电力系统中真型220 kV变压器火灾危险性评估.pdf
《电力系统中真型220 kV变压器火灾危险性评估.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电力系统中真型220 kV变压器火灾危险性评估.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:李国春,谢连科,刘国强,等.电力系统中真型220 k V变压器火灾危险性评估J.安全与环境工程,2023,30(3):51-60.Li G C,Xie L K,Liu G Q,et a l.Fire h a za rd a s s es s ment o f t rue 220 k V t ra ns f o rmers in po wer s ys t emJ.Safety and Environmental
2、 Engineering,2023,30(3):51-60.电力系统中真型220 k V变压器火灾危险性评估李国春1,谢连科1,刘国强1,张 欷,李博,王春晖3(1.国网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南250001;2,中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉430074;3.国网山东省电力公司营销服务中心(计量中心),山东 济南250001)摘要:为确定大型充油设备的火灾危险性,通过全尺度真型220 kV变压器火灾试验,阐释了变压器火灾发展过 程及其关键特征参数的变化规律,并基于FDS1:1变压器全尺度真型火灾数值模型,将FDS数值模拟结果与全尺 度真型火灾试验结果进行对比,验证了全尺
3、度真型变压器火灾三维数值模拟结果的可靠性。进一步基于FDS模 拟,研究了变压器火灾在最不利工况下的火灾危险性,即全集油坑呈现火焰全覆盖的情况,揭示了温度、流场、热辐 射强度等关键特征参数的演化规律,该研究成果可为电力系统中大型充油设备火灾处置提供数据支撑。关键词:电力系统;变压器;火灾危险性评估;FDS模拟;火灾特性 中图分类号:X932 文章编号:1671-1556(2023)03-0051-10 收稿日期:2022-05-05DOI:10.13578/j.c nk i.is s n.1671-1556.20220578 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Fire Hazard Ass
4、essment o f True 220 k V Transfo rmers in Po wer SystemLI Guo c h un1,XIE Lia nk e1,LIU Guo qia ng1,ZHANG Ya n LI Bo2*,WANG Ch unh ui3(1.State Grid Sh and o ng Elec tric Po wer Researc h Institute,Jinan 250001,Ch ina;2.Fac ulty o f Eng ine e ring,Ch ina University o f Geo sc ienc e(Wuh an,Wuh an 430
5、074,Ch ina Marketing Servic e Center Metro lo g y Center)State Grid Sh and o ng Elec tric Po wer Co mpany,Jinan 250001,Ch ina)Abst r ac t:In o rder t o det ermine t h e f ire h a za rd o f f ull-s c a le t rue 220 k V t ra ns f o rmers,t h is pa per mus t ra t es t h e dev elo pment pro c es s o f t
6、 ra ns f o rmer f ire a nd t h e v a ria t io n la w o f t h e k ey c h a ra c t e ris t ic pa ra met ers a re expla ined t h ro ugh t ra ns f o rmer f ire t e s t s,a nd ba s ed o n t h e FDS 1:1 t ra ns f o rmer f ull-s c a le f ire numeric a l mo del,t h e 3D numeric a l s imula t io n res ult s
