举高喷射灭火机器人灭实体油浸变压器火试验研究.pdf

消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期消防理论研究举高喷射灭火机器人灭实体油浸变压器火试验研究陈涛1,2,3,张鹏1,2,3,张佳庆4,王雨薇1,2,3（1.应急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室，天津 300381；3.天津市消防安全技术重点实验室，天津 300381；4.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601）摘要：为探究压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人处置油浸变压器火灾的有效性，研建了一套 1:1全尺寸实体油浸变压器火灾模型，模拟了主油箱顶部油池火灾、7 个燃烧孔火灾、溢油火灾及底部油池火灾，利用压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人进行了扑救全尺寸实体油浸变压器火试验。试验表明：单独采用一台流量为 1 200 L/min 的压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人，可以扑灭全尺寸实体油浸变压器火灾，163 s 可控制火势，474 s可完全灭火，无复燃。关键词：油浸变压器；火灾模型；压缩空气泡沫；举高喷射灭火机器人；扑救技术中图分类号：TU892；TM41 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）11-1457-05油浸式变压器作为核心电力设备，已广泛应用于各类变电站，如在特高压直流输电工程中即采用油浸换流变压器，其电压等级高、尺寸巨大、工况复杂、运行温度高1-4，且内部及顶部油枕充有大量可燃的变压器油，存在一定的火灾风险，而油浸变压器一旦发生火灾，往往是喷射火、流淌火、油池火并存，兼具石油化工、大跨度、大空间建筑等火灾特性，扑救难度大。火灾易蔓延至阀厅内部和邻近变压器，长时间大面积的燃烧，使阀厅整体或局部存在坍塌风险，对内攻人员人身安全构成极大威胁。压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人结构紧凑，机动性强，操作简便，可灵活调整灭火介质施加高度和方位，在油浸变压器火灾扑救方面，具有良好的应用前景5-9，但关于采用举高喷射灭火机器人扑救油浸变压器火灾时的效能及技术参数的相关研究较少。实体火试验是验证灭火系统有效性和确定灭火应用参数的重要方法。为验证压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人扑救油浸变压器火灾的有效性，笔者搭建了全尺寸实体油浸变压器火灾模型，利用压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人进行了实体火灭火试验，分析探讨了压缩空气 泡 沫 举 高 喷 射 灭 火 机 器 人 的 灭 火 效 能 和 实 战 应 用参数。1试验研究1.1试验模型研建本文研建了一套 1：1 全尺寸实体油浸变压器火灾模型，如图 1所示。底座卵石层主油箱2 5001 000T35T13200T36T14T37T3870T12T11T1T2T3（a）正面输油管道连通加热油枕主油箱底部油池T15T18钢制隔板T25T28T29T34T1T3T19T24T20T23T30T33800502501 000T35T36（b）侧面油池 D油池 C油池 B顶部油池 E燃烧孔300油池 A油池 FT25T15T26T16T27T17T28T18T5T29T19T71 500T21T31T22T32T20T301 200T8T9T10T11、T131 500T24T34T23T33T6T4T12、T14750（c）俯视油池 E350图 1全尺寸实体油浸变压器火灾模型及热电偶布置情况（单位：mm）Fig.1Fire model and thermocouple layout of full size solid oil immersed transformer（Unit:mm）基金项目：国家电网有限公司科学技术项目（5500202120595A-0-5-YS）；国家重点研发计划项目（2022YFC3004900，2022YFC3004903）1457Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11模型包括主油箱、散热器，散热器位于主油箱两端。主油箱尺寸为长 6.5 m宽 3.5 m高 1.5 m，将主油箱顶部的套管拆除，留有 6个400 mm 和 1个500 mm 的燃烧孔，采用变压器用碳钢钢板将油箱分隔成上下两个独立部分，上部充满变压器油，高度约为 250 mm，油枕尺寸为长 2.5 m宽 1.0 m高 1.0 m。参照典型工程进行布置，为保证试验安全，设置一个长 14.5 m宽 9.5 m 的集油坑，并铺满鹅卵石隔火层，将整个全尺寸实体油浸变压器放置于集油坑中心。