主變壓器室泄壓計(jì)算模型探討

鄭耀斌，付光來(lái)，謝 丹，王守潔，任永一

(山東智源電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250021)

在密閉空間里發(fā)生爆炸，如果沒(méi)有泄壓措施，爆炸能量會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)圍護(hù)建筑物的巨大壓力，造成建筑物破壞。如果在圍護(hù)物里合理的設(shè)置一個(gè)泄壓口，包括門、窗、重量60 kg/m2的輕質(zhì)建材等，這些輕質(zhì)維護(hù)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(jié)構(gòu)上的壓力，從而保障建筑物在遭遇爆炸時(shí)的安全性。因此，有爆炸危險(xiǎn)的變壓器室應(yīng)考慮合理的防爆泄壓設(shè)計(jì)。

1 變電站變壓器室爆炸模型分析

1.1 變壓器室爆炸發(fā)生機(jī)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(zhǎng)期工作，容易分解出多種不同的可燃?xì)怏w。經(jīng)過(guò)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(huán)境下產(chǎn)生的氣體主要有氫氣和烴類，如H2、C2H4、C2H2、CH4、C2H6，還有少量長(zhǎng)鏈揮發(fā)物。變壓器設(shè)置有泄壓閥，產(chǎn)生的這些氣體在一般工作狀態(tài)下會(huì)及時(shí)從變壓器泄壓閥排出，在通風(fēng)狀態(tài)良好的情況下，氣體濃度很難達(dá)到爆炸極限以上。主變壓器室產(chǎn)生的氣體體量不大，變壓器油一般基于以下3種原因產(chǎn)生可燃?xì)怏w。

(1)變壓器內(nèi)部絕緣油分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w。在電弧的作用下，絕緣油分解。根據(jù)周遠(yuǎn)翔等人的研究，電弧作用下，其產(chǎn)生的氣體主要為H2和C2H2，大約占了90%，生成的氣體成分詳見(jiàn)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(chǎn)生可燃?xì)怏w。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(huì)產(chǎn)生裂解反應(yīng)，400～600℃會(huì)產(chǎn)生裂化反應(yīng)，而一般油浸式變壓器的上層油溫不會(huì)超過(guò)95℃。因此，條件不足，此種情況可以忽略。

(3)絕緣油在熱條件下?lián)]發(fā)形成可燃?xì)怏w。設(shè)計(jì)工作者在確定變壓器油時(shí)，一般會(huì)選擇沸點(diǎn)較高的絕緣油，這就決定了變壓器中的油體揮發(fā)量很少?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，部分的絕緣油與火焰靠近時(shí)可能揮發(fā)形成少量的氣體，而這種方式產(chǎn)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(huán)境中凝結(jié)成液態(tài)的，或者直接遇火燃燒掉，基本不會(huì)形成可燃?xì)怏w云團(tuán)。

根據(jù)傳統(tǒng)的Baker－Strehlow模型，第一種方式產(chǎn)生的氣體危險(xiǎn)性遠(yuǎn)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?；谏鲜龅谝环N原因產(chǎn)生的氣體同時(shí)具有很大的危險(xiǎn)性和爆炸性。

1.2 現(xiàn)行變壓器室泄壓計(jì)算模型

變電站屬于工業(yè)建筑，按照廠房一類進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50016－2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，對(duì)有爆炸危險(xiǎn)的廠房，規(guī)范給出了推薦的泄壓面積計(jì)算公式，由密閉容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸泄壓的立方體定律和相似原理推導(dǎo)得出。國(guó)際防爆泄壓方面，美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA 68《爆燃泄壓防爆標(biāo)準(zhǔn)》在國(guó)際上具有較高的權(quán)威性和參考價(jià)值。NFPA 68－2013盡管區(qū)分高強(qiáng)度封閉空間和低強(qiáng)度封閉空間，采取不同的計(jì)算公式，但也均是假定空間為封閉空間。

變壓器正常工作產(chǎn)生氣體，變壓器泄壓閥的設(shè)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(qiáng)通風(fēng)設(shè)置，按照構(gòu)造的方式在變壓器室的上方設(shè)置足夠的通風(fēng)散氣窗，在自然通風(fēng)情況下完全可以消散到爆炸極限以下，所以按照廠房和倉(cāng)庫(kù)爆炸模型(達(dá)到一定濃度的爆炸性氣體彌漫于整個(gè)房間內(nèi))進(jìn)行防爆泄壓設(shè)計(jì)并不合理。

目前在電力行業(yè)中針對(duì)變電站的變壓器室的泄壓設(shè)計(jì)并沒(méi)有合適的計(jì)算方法，對(duì)變壓器的爆炸機(jī)理分析的也不夠明確，這使得設(shè)計(jì)人員在遇到此類計(jì)算時(shí)，缺少依據(jù)，設(shè)計(jì)存在較大的隨意性。據(jù)調(diào)查，目前電力行業(yè)不少設(shè)計(jì)單位對(duì)于變壓器室的泄壓面積是基于《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》3.6.4條提供的模型進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)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(guò)這種方法計(jì)算出的泄壓面積普遍偏大，甚至?xí)笥诜块g整面外墻的面積，導(dǎo)致泄壓墻面很難布置，給設(shè)計(jì)造成困難。

