電力變壓器的火災起因與消防

1、電力變壓器的火災起因與消防1 引言    綏中發(fā)電有限責任公司是國家"八五"期間重點項目，成套引進俄羅斯×800MW燃煤動力機組，是亞洲單機容量最大的火力發(fā)電廠，本文以該工程電力變壓器火災預防的工程實踐為例。    電力變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著"心臟"的功能，是電力系統(tǒng)不可缺少的重要部件，一旦發(fā)生故障，將導致整個區(qū)域內(nèi)的電力網(wǎng)癱瘓；特別是其器身內(nèi)充有幾十甚至上百噸的絕緣油(作為絕緣、冷卻劑和隔熱用)，在變壓器短時或持續(xù)性故障時間里，將分解出甲烷、乙烷、氫等可燃性氣體，如果產(chǎn)生的可燃氣體

2、數(shù)量或壓力超過變壓器的容許值時，將從變壓器器身的薄弱環(huán)節(jié)噴射出來而造成火災。    電力系統(tǒng)的變壓器系指電力變壓器、并聯(lián)電抗器和消弧線圈等。電力變壓器是根據(jù)電力的輸送、分配和使用需要升高或降低電壓的需要，利用電磁感應原理將交流電從一種電壓等級轉換成另一不同電壓等級的電力設備，是電力系統(tǒng)中輸配電力的主要設備。2 變壓器絕緣油在高溫狀態(tài)下具有可燃物的所有特征    我們知道，若使可燃物或易燃物質(zhì)燃燒，必須具備高于燃點或閃點的溫度、有點火源和助燃物質(zhì)。    就電力變壓器而言，由于其內(nèi)部充裝具有絕緣和散熱雙重作

3、用的絕緣油，電力變壓器運行時的工作油溫一般在5070左右，最高油表面溫度不會超過95，因此，在故障時間里特別是當溫度達到400時就開始產(chǎn)生輕微的分解，如果長時間保持該溫度不變，就會分解出甲烷、乙烷和丙烷等飽含碳氫化合物；若過熱溫度大于400，則變壓器油的分解速度加劇，此時主要產(chǎn)生乙烯、丙烯等不飽和碳氫化合物；當溫度再升高甚至達到800時，變壓器油的分解能力最強；當過熱溫度超過800時，變壓器油幾乎全部分解為氫、甲烷和乙炔。變壓器絕緣油分解產(chǎn)物的活化能、自燃點、最大爆炸力等特性見附表。    變壓器的低能火花放電(如局部放電)，在最初(變壓器油的溫度較低時)將變壓器

4、油分解成氫和甲烷。    電力變壓器硅鋼片的層間絕緣被破壞和鐵芯發(fā)熱，可以使變壓器鐵芯產(chǎn)生局部過熱。其溫度可高達800以上；而變壓器的高能放電可使局部溫度高達3000；這樣的溫度遠高于國標GB261規(guī)定的變壓器油的閉杯閃點135。    由附表可見，電力變壓器絕緣油在高溫狀態(tài)下被氣化后，具備燃燒物的所有燃燒條件：可燃物質(zhì)-絕緣油氣化后產(chǎn)生的各種可燃氣體；高于燃點的溫度-鐵芯持續(xù)發(fā)熱或高能放電；助燃物質(zhì)-變壓器周圍的空氣。附表 變壓器油分解物特性一覽表3 電力變壓器火災的起因    電力設備、線路及變壓器內(nèi)

5、部故障時，都將引起運行中變壓器絕緣油的擊穿，揮發(fā)出低分子烴類或易燃氣體，這些氣體溶解在變壓器油中，就會降低變壓器油的燃點及閃點。但此時變壓器油的溫度遠遠低于國標GB261規(guī)定的變壓器油的閉杯燃點和閃點。    無論是電力變壓器鐵芯產(chǎn)生的持續(xù)高溫，還是高能放電引起的突發(fā)性暫短高溫，只要能使變壓器油的溫度大于400，就會在密閉的變壓器器身內(nèi)部，產(chǎn)生數(shù)量可觀的可燃氣體。產(chǎn)生的可燃氣體數(shù)量及成分與變壓器油的溫度高低有直接的關系(如前述)。變壓器在高溫作用下所生成的可燃氣體，有的直接進入變壓器油枕上部的空間；有的直接被變壓器油溶解(使變壓器油的絕緣強度降低)后再部分的釋放出

