氣云爆炸條件下消防炮的抗爆性能研究

張佳慶 黃玉彪 陳清 王永旭 李斌

[關鍵詞]特高壓輸電；氣云爆炸；消防炮；抗爆性能

0引言

特高壓輸電是世界上最先進的輸電技術，由于輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少，被譽為電力高速公路。在輸電線路的建設過程中，需要考慮經濟輸送距離，完成輸電站總體布局，統籌解決電力資源與負荷中心分布的不均勻性問題。

在輸電線路變電站的建設過程中，油浸變壓器是最常見、選用最多的電力變壓器。油浸變壓器使用變壓器油作為絕緣和冷卻介質。變壓器油是由不同分子量的碳氫化合物組成的混合物。在變壓器的運行中，在高溫、電場和電弧作用下，這些化合物中的C-H．C-C鍵發生斷裂，會產生氫氣和甲烷、乙烷、乙烯、乙炔之類的烴類氣體；同時，固體絕緣分解，也會產生一氧化碳。在正常情況下，即使變壓器內部這種可燃氣體含量較高，也不會引起燃燒。但在故障電弧的作用下，變壓器油分解，變壓器內部可燃氣體劇增，壓力瞬間增大，導致器身結構破壞，從而變壓器油、可燃氣體等混合物噴出，引發器身內殘留的變壓器油繼續分解和爆燃。當泄露的熱解產物混合氣體與空氣混合后點燃，可能會發生更嚴重的二次爆炸，對人員和設備造成危險，給社會經濟帶來嚴重損失。

為避免這一類事故的發生，在變電站的設計施工中，本質安全設計和安全措施方面的考慮尤為重要。在此基礎上，一旦事故發生，將事故控制在一定范圍內，減少事故帶來的損失和防止事故擴大化也是一項重要課題。消防炮是遠距離撲救火災的重要消防設備，主要用來撲救石油化工企業、飛機庫、郵輪、油碼頭、海上鉆井平臺和儲油平臺等可燃易燃液體集中、火災危險性大、消防人員不易接近的場所的火災。針對變壓器油氣云爆炸事故，重點開展消防炮在變壓器油氣云爆炸作用下的響應情況研究，能夠為指導此類工況下消防炮的設計改造、提供新型的變壓器油爆炸消防措施奠定基礎。

1變壓器油氣云爆炸模擬試驗

1.1變壓器油氣云爆炸試驗裝置設計

基于已有的變壓器爆炸事故數據，在靜爆載荷作用下，變壓器內的絕緣油會噴射而出，噴射過程伴隨火光出現，噴射形成的云霧最大擴散距離為3.0～3.5m。在此條件下，利用氣云爆炸方法設計相關容器并模擬變壓器內部的爆炸過程。

結合已有氣云爆炸模擬試驗的經驗，設計模擬試驗裝置如圖1所示。

試驗場地為南京理工大學靜爆試驗場。試驗前，將地面平整壓實，將模擬試驗裝置放置在離地懸空1.6m處。起爆藥裝填至模擬試驗裝置中心，利用雷管引爆中心裝藥，使得油料拋撒成云霧。云霧在拋撒過程中邊分散、邊燃爆，實現變壓器裝置失控爆炸的全過程模擬。

1.2典型變壓器油氣云爆炸過程

利用設計的變壓器油拋撒裝置，通過系統試驗確定變壓器油氣云爆炸的設計參數。具體試驗工況如表1所示。

考慮到實際變壓器油的噴射距離為3.0～3.5m和云霧邊緣的燃爆超壓約為100kPa這2個參數指標，變壓器試驗油量選擇在10～20L時，能夠實現需要的變壓器油的噴射半徑。

根據試驗需求，采用高速攝像機、紅外熱成像儀和超壓測試系統，分別捕捉變壓器油氣云爆炸全過程、溫度場數據和超壓場數據。高速攝像系統為日本Photron公司的UXIOO型高速攝像機，拍攝速率為2000s-1：紅外熱成像儀為美國Flir公司的A615防爆型，拍攝速率為30s-1，記錄溫度范圍為0～2000℃：超壓測試系統為美國PCB公司的113系列傳感器和瑞士ELSYS公司的數據采集系統，采集頻率1MHz。

通過系統模擬試驗，獲得合適的變壓器油拋撒效果。典型的變壓器油拋撒和燃爆過程圖像如圖2所示。

研究發現，當變壓器油的試驗油量為10L及以上時，油料拋撒及燃爆半徑均在3.5m左右，符合變壓器燃爆模擬試驗的需求。距爆源不同位置處的壓力如表2所示。

從變壓器油拋撒半徑和實測壓力可以看出，變壓器油氣云爆炸過程中距爆源2～7m均能夠實現超壓從30～130kPa的覆蓋范圍，在此范圍內能對人員和設備造成不同程度的傷害。對比已有變壓器油氣云爆炸事故數據可知，利用自行設計的變壓器油拋撒裝置，能夠較好地模擬變壓器油爆炸的實際情況。