1.3 變壓器爆炸模型選取

1.3.1 鍋爐房爆炸機(jī)理

鍋爐爆炸的本質(zhì)是能量釋放，鍋爐中存儲(chǔ)著巨大的能量，一經(jīng)釋放，瞬間轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的機(jī)械能。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，爐膛燃爆，某些受壓元件在使用過(guò)程中達(dá)到極限強(qiáng)度或者鍋爐材料的薄弱處發(fā)生破壞，導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)破裂口，鍋爐中的水及蒸汽會(huì)立即從破口處釋放，即鍋爐爆炸。在這一短暫過(guò)程中，鍋爐內(nèi)的壓力瞬間減小、釋放，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氣體液體劇烈汽化、膨脹，大量的水蒸氣迅速膨脹，鍋爐內(nèi)的壓力迅速再次升高，破裂口進(jìn)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(xiàn)象。鍋爐爆炸時(shí)釋放的巨大能量大部分以沖擊波的形式作用于周圍環(huán)境，對(duì)建筑物和人員造成巨大的破壞。

1.3.2 變壓器爆炸機(jī)理

建設(shè)在城區(qū)的變電站一般要求戶內(nèi)布置，主變壓器是安全隱患最大的設(shè)備，因此主變室是眾多電氣室安全防范的重中之重。因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)儲(chǔ)有大量變壓器油，長(zhǎng)期在較高溫度的環(huán)境下工作，危險(xiǎn)較大，是變電站防火防爆的重點(diǎn)。從變壓器構(gòu)造上來(lái)看，內(nèi)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(diǎn)約為135℃，易蒸發(fā)燃燒，易與空氣混合成易爆混合物。變壓器內(nèi)部有紙板、棉紗、布、木材可燃物作為絕緣襯墊、支架等，在過(guò)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(fā)生分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w，氣體膨脹使變壓器內(nèi)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(jìn)一步擴(kuò)大火災(zāi)，造成更大的破壞。

1.3.3 變壓器室爆炸模型選取

通過(guò)鍋爐爆炸和變壓器爆炸機(jī)理對(duì)比分析，可以得到，鍋爐和變壓器爆炸均是由于內(nèi)部液體氣化導(dǎo)致內(nèi)部壓力劇增，爐體或者變壓器外殼薄弱環(huán)節(jié)破壞，導(dǎo)致爆炸，進(jìn)而引起下一階段的二次爆炸或火災(zāi)，爆炸能量以沖擊波的形式對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

通過(guò)以上分析，顯然主變壓器室存在爆炸危險(xiǎn)，此種爆炸不同于《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中廠房和倉(cāng)庫(kù)的爆炸模型，而近似于鍋爐房爆炸模型。因此，參考《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》15.1.2條：鍋爐房的外墻、樓地面或屋面，應(yīng)有相應(yīng)的防爆措施，并應(yīng)有相當(dāng)于鍋爐間占地面積10%的泄壓面積，見(jiàn)公式(2)：

式中：S為鍋爐房占地面積。

1.4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)以上兩種計(jì)算模型的對(duì)比和分析，得出鍋爐房的爆炸機(jī)理與變壓器的爆炸機(jī)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(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 泄壓設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》3.6.3條，泄壓設(shè)施宜采用輕質(zhì)屋面板、輕質(zhì)墻體和易于泄壓的門、窗等?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》3.6.4條，作為泄壓設(shè)施的輕質(zhì)屋面板和輕質(zhì)墻體的單位質(zhì)量不宜超過(guò)60 kg/m2。此處的單位質(zhì)量，是指泄壓面的綜合單位重量，《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了不同材料的容重?！跺仩t房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)泄壓面積不足時(shí)，鍋爐房的內(nèi)墻和頂部(頂棚)敷設(shè)金屬爆炸減壓板可作為補(bǔ)充。

對(duì)于經(jīng)計(jì)算所需泄壓面積較小的變壓器室，聯(lián)系到消散變壓器正常工作下產(chǎn)生的氣體的要求，選擇通過(guò)設(shè)置百葉窗和通風(fēng)窗的形式兼做泄壓面積，可以同時(shí)達(dá)到泄壓面積要求。

2.2 泄壓計(jì)算實(shí)例

以濟(jì)南某220 kV全戶內(nèi)變電站為例，單個(gè)變壓器室長(zhǎng)17 m，寬11 m，高14.4 m，變壓器容量為240 MVA/臺(tái)，為油式變壓器。

(1)基于《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的模型計(jì)算的泄壓面積：

(2)基于《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的模型計(jì)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(quán)計(jì)算，

表2為兩種計(jì)算模型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。

表2 兩種計(jì)算模型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)計(jì)算對(duì)比，按照鍋爐房爆炸模型計(jì)算的變壓器室泄壓面積較建筑防火規(guī)范模型減小90%以上，顯著降低了工程造價(jià)。

3 結(jié)論

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

(1)變電站變壓器室應(yīng)考慮泄壓設(shè)計(jì)，房間的泄壓計(jì)算應(yīng)選用合適的計(jì)算模型。

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

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