7、o f f ull-s c a le t ra ns f o rmer f ire a re v erif ied by c o mpa ring t h e FDS numeric a l s imula t io n res ult s wit h t h e f ull-s c a le f ire t es t res ult s.Furt h e r,ba s ed o n FDS s imula t io n,t h e f ire h a za rd o f t ra ns f o rmer f ire under t h e mo s t unf a v o ra ble wo
8、 rk ing c o ndit io ns is s t udie dj.e.,t h e wh o le o il c o llec t io n pit is c o v ered by f ull f la me c o v era ge,a nd t h e ev o lut io n la w o f k ey c h a ra c t eris t ic pa ra met ers s uc h a s ga s t e mpe ra t ure,f lo w f ield,a nd t h erma l ra dia t io n int ens it y a re rev e
9、a led Th e res ea rc h res ult c a n pro v ide numeric a l da t a s uppo rt f o r f ire dis po s a l o f la rge o ilf illed equipment in po wer s ys t em.Key wo r ds:po wer s ys t e m;t ra ns f o rme r;f ire h a za rd a s s es s ment;FDS s imula t io n;f ire c h a ra c t e ris t ic s面向“十四五”,国网公司新业务新
10、业态发展迅 猛,电网规模的迅速扩大、变电站数字化水平的提高 和无人值守的普及,使变电站设备运行的可靠性面 临更加严峻的考验。变压器作为变电站内的核心设备,其安全稳定运行至关重要,其内部充有几十甚至 上百吨的绝缘油E 旦发生火灾事故不仅会造成 变压器设备损坏,而且还可能会由于燃料喷溅引发 临近变压器设备的损坏,严重时甚至会威胁区域 基金项目:国网山东省电力公司自主研发项目(2021A-077)作者简介:李国春(1993-),男,博士,工程师,主要从事电力消防、新能源安全、清洁高效灭火抑爆方面的研究。E-ma il:leeguo c 163.c o m 通讯作者:李 博(1993-),男,博士,副
11、教授,主要从事火灾动力学、多火源燃烧特性方面的研究。E-ma il:libo 93c ug.edu.c n52金易猱咙衣彼 http:/第30卷乃至跨区域电网安全稳定运行。因此,变压器安全 运行是电力系统稳定传输的基本保障。在变压器火灾事故研究方面,姜鹏建1X1针对变 压器火灾事故的特点进行了梳理分析,并提出油浸 式变压器周围有火源发生时,变压器在外部火源的 影响下会形成火灾;汪亚龙等通过对油浸式变压 器火灾的事故模式和燃烧形式进行划分,提出油池 火是变压器火灾充分发展阶段的燃烧形式,暴露的 燃烧油池表面积直接影响油池火的热释放速率等参 数;郭玉勇等旳通过小尺度变压器油池火灾燃烧特 性的试验研
12、究,发现稳定燃烧阶段在变压器油池火 灾燃烧过程中持续时间最长;陈光等在35 k V变 压器上开展了全尺度真型变压器火灾试验,并结合 数值模拟技术探讨了火源功率对火灾燃烧特性的影 响;戴晨蓉等在此基础上继续开展相关研究,将变 压器火灾发展过程分为火灾初期阶段、火灾增长阶 段、充分发展阶段和衰减熄灭阶段,并且得到了 35 k V变压器火灾的温度分布特征;张佳庆等利用 FDS数值模拟技术对电压等级更高的大型充油设 备开展了相关研究,得到了典型特高压换流站变压 器火灾的演变过程,但该模拟结果未经过试验验证。小尺度的变压器油池火灾燃烧特性的研究能够 在一定程度上反映变压器的火灾燃烧特征及灭火现 象,然而