2消防炮抗氣云爆炸性能試驗

2.1消防炮抗爆性能試驗設計

基于建立的典型變壓器油氣云爆炸模擬試驗方法，結合外場中變壓器油氣云爆炸的實際過程，以市場上通用的消防炮為模型，開展消防炮抗爆性能試驗研究，評估消防炮抗爆效果并提出改進建議。

在試驗裝置一側互成900的2條線布置地面傳感器，分別距裝置1、2、4、5、7m，與地面平齊。消防炮系統放置于距爆心5m的壓力測點處。試驗時，將高速攝像機、超壓測試系統、紅外熱成像儀放置在安全距離處，對樣品進行拍攝，并獲得沖擊波壓力和溫度場數據。每次試驗結束后，對消防炮進行功能性驗證，主要驗證遙控控制與水流噴射是否正常。

2.2試驗結果分析

2.2.1消防炮抗氣云爆炸過程

以消防炮為研究對象，高速攝像機記錄的氣云爆炸過程如圖3所示。

從圖3可以看出，變壓器油的燃爆對消防炮的作用是一個瞬時過程。50ms時，發生爆燃的絕緣油云霧便完全包裹住消防炮及附屬部件。隨后，中心火焰向四周迅速擴散。200ms時，火焰處于最旺盛的階段，會對消防炮造成巨大破壞。此時，消防炮的抗爆能力主要依靠消防炮的機械強度。隨后，消防炮持續受到云霧燃爆火焰的高溫作用，高溫可持續800ms。此時，溫度場的持續作用會影響消防炮的耐久性。

2.2.2爆炸狀態場測試結果

1）沖擊波超壓場。氣云爆炸的沖擊波超壓見表3。

可以看出，消防炮系統的迎爆面沖擊波超壓約為95kPa，壓力隨著爆心距的增大而先增大、后減小。距離爆心1m處的沖擊波超壓比較小，這是因為該測點處于云霧中心區域，空氣含量相對較少，發生爆燃后的燃燒不充分。壓力最大值出現在2.0m處，在此距離內，云霧燃爆會對消防炮造成較大的破壞。

2）溫度場。氣云爆炸過程中消防炮炮頭和電機處的溫度見圖4。

從圖4可以看出：常規型消防炮炮頭處的最高溫度為490.00℃；電機處最高溫度為498.75℃；溫度持續時間均超過10s。

2.2.3氣云爆炸前后消防炮狀態分析

試驗前、后消防炮及關鍵部件的照片對比如圖5所示。

通過系統檢查和分析發現，由于消防炮線纜未做金屬鎧裝防爆設計，僅用耐高溫管道進行包裹，在壓力和高溫的耦合作用下，線纜出現破損情況，在發生燃爆事故時極易出現通訊失效和控制失靈的情況。經過功能性測試發現，目前消防炮的遠程控制功能和噴水功能正常，但由于線纜破損和控制機構受強振動沖擊，存在失能風險。由于炮頭以及電機裸露程度較大，更易受燃爆過程的壓力載荷作用，在高溫的作用下，出現了電機損壞的情況，此時消防炮將徹底無法使用。

2.3基于消防炮抗爆試驗結果的消防炮防爆措施

根據氣云爆炸條件下消防炮抗爆性能研究結果，結合文獻調研工作，提出消防炮防護要求和結構設計及安裝的改進措施如下：

1）為保證發生燃爆事故時可以起到滅火作用，消防炮應安裝在距爆心3m以上的位置。

2）消防炮需要固定在地面或其他固定物上，除需用膨脹螺栓固定外，還需對連接處進行加固處理，使消防炮更加牢固。

3）為滿足燃爆事故發生時通訊及控制正常，需要對消防炮的連接線纜進行加固處理，以防受到沖擊后插頭脫落。如焊接、注膠等加固措施。

4）在發生燃爆事故時，消防炮上負責控制轉向的電機存在失效的可能，需設計保護裝置進行保護，降低沖擊波對消防炮的破壞作用。

5）消防炮的連接線纜綁扎成束且固定牢靠，線纜除了進行耐高溫處理外，還需進行金屬鎧裝保護設計，以確保在發生燃爆事故時不會出現斷裂、短路的情況。

3結論

圍繞特高壓輸電站變壓器安全問題，開展了氣云爆炸條件下消防炮抗爆性能研究，得到結論如下：

1）自行設計了變壓器油氣云爆炸試驗裝置，并完成了試驗效果驗證，能夠較好地模擬真實變壓器爆炸相關參數。

2）針對消防領域常用的消防炮，開展了抗氣云爆炸試驗，通過沖擊波壓力、熱威力及樣品狀態對比分析發現，現有消防炮在氣云爆炸條件下損傷明顯，最薄弱環節在線纜處，安裝方式同樣需要改進。

3）基于試驗研究結果，提出了消防炮防爆措施，用于指導未來抗爆型消防炮的研制。