主變壓器室泄壓計算模型探討

鄭耀斌，付光來，謝 丹，王守潔，任永一

(山東智源電力設計咨詢有限公司，山東 濟南 250021)

在密閉空間里發生爆炸，如果沒有泄壓措施，爆炸能量會轉化為對圍護建筑物的巨大壓力，造成建筑物破壞。如果在圍護物里合理的設置一個泄壓口，包括門、窗、重量60 kg/m2的輕質建材等，這些輕質維護物在巨大的爆炸沖擊能量的作用下，瞬間破壞，使爆炸能量迅速釋放，可以大大削減作用在建筑物結構上的壓力，從而保障建筑物在遭遇爆炸時的安全性。因此，有爆炸危險的變壓器室應考慮合理的防爆泄壓設計。

1 變電站變壓器室爆炸模型分析

1.1 變壓器室爆炸發生機理

郭正位等的研究表明，變壓器油在電弧影響、較高溫度等條件下長期工作，容易分解出多種不同的可燃氣體。經過理論分析和采樣分析得出，變壓器中絕緣油在高溫、電弧等異常環境下產生的氣體主要有氫氣和烴類，如H2、C2H4、C2H2、CH4、C2H6，還有少量長鏈揮發物。變壓器設置有泄壓閥，產生的這些氣體在一般工作狀態下會及時從變壓器泄壓閥排出，在通風狀態良好的情況下，氣體濃度很難達到爆炸極限以上。主變壓器室產生的氣體體量不大，變壓器油一般基于以下3種原因產生可燃氣體。

(1)變壓器內部絕緣油分解產生可燃氣體。在電弧的作用下，絕緣油分解。根據周遠翔等人的研究，電弧作用下，其產生的氣體主要為H2和C2H2，大約占了90%，生成的氣體成分詳見表1。

表1 電流作用下絕緣油分解組分

(2)絕緣油在熱條件下分解產生可燃氣體。絕緣油在熱條件下一般有裂解和裂化兩種方式。一般油品在700～800℃會產生裂解反應，400～600℃會產生裂化反應，而一般油浸式變壓器的上層油溫不會超過95℃。因此，條件不足，此種情況可以忽略。

(3)絕緣油在熱條件下揮發形成可燃氣體。設計工作者在確定變壓器油時，一般會選擇沸點較高的絕緣油，這就決定了變壓器中的油體揮發量很少。火災發生時，部分的絕緣油與火焰靠近時可能揮發形成少量的氣體，而這種方式產生的氣體量很少，這些少量的氣體或者飄散到溫度較低的環境中凝結成液態的，或者直接遇火燃燒掉，基本不會形成可燃氣體云團。

根據傳統的Baker－Strehlow模型，第一種方式產生的氣體危險性遠高于第二種和第三種，而且從氣體量的方面考慮，第一種占主體成分。基于上述第一種原因產生的氣體同時具有很大的危險性和爆炸性。

1.2 現行變壓器室泄壓計算模型

變電站屬于工業建筑，按照廠房一類進行設計。依據現行國家標準 GB 50016－2014《建筑設計防火規范》，對有爆炸危險的廠房，規范給出了推薦的泄壓面積計算公式，由密閉容器內可燃氣體爆炸泄壓的立方體定律和相似原理推導得出。國際防爆泄壓方面，美國消防協會NFPA 68《爆燃泄壓防爆標準》在國際上具有較高的權威性和參考價值。NFPA 68－2013盡管區分高強度封閉空間和低強度封閉空間，采取不同的計算公式，但也均是假定空間為封閉空間。

變壓器正常工作產生氣體，變壓器泄壓閥的設置，可以成功的將這些氣體排除，由于排氣速度緩慢，加之變壓器室一般加強通風設置，按照構造的方式在變壓器室的上方設置足夠的通風散氣窗，在自然通風情況下完全可以消散到爆炸極限以下，所以按照廠房和倉庫爆炸模型(達到一定濃度的爆炸性氣體彌漫于整個房間內)進行防爆泄壓設計并不合理。

目前在電力行業中針對變電站的變壓器室的泄壓設計并沒有合適的計算方法，對變壓器的爆炸機理分析的也不夠明確，這使得設計人員在遇到此類計算時，缺少依據，設計存在較大的隨意性。據調查，目前電力行業不少設計單位對于變壓器室的泄壓面積是基于《建筑設計防火規范》3.6.4條提供的模型進行計算，見式(1)。

