油浸式變壓器火災事故的特點與滅火對策研究

汪亞龍，黎昌海，張佳慶，尚峰舉，陸守香，范明豪，王劉芳

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027;2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601)

變壓器是根據電磁感應原理改變交流電壓的設備，按冷卻方式可以分為干式變壓器和油浸式變壓器兩類。干式變壓器無油、難燃，在防火方面具有一定的優勢。油浸式變壓器具有散熱性能強、制造及維護成本低、回收利用較為方便等特點，其經濟效益往往優于干式變壓器，因此被廣泛采用[1]。大型油浸式變壓器作為核心電力設備，已廣泛應用于電廠和變電站[2]。例如在特高壓直流輸電工程中連接換流橋與交流系統的換流變壓器，其電壓等級高，工況復雜、運行溫度高、尺寸巨大[3]。

絕緣油是油浸式變壓器的主要絕緣及冷卻介質。油浸式變壓器內部及頂部油枕充有大量可燃的變壓器油，在故障、高溫條件下起火，往往會導致油浸變壓器本身以及其他鄰近的電氣設備損壞，嚴重破壞變電站，影響了電網的安全穩定運行[4-10]。

本文基于近年來國內外發生的油浸式變壓器火災事故案例，分析了油浸式變壓器火災事故的類型和特點，總結了油浸式變壓器火災事故的發生機理，并提出了防止和控制油浸式變壓器火災事故的對策與技術措施。

1 油浸式變壓器火災事故案例分析

1.1 國外油浸式變壓器火災事故分析

油浸式變壓器火災時有發生，1984—2018年媒體公開報道的8起國外油浸式變壓器火災事故的發生原因及其后果，見表1。

表1 1984—2018年8起國外油浸式變壓器火災事故案例Table 1 Fire accidents of oil-immersed transformers abroad from 1984 to 2018

由表1可知，國外油浸式變壓器火災事故的主要原因往往是變壓器局部過熱，或者故障引發電弧，引燃了變壓器油。

1.2 國內油浸式變壓器火災事故分析

1987—2018年媒體公開報道的14起國內油浸式變壓器火災事故的發生原因及其后果，見表2。

表2 1987—2018年14起國內油浸式變壓器火災事故案例Table 2 14 cases of oil-immersed transformer fire in China from 1987 to 2018

2 油浸式變壓器火災事故的類型、特點和發生機理

2.1 油浸式變壓器火災事故的類型

根據油浸式變壓器火災事故的模式和燃燒形式，將油浸式變壓器火災事故的類型分為噴射火、油池火、流淌火三類。

(1) 噴射火：噴射火是在有壓力的管道或容器內油料通過泄漏口往外噴射燃料并被點燃的一種燃燒方式，多出現在變壓器爆炸后的較短時間內，一般火焰高度(長度)較大，泄漏口處動量大、能量密度大，造成撲救難度大。

(2) 流淌火：流淌火是液體燃料邊流淌邊燃燒的一種燃燒方式，多發生在變壓器油的泄漏和火災擴大階段，大量泄漏燃油不能快速燃燒完全，流向沒有約束的方向并不斷被點燃，導致火災的蔓延和擴大，造成撲救困難。

(3) 油池火：油池火是一定厚度燃油在物體表面發生燃燒的一種燃燒方式，泄漏到物體表面的燃料向四周流淌，受到阻擋或限制時，燃料將在局部積聚，形成一定厚度的油池，油池被點燃即形成油池火。變壓器油池火多發生在燃油受到邊界約束后，多為火災的充分發展階段，油池火的熱釋放速率除了取決于油料特性外，還與暴露并燃燒的油池表面積以及燃料的蒸發速率相關，而燃料的蒸發速率則受油溫的影響極其明顯。

在實際的油浸式變壓器火災事故中，噴射火、流淌火、油池火往往同時存在，這給火災的撲救帶來了更大的困難。

2.2 油浸式變壓器火災事故的特點

油浸式變壓器器身多為封閉結構，故障狀態下的高溫常引起絕緣油或氣體膨脹，在失控狀態下易發生爆炸。而位于油箱頂部油枕內的大量變壓器油在重力作用下，從箱體開裂處向外猛烈噴出，助長了火勢的蔓延，大大增加了火災撲救的難度。此外，變壓器火災出現的爆燃現象，可能對變壓器本體結構、防護屋頂、防火墻和消防設施造成破壞，將導致火災發展過程的多變性。因此，油浸式變壓器油泄漏燃燒可能會引發噴射火、油池火、流淌火等更為復雜的燃燒形式。

綜上所述，油浸式變壓器火災事故的特點可以概括為：爆炸性、快速性、破壞性、多變性和火災形式多樣性。在油浸式變壓器發生火災事故時，及時地切斷油枕流向箱體的油路，有助于防止變壓器火災事故的擴大和蔓延[20]。

