初始油溫對變壓器油點燃特性的影響實驗研究

郭鵬宇 王銘民 馬青山

國網江蘇省電力有限公司，中國·江蘇 南京 210000

1 引言

近年來在化工、石油、電力等行業以及交通運輸過程中，因為燃料泄漏的問題不斷發生火災，造成了嚴重的后果。一些大型的油浸式變壓器被廣泛應用于電廠和變電站中，作為其核心電力設備。

早在1968年，Glassman 就開始研究燃料初始溫度和火焰蔓延速度之間的關系，認為當燃料溫度小于閃點時，火焰傳播速度普遍小于20cm/s；當燃料溫度高于閃點時，火焰傳播速度較快，普遍大于1m/s。Burgoyne 等學者對醇類的可燃液體進行了研究，發現了隨著燃料初始溫度的上升，燃料越快進入蔓延階段。陳國慶等人對航空煤油進行了研究，發現了火焰蔓延過程中表面流的影響是由于體積膨脹力的驅動產生的[1]。張博思等人對25#變壓器油進行實驗，發現了熱油的火災危險性更大，初始溫度越高的變壓器油引燃所需時間越短。另外，學者們發現了火焰的傳播與閃點也有直接的關系。

總結液體燃料燃燒研究現狀可知，學者們的研究重點普遍側重于火焰的蔓延階段，對于燃料的點燃特性關注較少。在變壓器油發生泄漏后，在何種條件下能夠被點燃，對于防止變壓器油火災的形成至關重要。因此，展開溫度對變壓器油點燃特性的影響研究，對于火災的防范具有重要意義。

2 實驗系統及實驗工況

2.1 實驗系統

為了研究不同初溫下變壓器油的點燃特性，設計搭建了變壓器油的油池火點燃特性探究實驗平臺。實驗系統主要包括實驗平臺及數據采集系統。實驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統示意圖

2.2 實驗工況設計

利用加熱裝置對變壓器油進行加熱到所需要的溫度值。選取25#變壓器油作為實驗燃料，油池直徑為40cm，深度為10cm，油層厚度設定為5cm[1]。將變壓器油加熱至不同初始溫度后倒入油池內，添加不同量正庚烷并利用電子打火裝置點燃正庚烷，通過正庚烷引燃變壓器油，采集變壓器油被引燃過程中質量損失速率、火焰溫度、油溫、火焰圖像并進行分析，研究不同油初溫下，最少點燃變壓器油的臨界正庚烷用量，實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況表

3 實驗結果及討論

3.1 初始溫度對點燃特性的影響

3.1.1 初始溫度對點燃結果的影響

對表1中各個工況進行了重復試驗后，所得實驗結果如表2所示。

表2 不同初溫下變壓器油引燃結果

從表2可以看出，在40cm 油池中，在初溫20℃時，需要添加13mL 的正庚烷；初溫上升到30℃，需要添加12mL 的正庚烷；初始溫度上升到50℃，添加10mL 的正庚烷就可以引燃；初溫為60℃和80℃時，也只需添加11mL和10mL 正庚烷。

3.1.2 初始溫度對點燃時間的影響

在不同油初溫的條件下，使用最少體積的正庚烷引燃變壓器油，探究其不同油初溫下，引燃變壓器油所用時間，將油面處溫度達到閃點值作為判斷變壓器油被引燃的依據。得出了40cm 的油池在不同油初溫下能引燃變壓器油的臨界正庚烷量時的引燃時間如圖2所示。

圖2 不同初溫下變壓器油點燃時間

從上圖可知，油初溫在20℃時，點燃變壓器油需要30s；油初溫在60℃，點燃變壓器油需要21s；油初溫在80℃，點燃變壓器需要22s。隨著初始溫度的升高，點燃變壓器所需要的時間越來越短。但當油初溫為50℃～80℃時，引燃時間大約為20s，變化趨勢較小。

