董杰
国网青海省电力公司检修公司 青海省西宁市 810000
国家电网有限公司科技项目资助(智能绝缘油色谱仪开发，522821180015)
摘要：换流变压器是特高压输电工程的核心设备之一。其中用于冷却、绝缘和消弧的绝缘油是一种常温下很难点燃的高闪点液体，典型的换流变压器储油量可达130～200t。然而，近年来，世界范围内发生了几起严重的变压器火灾事故。例如，2019年11月22日，山东省济南市特高压直流变电所发生火灾，事故造成1人死亡，2人受伤;2013年8月1日，圣地亚哥天然气和电力发电厂一台变压器起火，230kV变压器内约有5.6万L的可燃矿物油，很快被大火吞噬;2015年5月24日，印度Ｒaichur热电站发生火灾事故，一台220kV发电机变压器被毁，导致3号机组停运。这些事故具有火灾发展迅速、火灾规模大、灭火难度大的特点，说明在一定的故障条件下，绝缘油仍能被点燃并放出大量热量。因此，为了了解换流变压器绝缘油的火灾特性参数，预测和控制变压器油火灾事故，需要对典型特高压换流油的火灾特性参数进行研究。
关键词：换流变压器；防火能力；燃烧试验
引言
针对换流变压器的火灾风险和火灾发展特点，分析了换流变绝缘材料的阻燃等级，收集换流变绝缘材料开展了燃烧试验研究，提出了换流变防火能力提升的技术措施。
1概述
换流变压器是直流输电系统中的核心设备，与换流阀一起作为交流和直流系统的连接枢纽，在整个整流和逆变侧实现直流和交流的转换。换流变压器作为特殊的油浸式变压器，其变压器油为易燃易爆介质，当遇到明火、点火源可能会燃烧、爆炸。近期，某±800kV换流站换流变压器由于网侧套管故障起火，火灾从网侧套管蔓延至换流变本体，换流变本体火灾导致阀侧套管防火封堵失效，火灾蔓延至阀厅，导致整个阀厅坍塌，造成同一阀厅内6台换流变、换流阀等设备起火；火灾造成较大的直接经济损失，同时导致直流输电系统长时间停运，给经济和社会造成了一定的影响。
换流变存在较大的火灾风险，换流变火灾会造成直流系统停运，直接导致极大的经济损失。换流变压器防火能力提升技术措施研究对于防范换流变火灾、提升直流输电工程的可靠性有着重要意义，对电力行业的发展具有深远的影响。
本文中笔者针对换流变压器的火灾风险和火灾发展特点，分析了换流变绝缘材料的阻燃等级、绝缘油的闪点、换流变的套管、分接开关以及油箱机械强度等换流变防火能力的影响因素；梳理了国内外换流变绝缘材料燃烧试验及阻燃等级相关标准的研究现状；收集了换流变绝缘材料（绝缘纸板、皱纹纸、层压纸板、成型绝缘件、环氧树脂、硅橡胶、玻璃钢等）开展燃烧试验研究，评估了换流变绝缘材料的阻燃等级，分析了换流变用绝缘油的闪点特性；根据研究成果提出了换流变防火能力提升的技术措施。
2换流变防火能力的影响因素
大电流电气故障会产生高能量电弧，该电弧会加速金属和绝缘材料融合。大多数的气体膨胀和高气压均由于热量的瞬间释放导致，同时可能导致换流变爆燃。燃烧发热会引起固体材料的完全或部分氧化。当电弧产生的氢气、碳氢气体与氧气接触时，就会产生自燃。换流变套管瓷套炸裂就是一种典型的自燃过程。
一般在换流变内部产生高温的原因有两种：内部电弧（闪络）或外部电弧（闪络）。换流变内部故障引起的火灾可分为5个阶段：
（1）当绝缘材料（绝缘油或固体）的电场强度超过其击穿场强时，导致绝缘发生击穿和产生高能电弧放电；
（2）电弧与绝缘油之间的热量快速传递导致电弧附近油的温度快速升高，电弧能量加热并汽化周围的油，将这些蒸汽裂解成小分子和可燃气体，将气体裂解成等离子体；