6、來；這樣在變壓器油枕上部空間內(nèi)就積聚了大量的可燃氣體，使變壓器油的閃點降低。    在電力系統(tǒng)的設備、線路或變壓器內(nèi)部故障時，如果變壓器的繼電保護(各類保護后述)拒絕動作或動作不及時，將使變壓器油的溫度在極短的時間內(nèi)以極快的速度上升，產(chǎn)生的過量可燃氣體已經(jīng)來不及被變壓器油所溶解，而迅速增加的被氣化的變壓器油體積急劇膨脹，一旦變壓器的器身有薄弱部位(如變壓器瓷套管、器身焊縫、防爆口等處)將破成裂口，使變壓器油及產(chǎn)生的可燃氣體一起從裂口中噴出，噴出的變壓器油及可燃氣體的溫合物在與空氣摩擦接觸后，就產(chǎn)生火焰或爆炸。4 電力變壓器的故障種類和保護措施4.1 電力變壓器內(nèi)部

7、故障的種類    電力變壓器內(nèi)部故障的表現(xiàn)形式、種類很多，但綜合一下可歸納為：4.1.1 變壓器油箱內(nèi)的故障    電力變壓器油箱內(nèi)部的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵芯的燒損等。這些故障對變壓器而言都是十分危險的。因為油箱內(nèi)故障時產(chǎn)生的電火弧，將引起絕緣物質(zhì)的劇烈氣化，從而引起爆炸。運行中的電力變壓器在各種負載熱應力的作用下，或由于偶然的極強應力、潮濕、顆粒沉積、接頭熱逸走等因素都將引起絕緣強度的下降。從而造成不應有的相間短路、匝間短路及接地短路故障。    1989年8月8日

8、安徽洛河電廠升壓站的250MVA單相變壓器(事故相為B相)突然爆炸起火，油箱開裂，40余噸變壓器油全部跑光。事故的起因是高壓繞組線圈換位處對變壓器鐵芯放電，并且還發(fā)現(xiàn)許多絕緣紙有不規(guī)則的放電痕跡，鐵芯柱下部有20余處電弧點痕。此次事故造成該單相變壓器線圈嚴重燒毀，鐘罩變形鼓肚，油箱下部進油管拉斷，導線絕緣燒損，進油道口紙板熏黑。    1991年12月18日北京通洲變電站一臺220 KV、120MVA的電力變壓器著火，大火持續(xù)3.5小時，將變壓器的油及一切可燃物全部燒光。變壓器上方的電源引線燒斷，變壓器的箱體、套管、繞組、鐵芯和附件被燒的面目全非，造成北京大面積停

9、電。4.1.2 變壓器油箱外的故障    變壓器油箱外的故障有套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。    1987年6月5日山東淄博魏家莊220 KV變電所的一臺120MVA的自耦變壓器起火。事故的起因是高壓線路短路，事故的當時，變壓器的縱聯(lián)差動保護及零序差動保護均動作，且220 KV、110KV、35KV側的斷路器都跳閘，著火點在變壓器套管處，油枕不斷向起火點處供油，使火越燒越旺。此次事故雖切斷了全部電源，由于變壓器本身火焰的溫度已經(jīng)高于變壓器油的燃點，且有油枕不斷的供油，在變壓器周圍又有充足的助燃空氣，故使大火一直燃燒

10、到油枕內(nèi)的油全部燒光為止，變壓器內(nèi)部部件全部燒損。1991年江蘇諫壁電廠9號主變的火災事故也屬于這一類型。4.2 電力變壓器在系統(tǒng)上所采取的保護措施    變壓器在電力系統(tǒng)中所處的位置是十分重要的，它的故障與否直接關系到供電的可靠性與安全性，對系統(tǒng)的正常運行起著決定性的作用。所以電力系統(tǒng)對變壓器除采取主保護外，還采取了后備保護，具體可分為：4.2.1瓦斯保護    針對變壓器油箱內(nèi)部的故障如相間短路、匝間短路及接地短路或油面降低，裝設了瓦斯保護，它反應于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作。其中輕瓦斯保護動作于信號，重瓦斯保護動