13、油池火的温度及热辐射强度随着油盘面积 的增加而增大,因此大型充油设备火灾无法通过 小尺度试验模拟确定。本文针对室外大型变压器的火灾危险性,利用 真型220 k V变压器开展全尺度变压器火灾试验研 究,并结合FDS数值模拟技术,探究了变压器火灾 稳定燃烧阶段最不利工况下的火灾危险性。1真型220 kV变压器火灾试验平台1.1试验平台介绍真型220 k V变压器火灾试验平台主体由220 k V变压器主体、储油池和防火墙等组成。如图1 所示,真型220 k V变压器的尺寸为9.3 mX 3.8mX3.6 m(长X宽X高),其中宽度不含散热器 尺寸,其外观尺寸要大于当前国家电网系统中使用 的单相500
14、 k V变压器尺寸。220 k V变压器安装在有储油池的鹅卵石平铺 的地面上,变压器内油量为53.5 t,用三面防火墙与 其他仪器设备隔开;在变压器所在位置,集油坑(地 下油坑)外轮廓尺寸为17.4mX7.4m(长X宽,油 坑内铺设600 mm厚洁净鹅卵石。图1试验用真型220 k V变压器Fig.1 True 220 k V t ra ns f o rmer f o r experiment1.2火源布置依据变压器火灾的调査结果,设置真型220 k V 变压器火灾试验中火源布置如图2所示。在主变压 器两侧各设置两个钢制油槽,尺寸分别为&1 mX 0.6 mXO.5 m(长X宽X高)、5.0
15、mXO.3 mXO.3图2真型220 k V变压器火灾试验中火源布置Fig.2 Fire s o urc e a rra ngement in f ire t es t o f t rue220 k V t ra ns f o rmerm(长X宽X高),间距为20 c m;在主变压器前方设 置一个钢制油槽,尺寸为5.0 mXO.3 mX0.3 m(长X宽X高),各个油槽距离顶部水平面的液位高 度均为10 c m,模拟变压器油的流淌火和集油坑大 面积油槽火。为了形成立体包裹火,在变压器本体 两侧1/2高度约1.8 m处均设置尺寸为0.6 mX 0.45 mXO.15 m(长X宽X高)的油盘模拟变
16、压器 中位火;为了模拟变压器流淌火和喷溅火,对变压器 油枕进行改造,利用管道导流模拟变压器流淌火、喷 溅火,流率为20 L/min;为了模拟爆炸发生后的套 管破裂后的孔口火,在高压侧套管位置设置尺寸为 0.92 mX0.75 mXO.15 m(长X宽X高)的油盘。第3期李国春等:电力系统中真型220 k V变压器火灾危险性评估531.3数据采集系统利用K型铠装热电偶(直径1 mm,量程为0 1 000 C)采集真型220 k V变压器火灾的火焰温 度,热电偶本身铠装长度为15 m,补偿导线长度为 10 为满足试验中远距离测试的要求,在热电偶 后方再连接20 m补偿导线。试验中共布置14支热 电
17、偶,如图3所示。其中,15号热电偶布置在变 压器左侧油槽上方不同高度处,6、7号热电偶分别 布置在变压器左侧本体外壁面,8号热电偶位于变 压器左侧中位火上方20 c m处,9号热电偶位于变 压器左侧油槽内部,10号热电偶位于变压器高温套 管处,11号热电偶位于变压器本体前侧油槽上方,12.13号热电偶位于变压器左侧防火墙中轴线处,14号热电偶位于变压器本体内部。利用Huk s e f lux辐射热流计采集真型220 k V 变压器火灾的火焰对外热辐射,量程为0100 k W/m20试验中共布置6支辐射热流计,如图3所 示。其中,在变压器左侧和中轴线处围绕变压器边 角每隔2 m左右平行布设一支辐
18、射热流计,两侧共 布设5支辐射热流计;为了验证变压器火对防火墙 的热危害,在变压器左侧防火墙中轴线2 m高度处 布置一支辐射热流计。传感器布置高度图3传感器布置示意图Fig.3 Sc h ema t ic dia gra m o f s ens o r a rra ngement1.4变压器油加热作业试验前利用加热装置将变压器油加热至90 C,其装置如图4所示。该加热装置横截面积为1 n?,高度为1.5 m,其主要由排气口、热电偶、加油口、把 手、液位计、油箱、万向脚轮、加热管、电气控制柜、防 爆外壳、油泵出口、齿轮泵电机和放油口等部分组 成;装置内部配备三组加热系统,每组系统的加热功 率为2
19、4 k W,共计72 k W,可实现1.5 m3的变压器 油在1 h内从20 C加热至100 C o(a)实物图排气口 热电偶 加油口、液位计一油箱万向/脚轮加热管/,放油口齿把手(b)示意图油泵 出口图4变压器油加热装置Fig.4 Hea t ing dev ic e o f t ra ns f o rmer o il2 FDS数值模型构建开展i i全尺度真型变压器火灾试验是结果 最精确、可信度最高的一种试验方式,基本可实现与 变电站实际情况相符合的火灾场景,但全尺度真型 火灾试验消耗费用高、危险性大且环境破坏性强,因 此需要结合数值模拟开展工作。FDS数值模拟具 有稳定性好、研究成本低、易
