大型充油設備絕緣紙板燃燒特性研究

閆海鷗，詹振宇

(1.國網河南省電力公司，河南 鄭州 450000;2.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

油紙絕緣結構廣泛應用于大型充油設備中，絕緣紙板長期受到電、熱、力等作用而逐漸劣化。由于絕緣紙板長期浸泡在絕緣油中，一旦因短路產生火花，絕緣紙板極易著火，引發套管爆炸、釋壓閥噴油、變壓器箱體開裂等事故，并造成變電站內其他電氣設備損壞，影響電網的安全運行，帶來重大經濟損失。因此，研究絕緣紙板的燃燒特性，對提高站內設備火災預防水平具有重要意義。

1 試驗設計方案

為研究絕緣紙板的燃燒特性，選取某變壓器設備生產商的絕緣紙板，紙板厚度為2 mm，試驗前將絕緣紙板裁剪為20 cm×20 cm的方形試樣，用酒精擦拭試樣表面去除污染物后，放置于25 ℃的干燥箱中干燥6 h，取出后再放置于室溫條件下保持24 h。

試驗時，采用錐形量熱計按照ISO 5660標準試驗方法，通過外加熱輻射方式模擬絕緣紙板在不同規模火災事故中可能受到的熱輻射。每組試驗均開展3次，分別記錄絕緣紙板的著火時間、質量變化和熱釋放速率，并取平均值。

試驗在恒溫的室內開展，確保環境因素相對統一；取5組試樣，并分別設置5種外加熱輻射通量條件，初始外加熱輻射通量設為30 kW/m2，之后依次在此基礎上逐次增加15 kW/m2，直至最高輻射通量達到90 kW/m2。

2 試驗結果分析

2.1 絕緣紙板的著火時間

著火特性對于測量可燃物引起的火災危險十分重要，測量絕緣紙板著火時間可為后續變壓器火災預警及消防措施選擇提供重要參考。絕緣紙板在不同外加熱輻射通量下的著火時間如圖1所示。

圖1 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板著火時間

由圖1可知，隨著外加熱輻射通量增加，絕緣紙板著火時間越短，絕緣紙板發生火災的時刻越快；但著火時間的減少與外加輻射熱通量增加并非線性關系，著火時間減少的速率比外加輻射熱通量增加的速率要快。在外加熱輻射通量為30 kW/m2的情況下，絕緣紙板的著火時間約為196 s；而當外加熱輻射通量達到90 kW/m2時，著火時間僅需要約17 s，著火時間大大縮短。這一現象與其他材料的研究結果基本類似。

2.2 質量損失率

圖2為不同外加熱輻射條件下，絕緣紙板點燃后的質量變化曲線。

由圖2可知，隨著外加熱輻射通量的不斷增加，絕緣紙板的質量損失速率也隨之加快。在燃燒前期，質量損失率隨時間增長，呈線性增長趨勢，到達波峰后下降，進入衰減期。

圖2 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板質量損失

在外加熱輻射通量為30 kW/m2和45 kW/m2的條件下，絕緣紙板的質量損失均緩慢增加；外加熱輻射達到60 kW/m2時，絕緣紙板著火后質量損失大幅度增加，達到峰值后，絕緣紙板殘余質量變小，相應的質量損失變小，進入質量緩慢衰減期。

2.3 熱釋放速率

熱釋放速率用于表征火災的增長速度和規模。絕緣紙板在不同外加熱輻射通量下的熱釋放速率變化規律如圖3所示。

圖3 不同外加熱輻射條件下絕緣紙板熱釋放速率

由圖3可知，在絕緣紙板開始燃燒時，絕緣紙板的熱釋放速率為0；隨著外加熱輻射通量的增加，絕緣紙板的熱釋放速率曲線發生了變化，部分外加熱輻射通量下，出現多了個熱釋放速率峰，尤其是外加熱輻射達到60 kW/m2時，熱釋放速率曲線上均出現了雙峰。但由于不同外加熱輻射通量條件下，隨著燃燒時間增加，絕緣紙板并未再次發生大量的熱釋放現象。因此，相對而言，在火災初期外加熱輻射通量增加對絕緣紙板火災隱患更大，需及時處理。隨著燃燒時間增加，長時間燃燒下的火災隱患未再顯著增加。試驗中，不同外加熱輻射通量條件下，絕緣紙板熱釋放參數如表1所示。

表1 絕緣紙板的熱釋放速率參數

根據表1參數可知，不同外加熱輻射通量下，絕緣紙板熱釋放速率峰值差異較大，在90 kW/m2的外加熱輻射通量下，59 s絕緣紙板的熱釋放速率就能達到400.01 kW/m2，是30 kW/m2的外加熱輻射通量下熱釋放速率峰值299.47 kW/m2的1.34倍，且峰值時間大大縮短；而90 kW/m2的外加熱輻射通量下其第二個峰值到達時間仍早于30 kW/m2時的情況，且熱釋放速率仍較大。因此，當外加熱輻射通量增加時，絕緣紙板將面臨著更為嚴峻的火災隱患，對于長期高溫運行的變壓器或處在高溫等極端條件下的變壓器，需要做好火災事故初期的應急預案，防患于未然。

3 結論

采用錐形量熱計試驗研究了絕緣紙板在外加熱輻射通量下燃燒特性，分析了絕緣紙板的著火時間、質量損失和熱釋放速率的情況。結果表明，外加熱輻射通量增加到一定程度時，絕緣紙板質量損失及熱釋放速率均增加較快，其與外加熱輻射通量并非線性關系，在高溫、外加熱輻射通量較大時，應予以重點防護。