11、作于跳開變壓器各電源側的斷路器。    規(guī)程規(guī)定800 KVA及以上的油浸式變壓器和400 KVA及以上的車間內(nèi)油浸式變壓器均裝設瓦斯保護。4.2.2 縱差動保護或電流速斷保護    它反應于變壓器繞組、套管及引出線上的故障而動作。系統(tǒng)設計時根據(jù)規(guī)程的要求與變壓器容量的不同，或裝設縱差動保護，或裝設電流速斷保護。    縱差動保護適用的場合，對于并列運行的變壓器，容量為6300 KVA以上時；單獨運行的變壓器容量為10000KVA以上時；發(fā)電廠廠用變壓器和工業(yè)企業(yè)中重要變壓器，容量為6300 KVA以上時

12、。    電流速斷保護用于10000 KVA以下的變壓器，且其過電流保護時限>0.5 s。    對于2000 KVA以上的變壓器，當電流速斷保護的靈敏性不能滿足要求時，也應裝設縱差動保護。4.2.3 外部相間短路保護    對于外部相間短路引起的變壓器過電流，采取的措施有過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護、阻抗保護等。    此外還有外部接地保護、過負荷保護、過勵磁保護及其它保護等。4.3 變壓器事故的預防措施4.3.1 防止

13、變壓器油絕緣老化的措施    不定期的用歐姆表對變壓器進行絕緣吸收比的搖測，通過直流電阻檢測，根據(jù)變壓器相間電阻值參數(shù)的平衡系數(shù)來及早發(fā)現(xiàn)問題，必要時還應對變壓器進行直流泄漏電流值與往年或出廠值的比較，施加交流工頻電壓來進行絕緣強度檢查，同時通過變壓器上層油溫情況，掌握變壓器負荷變異，避免變壓器長期處于負荷高峰運行。4.3.2 防止變壓器油絕緣劣化措施    通過對變壓器介質(zhì)損耗進行檢測，利用氣相色譜來分析變壓器潛伏性故障。氣相色譜法具有靈敏度高、不需要設備停止運行，可以作為監(jiān)測充油設備運行的重要手段。4.3.3 預防變壓器過電壓故障

14、的措施    發(fā)電廠和變電所使用的電力變壓器，一般采用一、二次側裝設避雷器來預防變壓器過電壓，為保證系統(tǒng)的可靠運行還加設電壓二次監(jiān)控裝置。4.3.4 瓷套管破損預防措施    變壓器的瓷套管采用氣密性強、彈性好的耐油件，以防止空氣濕度、氣溫變化對瓷套管的影響。對于受潮的瓷套管及時進行干燥；對損壞的瓷套管及時進行更換。4.3.5 變壓器引線絕緣故障的預防措施    變壓器投運前對高低壓接線柱進行復檢，并將各部位的螺絲擰緊。運行過程中嚴格監(jiān)視變壓器油的油位，以確保變壓器不在少油或缺油狀態(tài)下運行。4.3.6 變

15、壓器磁路故障的預防措施    變壓器磁路故障主要表現(xiàn)在變壓器器芯內(nèi)部的繞組和鐵芯之間。為保證變壓器可靠工作，應確保穿心螺絲、夾板與鐵芯硅鋼片組合之間的空隙小。此外，變壓器鐵芯與大地可靠連接。4.3.7 變壓器分接開關故障的預防措施    對變壓器進行各電壓檔位電壓比、相間直流電阻的比較測試，同時對變壓器進行短路、空載損耗測試，以確保變壓器安全可靠運行。    2000年8月綏中發(fā)電有限責任公司的俄供一臺220 KV 63MVA三相有載調(diào)壓變壓器，試運過程中突然爆炸起火，油箱開裂濃煙滾滾，火舌噴出高達十幾米