2.3 油浸式變壓器火災事故的發生機理

從國內外油浸式變壓器典型火災事故案例的共性來看，變壓器絕緣油是火災的可燃物，而局部過熱或異常放電是火災的點火源，而空氣作為助燃物在火災過程中持續存在，上述可燃物、點火源、助燃物的存在滿足了火災發生的基本條件。

根據系統安全工程中的事故致因理論，事故是能量的意外釋放。系統中存在的、可能發生意外釋放的能量或危險物質被稱作第一類危險源[26]。油浸式變壓器充裝了大量可燃絕緣材料和絕緣油，例如一臺220 kV、180 MVA的大型油浸式變壓器充油量可達30 t以上，其中的大量絕緣油可以視為第一類危險源；導致約束、限制能量措施失效或破壞的各種不安全因素被劃分為第二類危險源[27]，一旦第二類危險源出現，事故將可能發生。油浸式變壓器火災故障的具體模式，即第二類危險源的主要形式如下[28-30]。

(1) 繞組短路：繞組短路的形式分為繞組間短路和繞組對地短路，其中繞組間絕緣老化、水或異物進入變壓器、引線絕緣破損等會造成繞組層間或匝間短路；而振動、操作過電壓、絕緣距離不足或損壞等則會造成繞組短路，擊穿鐵芯、外殼、臺架等接地部分，從而引起繞組對地短路。短路部位的溫度會迅速上升，可能引燃變壓器油，發生火災。

(2) 內部損耗過大：變壓器內部損耗包括繞組損耗(銅損)和鐵芯損耗(鐵損)兩部分，實際運行的變壓器鐵損往往大于銅損。鐵芯硅鋼片存在制造缺陷、鐵芯多點接地、變壓器鐵芯硅鋼片間氣隙過大等，都是增加變壓器內部損耗的因素，而變壓器內部損耗過大的情況下，一方面可能引燃絕緣紙或絕緣油等可燃物，另一方面引起故障部位附近絕緣損壞，造成繞組短路，引發火災。

(3) 接觸不良：分接開關或電源引線等部位是接觸不良的多發部位，接觸不良會造成局部持續異常發熱，引燃可燃物或者損壞周圍絕緣，引發火災。

(4) 變壓器油劣化：變壓器長時間運行后，變壓器油在高溫或電弧的影響下，生成多種溶于油的酸類和氧化產物，如繞組、鐵軛、夾件、散熱管上附著或積聚劣化生成的“油泥”，其導熱性很差，且阻礙絕緣油的正常循環，嚴重影響繞組散熱；劣化的絕緣油中的多種不穩定物質進一步分解，生成強腐蝕性的臭氧，損壞絕緣材料。

(5) 套管故障：油浸紙電容式套管由于安裝不當而受機械性沖擊或嚴重超溫運行可能會產生裂紋，若套管制造不良、電容芯空氣與水分未除盡或卷得太緊導熱不良，在充油套管出現裂紋導致擊穿時，套管往往會發生爆裂，可能引發火災事故。

(6) 其他原因：如違章施工、違規動火等。

3 油浸式變壓器火災事故的滅火對策與防火技術措施

根據應用環境的不同，油浸式變壓器火災事故可分為室內、室外兩大類，由于各自的滅火需求差別較大，因此需要分別采取相應的滅火對策與防火技術措施。

通過對國內外相關規范進行分析和總結，發現目前國內外可用于變壓器火災的滅火系統主要包括泡沫噴霧系統、中倍泡沫滅火系統、水噴霧滅火系統、細水霧滅火系統、排油注氮滅火系統和雨淋滅火系統等。此外，《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014)中指出，油浸式變壓器消防系統還應設置消火栓系統。不同滅火系統對變壓器火災滅火效能的比較，見表3?？梢?，應根據應用環境的不同選擇合適的滅火系統。

表3 不同滅火系統對變壓器火災滅火效能的比較Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of different fire extinguishing systems for transformer fire

3.1 室外油浸式變壓器火災事故的滅火對策

由于室外環境較為開放，不利于采用窒息法滅火，因此針對室外油浸式變壓器的滅火，應考慮采用隔離法、冷卻法等。

水噴霧滅火系統滅火效果好、造價低，普遍應用于國內外變壓器的消防滅火[31]。水噴霧能夠對著火的變壓器起到降溫作用，同時滅火過程中產生的水蒸氣也能夠稀釋變壓器附近的空氣，降低氧氣濃度，對火源起到一定的窒息作用。但是，針對室外油浸式變壓器的消防滅火在使用水噴霧滅火系統時應注意以下幾點：由于變壓器不規則的外形以及受安全距離的限制，水噴霧滅火系統所需實際流量常大于設計流量；噴頭需根據使用環境配備過濾網、防塵帽；配管及管夾均應接地，且接地電阻不大于16Ω；事故集油坑通往集油井管道需要同時具備足夠的排油和排水能力，避免因排油管道管徑太小造成排水不暢導致事故油外泄；為了防止漏電造成的損失進一步擴大，控制程序應保證水噴霧滅火系統在設備已斷電的情況下進行噴霧滅火[2]；在寒冷地區要采取保溫伴熱措施，防止管道凍裂。試驗研究發現，在變壓器絕緣子升高座孔口設噴頭保護有利于滅火[32]。