所研建的火灾模型主要包括主油箱顶部油池火灾、7个燃烧孔火灾、溢油火灾以及底部油池火灾，具体如下：1）5.3 m2主油箱顶部油池火灾。在主油箱顶部设一尺寸为长 5.3 m宽 1.0 m高 0.14 m 的顶部油池，模拟在主油箱顶部凹形区域形成的池火。2）36 m2底部油池火灾。在变压器四周设置 A、B、C、D、E、F 6个独立的油池，其中油池 A、油池 B、油池 D 和油池 E 尺寸为长 4.9 m宽 1.5 m高 0.2 m，油池 C 和油池F 尺寸为长 2.6 m宽 1.6 m高 0.2 m（含支撑柱占用区域），用于模拟主油箱发生事故后在周围形成的火灾。3）1 m2燃烧孔火灾。主油箱顶部分别设有 6个400 mm 燃烧孔和 1个500 mm 燃烧孔，形成燃烧孔火灾，总燃烧面积约 1 m2，用于模拟主油箱顶部套管等损毁后形成的火灾。4）200 L/min 溢油火灾。主油箱和顶部油池均与防火墙后面的高位加热油枕通过 DN 80 输油管道连通，试验时打开输油管道上的电控阀门，可自然卸油到主油箱和顶部油池内。顶部油池上部设有两处溢流口，其中一处位于油池左侧短边，开口为 800 mm，一处位于长边中段，开口为 1 500 mm。自高位加热油枕输送至主油箱和顶部油池的变压器热油分别从燃烧孔、溢油口溢出，用于模拟变压器发生故障炸裂后形成的溢油火灾，采用球阀将溢油流量调节至 200 L/min。试验燃料采用 KI25X 变压器油。油量和油温是影响灭火的关键因素之一，油温越高，火灾越难扑灭。通过对典型火灾事故案例调研、实际运行油温分析和理论计算结果的综合分析，确定将油先预热至 155 后，再分别导入各不同部位内，油枕内油温加热至不低于 90，不同部位用油量如表 1所示。1.2关键参数测量为研究全尺寸实体油浸变压器火灾特性以及灭火过程中火灾发展变化情况，采用热电偶、红外热像仪、高清摄像机及无人机等仪器设备，测量、记录试验过程中温度等关键参数，利用 TP 1000多通道数据采集系统进行实时采集记录。全尺寸实体油浸变压器火灾模型热电偶布置情况如图 1所示，总共布置了 41只热电偶。其中，主油箱内部距离底部 250 mm 靠近中心处均匀布置 3 只，T1T3；主油箱 7个燃烧孔正上方 200 mm 处各布置 1只，共 7只，T4T10；顶部油池内部距离底部 50 mm 靠近中心处布置 2只，T11、T12；顶部油池正上方 200 mm 靠近中心处布置 2 只，T13、T14；底部油池 A、B、D、E 内部距离底部 50 mm 靠近中心处各布置 2 只，共 8 只，T15T18、T20T23；底部油池A、B、D、E 正上方 500 mm 靠近中心处各布置 2 只，共 8只，T25T28、T30T33；底部油池 C、F 内部距离底部 50 mm 靠近中心处各布置 1只，共 2只，T19、T24；底部油池 C、F 正上方 500 mm 靠近中心处各布置 1 只，共 2 只，T29、T34；在主油箱正上方 1 000 mm 处、间距 2 500 mm 均匀布置 4 只，T35T38；在加热罐内距底部高度 0.3、0.6 m 处各布置 1 只，T39、T40；在防火墙外高位加热油枕内距底部100 mm 处布置 1 只，T41，用于测量油枕内油温。采用红外热像仪、高清摄像机及无人机，记录火灾模型热成像、火场温度及整个试验火灾发展过程。1.3试验步骤与工况试验步骤如下：1）调试设备至预设值。压缩空气泡沫产生装置、举高喷射灭火机器人及备用灭火设施安装调试完成待用。试验前，将压缩空气泡沫产生装置的泡沫混合液流量、混合比、气液比预设完毕，启动空气压缩机，并从举高机器人按照灭火试验参数冷喷 1次（10 s），检查确认灭火设备正常待机。2）调试数据采集系统。数据采集系统、红外热像仪、摄像系统、泡沫性能测量装置等安装调试完成待用。每次试验前逐一检查各温度、热辐射测量点，使其处于预期工作状态，发泡倍数和析液时间测量装置准备待用。3）加注变压器油。按照方案预定的数量分别向油枕、主油箱加注变压器油。4）加热变压器油。按照预定方案分别为油枕、主油箱内的变压器油加热，待油枕和加热罐内的变压器油温度分别达到约 110、160 后停止加热，从加热罐向各部位油池注入热油。表 1不同部位用油量Table 1Oil consumption in different parts序号12345678合计模型位置主油箱顶部油池底部油池 A底部油池 B底部油池 D底部油池 E底部油池 C底部油池 F-用油量油层厚度/mm150140707070707070-油体积/m33.50.80.50.50.50.50.20.26.7备 注变压器油量为常温时体积和厚度；主油箱底部垫 100 mm 高的防火砖各部位油量 6.7 m3+溢油量约4 m3，单次试验合计 10.7 m31458消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期5）点火。开启油枕与主油箱之间的电控阀门，油枕内的变压器油通过管道流入主油箱和顶部油池；待主油箱和顶部油池溢油流量达到预设值后，从两侧底部油池、主油箱同时点火，并开始计时。