃烧油池5表面200mm
‑
300mm的高度悬挂100l
‑
200l的汽油油袋；
[0027]
点火时，采用远程电子点火和人工点火棒点火相结合的方式；
[0028]
其中，远程电子点火装置采用220v交流电，经放电管、耐高温电缆、通过点火棒并利用冲击电流点燃汽油油袋上的引线；人工点火棒点火采用碳纤维材质的点火棒，用气罐通气产生火花形式进行点火，通过打开油枕与喷溅管4的远程手控阀门3，将油枕2中的油通过鸭嘴喷头15注满变压器上部燃烧油池，形成变压器上部的流淌火。
[0029]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0030]
1、本发明提出的新型变压器火灾模拟装置提供的内部结构与外部构造可以有效促进真正大型变压器的火灾形态一致的火灾形态的模拟；
[0031]
2、本发明中变压器火灾模拟装置的构造能够有效防止因内火灾模拟装置内部故障引起的变压器火灾，杜绝了因初期的设备内部故障引发的电弧或高温将绝缘材料气化并产生易燃的可燃物的事故；
[0032]
3、本发明规范了点火燃烧方式，能够模拟大型电力变压器火灾时的基础形态，并为测试和评估不同消防系统提供基础测试平台。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例中一种变压器火灾模拟装置的前视图；
[0034]
图2为本发明实施例中一种变压器火灾模拟装置的俯视图；
[0035]
上述附图中的附图标记如下：
[0036]1‑‑
出线套管；
[0037]2‑‑
油枕；
[0038]3‑‑
远程手控阀门；
[0039]4‑‑
喷溅管；
[0040]5‑‑
顶部燃烧油池；
[0041]6‑‑
模拟分接开关燃烧油池；
[0042]7‑‑
变压器本体；
[0043]8‑‑
氮气排气管阀；
[0044]9‑‑
压力释放装置；
[0045]
10
‑‑
高压套管模拟燃烧油池；
[0046]
11
‑‑
中压套管模拟燃烧油池；
[0047]
12
‑‑
变压器模拟散热器；
[0048]
13
‑‑
电流端子；
[0049]
14
‑‑
电压端子；
[0050]
15
‑‑
鸭嘴型喷嘴；
[0051]
16
‑‑
操作人孔；
[0052]
17
‑‑
第一温度探头；
[0053]
18
‑‑
第二温度探头；
[0054]
19
‑‑
第三温度探头；
[0055]
20
‑‑
第四温度探头。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0057]
如图1与图2所示为本发明一种变压器火灾模拟装置的前视图与俯视图，具体包括：变压器本体7、出线套管1、油枕2、远程手控阀门3、喷溅管4、顶部燃烧油池5、模拟分接开关燃烧油池6、氮气排气管阀8、压力释放装置9、高压套管模拟燃烧油池10、中压套管模拟燃烧油池11、变压器模拟散热器12、电流端子13、电压端子14、鸭嘴型喷嘴15、操作人孔16、第一温度探头17、第二温度探头18、第三温度探头19以及第四温度探头20；
[0058]
出线套管1、油枕2、顶部燃烧油池5、压力释放装置9、操作人孔16设置在变压器本体7顶部；
[0059]
变压器本体7左右两侧一侧连接外置注氮装置，另外一侧连接变压器模拟散热器12；
[0060]
变压器本体7内部含有模拟油池；
[0061]
具体的，出线套管1分别沿着变压器本体7顶部的两组长边排列设置，中间由油枕2相隔。出线套管1包括高压侧出线套管，中压侧出线套管，低压侧出线套管，在这三侧出线套管上分别设置有升高座和试验套管。优选的，高压侧出线套管的数量为4，中压侧出线套管的数量为4，低压侧出线套管的数量为3。高压范围为[110kv,220kv]，中压范围为[35kv,110kv)，低压范围为[10kv,35kv)，在本发明中，高压使用220kv，中压使用35kv，低压使用10kv。
[0062]
优选的，该变压器火灾模拟装置采用模拟220kv三相三绕组ynyn0d11型电力变压器外观尺寸，变压器主体7的长度取值范围为[9m,11m]，宽度的取值范围为[3m,4m]，高度的取值范围为[3m,4m]，变压器本体7顶部有储油柜。
[0063]