3.2 變壓器油點燃過程火焰形態差異

圖3為油池直徑為40cm 條件下變壓器油初始溫度為20℃時點燃過程火焰形態圖，（a）和（b）分別為正庚烷用量為10mL 和13mL。

圖3 不同正庚烷添加時的燃燒情況

從圖3中可以看出，在油池直徑和初始溫度都相同的情況下。改變加入正庚烷的量會使燃燒發生明顯的變化。在加入10mL 的正庚烷后，火焰開始燃燒。在燃燒進行9s 以前，火焰的高度和燃燒強度都大于加入13mL 正庚烷時的情況。可能是由于此時正庚烷油蒸汽與空氣的混合比更合適，燃燒更加充分[3]。而且火焰出現了間斷，火焰整體不連續，發生多次的斷開。在燃燒進行到9s 之后，10mL 正庚烷工況下的燃燒，火焰開始變低，寬度也開始變窄。此時正庚烷的濃度降低，火焰燃燒速率減慢，對油面的加熱效果也變得較差。產生的熱量無法使變壓器油產生足夠的油蒸汽，并且溫度也無法達到其燃點，所以在燃燒進行到29s 時，火焰熄滅燃燒停止。

加入13mL 正庚烷工況則有很大不同，相應的燃燒情況也有很大的不同。

3.3 質量損失速率

圖4為對不同油初溫的質量變化曲線求導后，得到的質量損失速率曲線，可以更加明顯地看出燃燒過程中的質量變化過程。

圖4 不同油初溫下質量損失速率曲線

油初溫20℃時，加入13mL 的正庚烷后，用點火器點燃正庚烷，在12.8s 時，燃燒速率出現一個最大值為-4.5g/s，此時正庚烷被點燃，且此時濃度較大，燃燒速率較快，很快達到其沸點，油滴向上方噴濺后，又重新落入油池中，所以會先出現向下的峰值后緊接著出現向上的峰值。隨著燃燒的進行，質量損失速率總體在不斷的增大，在105s 時，質量損失速率達到-1.75g/s，之后的質量損失速率在這個周圍上下浮動，此時火焰應該從初期發展階段進入到了穩定燃燒階段。油初溫80℃時，加入10mL 的正庚烷后，就可以引燃變壓器油。在7.2 時，燃燒速率出現最大值為-4.75g/s。同之前工況一樣先出現向下的峰值后接著出現向上的峰值。而且隨著燃燒的進行，質量損失速率曲線總體在不斷下降，在83.4s 時，質量損失速率達到-2g/s，之后的燃燒過程質量損失速率在這個周圍上下浮動，從這個時間后火焰的發展過程從初期發展階段進入到了穩定燃燒階段。

總結上述實驗現象，發現在油池直徑不變時，隨著變壓器油初始溫度的升高，引燃變壓器油所需添加的正庚烷量越來越少，最小為80℃時加入10mL。并且變壓器油初始溫度最高時，在進入穩定燃燒階段后，平均的質量損失速率則越大。

3.4 傳熱定量計算

在油池直徑為40cm 時，加入少量正庚烷后點燃，此時的平均質量損失速率為0.22g/s，燃燒速率為1.76g/(m2·s)。已知正庚烷的熱值為44600kJ/kg，則Q=mΔH=78.496kW/m2。Hertzberg 等諸多學者們采用大量的實驗，并通過點源模型得出了大量液體池火的輻射分數，所以選擇變壓器油的輻射系數近似為15%，通過計算，變壓器油單位時間燃燒產生的輻射能Qr=15.699kW/m2，計算出變壓器油液面接收到的輻射熱Qra=1.91kW。進而得出油面燃燒時吸收的總熱量，如表3所示。

表3 變壓器油不同初溫時被點燃所需熱量

4 結論

本章主要研究變壓器油在不同初始溫度下，對引燃變壓器油需要添加的正庚烷最小量進行了探究。研究結果表明：

①油初始溫度對于正庚烷能引燃變壓器油的最少添加量是有一定影響的，隨著油初溫的升高，引燃變壓器油所需要的正庚烷用量更少。當油池直徑為40cm 時，從20℃時引燃需要添加13mL 的正庚烷；溫度上升到80℃后引燃變壓器油只需要添加10mL 的正庚烷。當油池直徑為50cm時，油初溫20℃時引燃變壓器油需要14mL；初溫上升到60℃，添加11mL 的正庚烷就可以引燃變壓器油。

②隨著油初溫的升高，正庚烷引燃變壓器油所需要的時間將變短。但當油初溫升至50℃～80℃后，引燃時間變化趨勢減慢，大約為20s。

③從火焰燃燒形態看出，當注入正庚烷的量不足以引燃變壓器油時，在點火初期階段，火焰高度均高于注入正庚烷量能夠點燃變壓器油的實驗組，約燃燒9s 后，正庚烷注入量少的實驗組火焰高度開始降低。