6）启动系统施加泡沫。预燃时间 3 min后，启动压缩空气泡沫产生装置，开始施加泡沫。7）观察灭火情况。观察记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度、热辐射等的变化情况以及泡沫覆盖、控灭火情况。8）测定泡沫性能。完全灭火后，搜集泡沫样品并测定泡沫性能。9）停止供泡。待油温降到 100 以下，关闭灭火系统，停止施加灭火介质，关闭溢油阀，记录持续供给时间。10）清理现场。试验结束后，待变压器油冷却至常温后，处理剩余变压器油，清理模拟油箱、油池。具体灭火试验工况如表 2所示。本试验采用 1台 20 m 高的压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人进行灭火，流量取 1 200 L/min，泡沫炮具有直流、开花两种工作状态，可以遥控转换。2结果与讨论2.1举高喷射灭火机器人灭火效能分析基于搭建的全尺寸实体油浸变压器火灾模型，在基础油温升至 160 后，从加热罐向主油箱和各油池注入热油，待主油箱和顶部油池溢油后，从两侧底部油池、主油箱同时点火，充分预燃后，启动压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人开始灭火，具体灭火过程实况、灭火过程中不同部位变压器油温度变化和灭火试验结果如图 2图 4及表3所示。试验表明，在流量为 1 200 L/min 的工况下，单独采用 1台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人进行灭火，可以完全扑灭全尺寸实体油浸变压器火灾，具体分析如下。预燃 2.2 min 后，油浸变压器各个部位全部发展成全液面火灾，充满整个区域，并产生浓烈黑烟；发展形成了带有溢油火的立体火灾，燃烧猛烈，整个火灾区域的温度都很高，最高温度达到 1 060 以上；预燃 3.5 min后，压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人开始喷射压缩空气泡沫，施加压缩空气泡沫后，整个火灾区域温度迅速下降，在泡沫混合液流量为 1 200 L/min的工况下，持续供泡 2.7 min后，火场最高温度约 540，基本可以实现控火。考虑到火灾已基本被控制，火场温度不高，仅剩部分隐蔽火未扑灭，且无法扑灭，是因为受油浸变压器自身结构遮挡，泡沫无法施加到隐蔽位置，所以操控举高机器人抵近变压器居高临下喷射，并及时将电控泡沫炮从直流状态调整到开花状态继续施加泡沫，将隐蔽部位及溢流火完全覆盖并持续施加泡沫。继续施加泡沫至 7.5 min后，主油箱、底部油池和顶部油池内变压器油温逐渐降至 100 以下；供泡 7.9 min后，火场最高温度约 327，大部分区域温度降至常温，完全灭火。（a）0 s，点火（b）133 s，全液面火灾（c）212 s，喷射泡沫（d）375 s，控火（e）449 s，仅隐蔽火未灭（f）686 s，灭火图 2灭火过程实况图Fig.2Firefighting process fact map持续供泡 9.4 min后停止供泡，主油箱、顶部油池和底部油池内变压器油温分别降低至 96.7、17.9、91.2，各部位热油表面和整个区域建立一层厚厚的泡沫毯，快速冷却降温的同时可防止火灾复燃。2.2举高喷射灭火机器人应用技战术分析结合全尺寸实体油浸变压器灭火试验过程与结果可知，油浸变压器火灾呈现以下特性。1）油浸变压器热油火灾既包括油箱底部周围和顶部油池火，又包括变压器热油自油箱溢出后，沿油箱箱壁形成紧贴壁面的动态的溢油火，再加上箱壁温度高、变压器油迅速汽化成油蒸气，预燃 3 min后形成猛烈燃烧的立体火，热量大、温度高、热辐射强，最高温度可达 1 000 以上，扑救十分困难。表 2灭火试验工况与参数Table 2Fire extinguishing test conditions and parameters灭火系统及方式压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人泡沫混合液流量/L/min1 200气液比8：1主油箱加热最高油温/162点火时油温/117开始灭火时油温/114停止供泡时油温/96.7油枕溢油温度/1091459Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11时间/s0 200 400 600 800 1 00012011010090温度/灭火施加泡沫T1T2T3时间/s0 200 400 600 800 1 0006005004003002001000温度/灭火施加泡沫T11T12时间/s0 200 400 600 800 1 0005004003002001000温度/灭火施加泡沫T15T16T17T18T19T20T21T22T23T24（a）主油箱内油温变化（b）顶部油池内油温变化（c）底部油池内油温变化时间/s0 200 400 600 8001 0001 