（3）电弧周围气泡内的压力迅速增加；
（4）气体和周围液体之间的压力差产生压力波，从电弧位置传播至整个变压器油箱。油箱壁可以承受这些压力的时间很短，如果超过静压极限，油箱将破裂。
油箱破裂的原因，不是油箱在很短时间内承受很高的压力，而是当焊接和螺栓连接受到的压力超过弹性应力范围，油箱壁和附件的变形导致油箱破裂；
（5）如果换流变油箱、套管在有电弧的情况下发生破裂，那么高温的绝缘油遇到氧气后很有可能导致起火。
3燃烧速率
3.1整体燃烧特征
由直径为500mm、厚度为20mm的燃料厚度试验得出一个典型的质量损失速率和质量随时间的变化趋势，观察到3个有代表性的燃烧阶段:
(Ⅰ)初始增长阶段、(Ⅱ)准稳态燃烧阶段和(Ⅲ)衰减到熄火阶段。从0到第(Ⅰ)阶段结束，质量损失速率先上升到0.0227kg/(m2·s);然后在第(Ⅱ)阶段期间，MLＲ在0.0250kg/(m2·s)左右波动，持续时间约620s;之后，MLＲ急剧下降直到第(Ⅲ)阶段结束。
3.2燃料厚度的影响
Vali等进行了一系列试验，研究了不同厚度甲醇油池内的流体运动和能量传递机制，油池单位面积的燃料质量损失速率随油池深度的增加而增加。Chen等研究了直径为0.2m的正庚烷环形油池火的燃烧特性，结果表明，由于整体沸腾，当燃料厚度增加时，燃料质量损失速率显著增加。Sun等提出，生物柴油池火的燃烧速率随燃料厚度和油池大小的增加而增大。因此，研究了变压器油燃烧速率对初始厚度的敏感性。
3.3初始温度的影响
燃料点燃后，火焰从油池边缘向中心传播，一段时间后达到稳定。2个典型试验在不同初始燃料温度下的质量损失速率。2种燃料的峰值燃烧速率均随初始温度的升高而增大，正庚烷在290K时达到约0.025kg/(m2·s)，在365K时达到约0.055kg/(m2·s)，KI50X绝缘油在25℃时达到约0.0075kg/(m2·s)，在90℃时达到约0.0095kg/(m2·s)。然而，与Chen等对正庚烷的研究不同，本文变压器油在初始温度较高时燃烧阶段较多，而正庚烷燃烧阶段较少。这种现象可能是由于KI50X绝缘油的高沸点造成的，当初始温度为90℃时，燃料在1000s整体沸腾，与25℃的初始温度燃料相比，传热更加剧烈。
4换流变绝缘材料燃烧试验和阻燃等级
4.1换流变绝缘材料燃烧试验方法研究
IEC60707《Flammabilityofsolidnon-metallicmaterialswhenexposedtoflamesources-Listoftestmethods》，对应的国内标准为GB/T11020-2005《固体非金属材料暴露在火焰源时的燃烧性试验方法清单》，标准所列试验方法适用于固体非金属材料，并用来初步表征这些材料暴露在火焰引燃源时的特性。
4.2换流变绝缘材料燃烧试验结果
换流变主要由铁心、绕组、器身、引线、出线装置、油箱、有载分接开关以及其他附件组成。本文中选取换流变的绝缘纸板、成型绝缘件、皱纹纸、硅橡胶、环氧树脂和玻璃钢等绝缘材料，开展换流变绝缘材料燃烧试验，评估换流变绝缘材料的燃烧特性和阻燃等级。
结语
通过对变电所大型油变防火设施的研究与设计之后，所采取的技术措施可整体提高室外油浸变压器的防火能力，并能有效阻止变压器着火和火灾事故蔓延，但是还存在细节设计的不足，需后期进一步研究探讨。
参考文献
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