針對室外油浸式變壓器的消防滅火，在缺水或嚴寒地區宜采用排油注氮滅火系統[33]，該系統結構緊湊、易于安裝，國際上已經廣泛應用，有取代水噴霧滅火系統的趨勢。當油浸式變壓器內部出現異常的壓力劇增，氣體繼電器動作，啟動排油注氮滅火系統，隨后排油閥打開，一段時間(約20 s)后通過減壓閥、經過注氮管，氮氣被注入油箱底部，攪動絕緣油，加速摻混油箱內的高溫與低溫絕緣油，使故障部位油溫降到閃點以下，破壞發生燃燒的條件，熄滅油箱內部火焰。該系統具有滅火速度快、損失小、自動化程度高等特點，火災時能及時隔離變壓器箱體與油枕，滅火后充氮仍然留在油箱內，能夠保證油不會復燃，且排油注氮裝置是密封的，從根本上避免了水噴霧滅火系統存在的防銹、防藻菌、防凍等問題。

此外，SD型泡沫噴淋滅火系統也被廣泛應用于室外油浸式變壓器的消防滅火。該系統的滅火藥劑為SD系列高效泡沫滅火劑，當火災信號觸發該系統時，為給滅火藥劑加壓，控制模塊使高壓氮氣進入滅火藥劑容器罐，產生泡沫并通過噴頭進行噴淋滅火。SD型泡沫噴淋滅火系統具有體積小、安裝維護簡便易行、組合靈活多變等特點，同樣適用于寒冷地區和缺水地區，但是滅火藥劑需定期更換，增加了后期的維護成本。整體上看，SD型泡沫噴淋滅火系統的綜合經濟成本低于水噴霧滅火系統[34]。

3.2 室內油浸式變壓器火災事故的滅火對策

室內油浸式變壓器所處的環境較為封閉，有利于采用窒息法控制火災。但由于變壓器帶有高壓電，為了防止漏電造成的損失進一步擴大，不宜采用導電介質進行滅火。因此，高壓CO2全淹沒滅火系統特別適用于室內變壓器的消防滅火，且具有響應時間短、滅火效果好、對設備損害小等特點，適用于全淹沒滅火以及局部滅火，已成為室內油浸式變壓器主要的固定式滅火方式之一。

CO2滅火劑儲存在高壓瓶組中，該系統由火災探測器觸發，滅火期間連鎖裝置將自動關閉防護區域的通風系統。為了避免誤操作造成人員窒息，要求設置噴射警示裝置、手動轉換開關以及應急呼吸器[34]。

盡管CO2全淹沒滅火系統的滅火效果好，但造價昂貴、對設計安裝要求高、管理維護成本高，且缺乏相關的標準規范，使其應用受到一定的限制。

3.3 油浸式變壓器火災事故的防火技術措施

針對油浸式變壓器火災，在完全失去控制之前，還可以采取以下技術手段或措施消除火災發生的條件：

(1) 變壓器繼電保護系統有效動作并消除異常過電壓，從而避免繞組或套管放電擊穿，將點火源扼殺在萌芽狀態。

(2) 儲油柜截流閥的設計應當能夠使絕緣油以合適流速雙向流通，補償受熱膨脹或受冷收縮；同時，當變壓器出現故障時，在某些必要情況下，如充油瓷式套管斷裂、OIP套管故障或主油箱發生破損時，截流閥也可以及時、有效地關斷儲油柜的絕緣油輸出。

(3) 為了承受油氣異常體積膨脹造成的壓力和形變，變壓器油箱應具有一定的彈性。

(4) 若故障無法及時排除，變壓器內部壓力急增，為了防止事故發生，需要設置緊急壓力釋放裝置。

除了上述故障屏蔽、限制措施以外，使用難燃環保高燃點介質替代作為絕緣介質的可燃性絕緣油，可以視為一種本質安全設計。

4 結 語

油浸式變壓器在電力系統中有著舉足輕重的作用，而油浸式變壓器需要使用大量可燃的絕緣材料和變壓器油，包含大量的第一類危險源，一旦能量屏蔽、限制措施失效，第二類危險源出現，可能會導致火災事故的發生。引發油浸式變壓器火災事故的具體故障原因包括繞組間短路、繞組對地短路、變壓器內部損耗過大、接觸不良、變壓器油劣化、套管故障等。油浸式變壓器火災的燃燒形式包括噴射火、油池火、流淌火。油浸式變壓器火災事故具有爆炸性、快速性、破壞性、多變性和火災形式多樣性的特點。當油浸式變壓器發生火災爆炸事故時，采取措施及時切斷油枕中變壓器油流向箱體的油路，對防止油浸式變壓器火災事故的擴大和蔓延具有重要的作用。