在高压侧出线套管升高座的上端设置有高压套管火灾模拟燃烧油池10，中压侧出线套管升高座的上端设置有中压套管火灾模拟燃烧油池11，两个燃烧池的宽度分别为其对应出线套管外沿至升高座外沿的长度，用于模拟由于套管故障引发的套管处火灾；喷溅管4从油枕2的下部伸出，其上端设置有远程手控阀门3，其下端设置有鸭嘴喷头15；
[0064]
模拟分接开关模拟燃烧油池6设置在变压器本体7的分接开关处，长、宽、高的取值范围分别为[0.6m,0.8m]、[0.6m,0.8m]、0.15m，用于模拟由于分接开关故障引发的分接开关处火灾；
[0065]
在变压器本体7的上部设置有顶部燃烧油池5，顶部燃烧油池5的长、宽、高取值范围分别为[0.5m,0.7m]、[0.4m,0.6m]以及0.15m，用以模拟因变压器油枕连管漏油形成的喷溅火乃至试验对变压器的包围火；
[0066]
变压器本体7顶部配置有压力释放装置9，其直径的取值范围为[20cm,30cm]，用于实现变压器内部与外部的直接导通，避免内部燃烧试验中因内部出现剧烈燃烧而引发的模拟装置发生爆炸的危险。该变压器本体7内部采用模拟油池结构，用于模拟变压器油浸式线
圈系统，同时在变压器本体7表面设置有电流端子13，与内部模拟绕组连通，通过外接换流装置实现对电流大小的控制。通过该电流回路，即可用于预热变压器中模拟油池中的绝缘油，模拟变压器实际运行时的设备状态，可以用来分析由于高温对变压器主要绝缘材料劣化程度的影响；
[0067]
同时变压器本体7表面设置有电压端子14，与变压器本体7内部模拟油池中的放电间隙相连通，通过外部施加不同电压，模拟因电压导致的绝缘介质击穿引起火灾的情况。
[0068]
变压器本体7顶部配备有操作人孔16，其长度的取值区间为
[0069]
[0.5m,0.7m]，宽度为0.5m，用于试验人员根据试验需要预制和更换试验绕组单元和电流和电压至火备件，以及实现内部模拟油池的注油和预制燃烧介质等内部操作。
[0070]
变压器本体7的前、后、左、右四面外侧分别配置有第一温度探头17、第二温度探头18、第三温度探头19以及第四温度探头20，用于监测变压器本体7内部模拟油池内的绝缘油温度状况。为模拟排油注氮装置的灭火性能，本发明的变压器火灾模拟装置配置有一套注氮装置，通过管道连接与变压器本体7。其中，注氮装置主要包括控制系统和注氮系统两部分构成。控制系统采用继电器控制，接收信号为dc220v信号，输出通信信号接点可承受dc220v电压的非电量接点，与上位机通讯通过非电量接点传递。当变压器发生火灾或爆炸危险时，开启注氮系统的氮气排气管阀8，氮气通过注氮系统的注氮管路从变压器下部充入变压器，冷却变压器内部油温，同时隔离空气。
[0071]
变压器本体7的左右两侧，一侧连接外置注氮装置，另外一侧连接变压器模拟散热器12；
[0072]
本发明还公开了本发明变压器火灾模拟装置点火燃烧方法，包括内部燃烧与外部燃烧方法；
[0073]
内部燃烧方法为：变压器本体7内部采用电打火方式，及通过电压端子14外接加压装置，通过击穿电弧引燃可燃物实现内部燃烧模式。可燃物包括汽油以及汽油浸泡物。
[0074]
外部燃烧方法为：试验时，在任意燃烧油池中注入标准变压器绝缘油，并且可在在距离高压套管模拟燃烧油池10以及中压套管模拟燃烧油池11表面200mm
‑
300mm的高度悬挂40l
‑
70l的汽油袋，在模拟分接开关燃烧油池6以及顶部燃烧油池5表面200mm
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300mm的高度悬挂100l
‑
200l的汽油油袋。点火时，采用远程电子点火和人工点火棒点火相结合的方式。其中远程电子点火装置采用220v交流电，经放电管、耐高温电缆、通过点火棒并利用冲击电流点燃汽油油包上的引线，通过引燃汽油达到助燃绝缘油的作用。人工点火棒点火采用碳纤维材质的点火棒，用气罐通气产生火花形式进行点火，操作人员需着安全防护装备和佩戴便携式可燃气体探测器进行操作。通过以上方式可以初步实现套管火、分接套管火以及变压器顶部火灾。流淌火则在变压器顶部油池燃烧的状态下，通过打开油枕与喷溅管4的远程手控阀门3，将油枕2中的油通过鸭嘴喷头15注满变压器上部燃烧油池，形成变压器上部的流淌火。
[0075]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。