式中：A為泄壓面積(m2)；V為廠房的容積(m3)；C為泄壓比(m2/m3)。

通過這種方法計算出的泄壓面積普遍偏大，甚至會大于房間整面外墻的面積，導致泄壓墻面很難布置，給設計造成困難。

1.3 變壓器爆炸模型選取

1.3.1 鍋爐房爆炸機理

鍋爐爆炸的本質是能量釋放，鍋爐中存儲著巨大的能量，一經釋放，瞬間轉化為強大的機械能。在鍋爐運行過程中，爐膛燃爆，某些受壓元件在使用過程中達到極限強度或者鍋爐材料的薄弱處發生破壞，導致鍋爐出現破裂口，鍋爐中的水及蒸汽會立即從破口處釋放，即鍋爐爆炸。在這一短暫過程中，鍋爐內的壓力瞬間減小、釋放，導致爐內氣體液體劇烈汽化、膨脹，大量的水蒸氣迅速膨脹，鍋爐內的壓力迅速再次升高，破裂口進一步變大，破裂口處的水蒸氣形成巨大的沖擊波造成爆炸現象。鍋爐爆炸時釋放的巨大能量大部分以沖擊波的形式作用于周圍環境，對建筑物和人員造成巨大的破壞。

1.3.2 變壓器爆炸機理

建設在城區的變電站一般要求戶內布置，主變壓器是安全隱患最大的設備，因此主變室是眾多電氣室安全防范的重中之重。因為變壓器內儲有大量變壓器油，長期在較高溫度的環境下工作，危險較大，是變電站防火防爆的重點。從變壓器構造上來看，內部是鐵心柱、鋁線或絕緣銅線等制成的線圈，在油浸式變壓器中的絕緣油充斥其中，絕緣油閃點約為135℃，易蒸發燃燒，易與空氣混合成易爆混合物。變壓器內部有紙板、棉紗、布、木材可燃物作為絕緣襯墊、支架等，在過載或短路的情況下，在高溫或電火花、電弧作用下，變壓器中的可燃的材料和絕緣油發生分解產生可燃氣體，氣體膨脹使變壓器內部壓力劇增，可引起變壓器外殼爆炸，大量絕緣油噴出燃燒進一步擴大火災，造成更大的破壞。

1.3.3 變壓器室爆炸模型選取

通過鍋爐爆炸和變壓器爆炸機理對比分析，可以得到，鍋爐和變壓器爆炸均是由于內部液體氣化導致內部壓力劇增，爐體或者變壓器外殼薄弱環節破壞，導致爆炸，進而引起下一階段的二次爆炸或火災，爆炸能量以沖擊波的形式對結構產生破壞。

通過以上分析，顯然主變壓器室存在爆炸危險，此種爆炸不同于《建筑防火設計規范》中廠房和倉庫的爆炸模型，而近似于鍋爐房爆炸模型。因此，參考《鍋爐房設計規范》15.1.2條：鍋爐房的外墻、樓地面或屋面，應有相應的防爆措施，并應有相當于鍋爐間占地面積10%的泄壓面積，見公式(2)：

式中：S為鍋爐房占地面積。

1.4 小結

通過對以上兩種計算模型的對比和分析，得出鍋爐房的爆炸機理與變壓器的爆炸機理接近，因此變壓器室爆炸模型近似采用鍋爐房爆炸模型是合理的。

2 泄壓設計及計算

2.1 泄壓設計

根據《建筑設計防火規范》3.6.3條，泄壓設施宜采用輕質屋面板、輕質墻體和易于泄壓的門、窗等。《建筑設計防火規范》3.6.4條，作為泄壓設施的輕質屋面板和輕質墻體的單位質量不宜超過60 kg/m2。此處的單位質量，是指泄壓面的綜合單位重量，《建筑結構荷載設計規范》中規定了不同材料的容重。《鍋爐房設計規范》規定，當泄壓面積不足時，鍋爐房的內墻和頂部(頂棚)敷設金屬爆炸減壓板可作為補充。

對于經計算所需泄壓面積較小的變壓器室，聯系到消散變壓器正常工作下產生的氣體的要求，選擇通過設置百葉窗和通風窗的形式兼做泄壓面積，可以同時達到泄壓面積要求。

2.2 泄壓計算實例

以濟南某220 kV全戶內變電站為例，單個變壓器室長17 m，寬11 m，高14.4 m，變壓器容量為240 MVA/臺，為油式變壓器。

(1)基于《鍋爐房設計規范》提供的模型計算的泄壓面積：

(2)基于《建筑防火設計規范》提供的模型計算的泄壓面積：

式中：體積V=17×11×14.4=2692.8(m3)。泄壓比C按照表1氣體成分加權計算，

表2為兩種計算模型經濟指標對比。

表2 兩種計算模型經濟指標對比

通過計算對比，按照鍋爐房爆炸模型計算的變壓器室泄壓面積較建筑防火規范模型減小90%以上，顯著降低了工程造價。

3 結論

綜上所述，可得出如下結論：

(1)變電站變壓器室應考慮泄壓設計，房間的泄壓計算應選用合適的計算模型。

(2)通過分析比較鍋爐與變壓器的爆炸機理，得出變壓器室的爆炸模型以及泄壓計算公式 ：A=0.1×S。

(3)與現行算法相比，通過新模型計算得到的變壓器室的泄壓面積顯著減小，計算結果更加合理。泄壓面積的大幅減少，顯著降低了變電站造價。