0008006004002000温度/灭火施加泡沫T4T5T6T7T8T9T10时间/s0 200 400 600 800 1 0001 2001 0008006004002000温度/灭火施加泡沫T13T14T15T16T17T18时间/s0 200 400 600 800 1 0001 2001 0008006004002000温度/灭火施加泡沫T25T26T27T28T29T30T31T32T33T34（d）主油箱燃烧孔内油温变化（e）顶部油池上方温度变化（f）底部油池上方温度变化图 3灭火过程中不同部位变压器油温度变化曲线Fig.3Temperature variation curve of transformer oil in different parts during fire extinguishing process（a）0 s，点火（b）133 s，全液面火灾（c）212 s，喷射泡沫（d）375 s，控火（e）449 s，仅隐藏火未灭（f）686 s，灭火图 4灭火过程红外热像图Fig.4Infrared thermal image of fire extinguishing process2）油浸变压器具有严格的隔音密闭要求，内部各个结构均处在高度封闭状态，着火后起火物质在器身内部，被钢质外壳隔离，灭火介质很难有效作用于部分隐蔽着火点，从而极大增加处置难度，无论是现有固定灭火系统，抑或移动灭火装置都很难快速灭火。如灭火试验中，压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人持续供泡 2.7 min 后，火灾基本被控制，但由于变压器结构的遮挡，仍有部分隐蔽火未扑灭，在不移动机器人情况下，泡沫无法施加到这些隐蔽位置。而操控举高机器人抵近变压器居高临下喷射一定时间后，火灾成功得以彻底扑灭。因 此，在 扑 救 油 浸 变 压 器 火 灾 时，本 文 给 出 以 下建议：1）油浸变压器结构较为复杂，隐蔽、遮挡火灾较难扑灭，在采用“固移结合”的方式施加压缩空气泡沫实现更高效灭火的技战术中，移动灭火装备建议采用压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人，举高喷射灭火机器人的压缩空气泡沫可由固定系统压缩空气泡沫产生装置或压缩空气泡沫消防车提供。例如，采用一台固定压缩空气泡沫炮和一台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人协同灭火，或者采用固定式压缩空气泡沫喷淋系统和一台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人协同灭火，举高喷射灭火机器人的泡沫混合液流量不低于 1 200 L/min。2）在只能采用移动灭火装备的特殊条件下，如固定灭火系统失效时，建议同时使用 2台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人，单台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人的泡沫混合液流量不低于 1 200 L/min。3）无论在何种情况下，利用举高喷射灭火机器人扑救油浸变压器火灾时，一定要充分发挥其机动、灵活的特性，应根据火灾发展情况，及时调整机器人到火场的距离、施加角度与方位以及泡沫炮的直流或开花状态，实现更高效地施加和更快速地控灭火，弥补固定灭火系统、移动消防车等现有装备不足。3结 论1）油浸变压器热油火灾的火灾种类复杂，既包括油箱底部周围和顶部油池火，又包括沿箱壁形成的动态溢油火，火灾热量大、温度高、热辐射强，扑救十分困难，且自身结构较为复杂，存在器身遮挡问题，隐蔽火灾较难扑灭。2）在泡沫混合液流量为 1 200 L/min 条件下，单台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人可以完全扑灭油浸变压表 3灭火试验结果Table 3Fire extinguishing test results泡沫混合液流量/L/min1 200泡沫性能倍数6温度/1525%析液时间/s240预燃时间/min3.5持续供泡时间/min9.4控火时间/s163灭火时间/s4741460消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期器热油火灾，控火时间为 2.7 min，灭火时间为 7.9 min。持续供泡 9.4 min后，可将主油箱、底部油池和顶部油池内变压器油温分别降低至 96.7、91.2、17.9，并在变压器油表面和整个区域建立厚厚的泡沫毯，快速冷却降温的同时可有效防止复燃。3）采用固定灭火系统与移动消防力量联用扑救油浸变压器火灾时，移动灭火装备建议采用压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人。在只能采用移动灭火装备的特殊条件下，建议同时使用 2台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人，单台压缩空气泡沫举高喷射灭火机器人或固定式压缩空气灭火系统的泡沫混合液流量均不低于 1 200 L/min。