20、于开展全(大)尺度分析 等优点,在火灾研究中被广泛应用。本文采用的数 值模拟软件为Fire Dyna mic s Simula t o r(简称 FDS),该软件被广泛应用于模拟燃烧热驱动的气流 流动(如烟气)和火焰对外的传热计算02.1数值模拟与理论利用FDS软件对真型220 k V变压器火灾进行 数值模拟,基于真型220 k V变压器火灾试验平台 的布置情况进行等比例建模,如图5所示,温度、热 辐射测点除了与真型试验布置保持一致外,增加了 部分补充测点,同时实现了温度、流场、压强等切片 的获取。变压器油的热释放速率参考文献M,设置 为 783.26 k W/m2。火灾燃烧组分为混合物,假设
21、用混合物百分数 Z来表征燃料特性,其化学反应表征式为5YF-(Y0-yr)_vqMq_ 必+Y;SvfMf式中:Yf为燃料的质量分数();Y;为燃料源处的 质量分数();丫。为氧气的质量分数();右 为初 始环境中氧气的质量分数();M。和 皿 分别为氧54鉴全与猱境工裡 ht t p:/kt aq.c bpt.c 第30卷图5真型220 k V变压器FDS建模图Fig.5 FDS mo deling dia gra m o f t rue 220 k V t ra ns f o rmer气和燃料的相对分子质量;0和5分别为氧气和 燃料化学反应的计算系数。数值模拟过程中,热辐射吸收系数以Mie
22、散射 理论为基准,通过计算后确定,具体传输方程如下:S 厶(z,s)=Dc(,s)+cfs(j:,A)Ia(Z,s)+B(,A)十6(器入)”(s,s MQ,dC(2)4P式中:I心s)为入的辐射强度(氐W);Q,s)和6(工,入)分别为局部吸收和散射系数为辐射 源;0(s,s)为耗散系数;s为强度方向矢量;C为入 射方向;P为散射相函数,定义为体散射函数与散射 系数之比。2.2网格独立性分析数值模拟研究中,网格大小是决定模拟准确性 的关键参数。FDS用户指南中提到,建议特征火源 直径与网格尺寸的比值在416的范围内评估网格 的分辨率mm。特征网格直径D*可以表述为 A少=爲;厲)(3)式中:
23、砂、5和To表示环境空气的特性:k g/m3,k j/(k gK),K;g表示重力加速度(m/s2);Q为火 源功率(k W)o以变压器火灾左侧大火源为例,计算网格尺寸 在0.150.58 m之间,因此选择4种网格尺寸(0.5.0.25.0.167.0.125 m)进行了 比较。图6为变压器左侧大火源燃烧情况下,不同网 格尺寸对应的变压器左侧大火源中心竖向温度分布 图。由图6可以看出:随着网格尺寸的减小,模拟的 变压器左侧大火源中心竖向温度分布逐渐趋近;同 时,0.167 m和0.125 m网格尺寸下温度廓线差异 较小,随着网格尺寸的进一步减小,模拟结果没有明 显的改变。但当网格尺寸小于0.1
24、67 m时,计算时 间和成本增加,因此本研究选用的网格尺寸为0.167 m0竖直高度An图6各网格尺寸下变压器左侧大火源中心竖向温度 分布图Fig.6 Vert ic a l t empera t ure dis t ribut io n o f t h e c ent er o f t h e la rge f ire s o urc e o n t h e lef t s ide o f t h e t ra ns-f o rmerunder dif f erent grid s izes2.3模拟工况图7为不同工况下FDS建模情况示意图,其中 工况A为本研究所开展的全尺度真型220 k
25、V变压 器火灾1:1建模,如图7(a);工况E则为拓展工 况,即将该火灾燃烧面积扩大为整个地面集油坑,如 图 7(b)。(a)工况A建模示意图(b)工况B建模示意图图7不同工况下FDS建模情况示意图Fig.7 Sc h ema t ic dia gra m o f FDS mo deling underdif f erent wo rk ing c o ndit io ns第3期李国舂竽:电力系统中真型220 k V变压器火灾危险性评估553结果与讨论3.1真型220 k V变压器火灾典型工况分析3.1.1火灾演变分析试验过程中,依次点燃变压器左侧中位火、油槽 火,变压器右侧高位火、中位火、油
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电力系统中真型220 kV变压器火灾危险性评估 电力系统 中真型 220 kV 变压器 火灾 危险性 评估
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。