灭火过程中应充分利用举高喷射灭火机器人的灵活机动性，根据火灾发展情况及时调整泡沫炮高度以及直流或开花状态，实现有效施加和快速灭火。参考文献：1 陈涛,胡成,张佳庆,等.特高压换流变压器水喷雾灭火系统有效性实验研究J.工业安全与环保,2022,48(1):5-9.2 王守江,陈钦佩.特高压换流站变压器灭火系统有效性模拟试验研究J.消防科学与技术,2020,39(8):1124-1127.3 陈光,景伟,王志刚,等.火源功率对室内变压器火灾燃烧特性影响研究J.中国安全生产科学技术,2019,15(7):186-192.4 赖余斌,洪巧章.换流变压器消防设计研究J.消防科学与技术,2021,40(9):1381-1383.5 潘志城,谢志成,邓军,等.换流变阀侧套管含油升高座穿入阀厅的火灾风险分析及优化措施J.电气技术,2019,20(9):105-113.6 高振锡,张凡,高迪,等.特高压直流换流变压器灭火方案探讨J.消防科学与技术,2019,38(8):1106-1107+1116.7 陈涛,胡成,阚梦涵,等.特高压换流变压器泡沫喷雾灭火系统失效分析J.消防科学与技术,2021,40(4):523-526.8 张瑞,袁泉,李学鹏.800 kV 特高压换流站换流变压缩空气泡沫灭火系统设计研究J.青海电力,2020,39(4):46-51.9 陈涛,张佳庆,过羿,等.压缩空气泡沫系统扑救特高压换流变压器全液面溢油火灾试验研究J.消防科学与技术,2023,42(2):226-231.Research on fire fighting technology for UHV converter transformer based on lifting and spraying fire extinguishing robotChen Tao1,2,3,Zhang Peng1,2,3,Zhang Jiaqing4,Wang Yuwei1,2,3(1.Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China;2.Key Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and Public Building,Ministry of Emergency Management,Tianjin 300381,China;3.Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology,Tianjin 300381,China;4.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Anhui Hefei 230601,China)Abstract:In order to explore the effectiveness of compressed air foam aerial fire fighting robot in dealing with oil immersed transformer fires,this paper developed a 1：1 full-scale oil immersed transformer fire model,simulated the oil pool fire at the top of the main oil tank,7 combustion holes,oil spill fire and bottom oil pool fire,and conducted a full-scale oil immersed transformer fire suppression test using a compressed air foam aerial fire fighting robot.The result shows that a compressed air foam aerial fire fighting robot with a flow rate of 1 200 L/min can extinguish the fire of full-scale oil immersed transformer,control the fire in 163 s,and completely extinguish the fire in 474 s without re burning.Key words:oil immersed transformer;fire model;compressed air foam;aerial fire fighting robot;extinguishing technology作者简介：陈 涛(1980-)，男，河南新蔡人，应急管理部天津消防研究所副研究员，硕士，主要从事灭火剂及灭火技术研究，天津市南开区卫津南路 110号，300381。收稿日期：2023-04-01（责任编辑：邢玉军）1461