16、。消防隊和運行人員立即啟動水霧系統(tǒng)和消防車，10分鐘內(nèi)將大火撲滅。事故的起因是有載調(diào)壓裝置故障所致。此次事故造成該變壓器箱體鼓肚，被燒的面目全非，有載調(diào)壓控制箱全部損壞，低壓側線圈嚴重燒損，變壓器箱體豁口長達40cm。5 電力變壓器火災的預防(探測與報警)    電力變壓器在系統(tǒng)的設計上與實際應用中，根據(jù)不同的需要采取了不同形式的保護措施。如瓦斯保護可以使變壓器的繼電保護動作于油箱內(nèi)所產(chǎn)生的氣體或油流；縱差動保護或電流速斷保護可以使變壓器的繼電保護動作于變壓器繞阻、套管及引出線的故障等等，這些保護措施對預防變壓器的火災具有一定的積極作用。電力系統(tǒng)繼電保護的作用是迅

17、速而有選擇性的切除故障元件。在有選擇性的切除故障元件的同時，并不排除諸如斷路器等電氣設備拒動的可能性，故而在電力系統(tǒng)中又有采取后備保護。電力系統(tǒng)繼電保護的選擇性、速動性、靈敏性及可靠性是互相制約的，也就是說電力系統(tǒng)的繼電保護并不是針對消防而設置，所以不能從根本上保證電力變壓器杜絕火災的發(fā)生。因為當瓦斯保護動作時(就算動作于信號)，變壓器內(nèi)部的可燃氣體已累計到相當?shù)臐舛燃匆烟幵诨馂牡倪吘墸虼吮仨毑扇嶋H上更有意義的火災探測報警與滅火系統(tǒng)，并使之與變壓器的各種繼電保護(主要是瓦斯保護)相互配合，這樣才能從根本上解決電力變壓器發(fā)生火災的問題。    電力變壓器使用的火

18、災探測器材有以下幾種：    5.1 點型電子定溫探測器    采用特制的半導體熱敏電阻(CTR)作為傳感元件，這種探測器的CTR電阻在室溫或正常溫度下具有極高的阻值(可高達100M以上)，隨著環(huán)境溫度的升高，阻值會緩慢下降；當達到設定溫度時，臨界電阻的阻值會雪崩般的下降到幾十，使得信號電流迅速增大，探測器給出報警信號。    點型定溫探測器，是安裝在變壓器的四周的，并使探頭成45°方向朝著變壓器的器身。這種類型的探測器動作于變壓器火災的發(fā)生，它通過對已發(fā)生火災變壓器四周溫度急劇上升數(shù)率的探測發(fā)

19、出報警信號，并依此為依據(jù)控制變壓器滅火系統(tǒng)的工作。因這種探測器存在抗電磁干擾等問題，必須安裝在遠離電力變壓器處，而安裝距離又與電力變壓器的電壓等級有關。同時這種探測器受氣候、溫度和變壓器周圍風速的影響比較大。因此應用于電力變壓器火災探測的點型定溫探測器定溫溫度的選擇就顯得十分重要。如果探測器的定溫溫度選擇的太高，則對變壓器的保護作用自然削弱。若定溫溫度選擇太低，對變壓器的保護是有利的，但定溫探測器動作時并沒有火災發(fā)生形成了誤報。時間久了就會使人們產(chǎn)生逆反心理，而失去對火災自動報警系統(tǒng)的信任，也就失去了安裝火災自動報警系統(tǒng)的意義。5.2 線型纜式感溫探測器    線

20、型纜式感溫探測器是由包敷熱敏絕緣材料的兩根彈性鋼絲，對絞后外敷一根銅線后，繞包帶再外加護套制成。在正常監(jiān)視狀態(tài)下，兩根鋼絲間的阻值接近無窮大。由于終端電阻的存在，電纜中通過微弱的監(jiān)視電流(5 mA)。當環(huán)境溫度上升到額定動作溫度時，其鋼絲間的熱敏材料性能被破壞，絕緣電阻發(fā)生躍變，幾乎短路，火災報警控制器探測到這一報警電流(20mA)后，發(fā)出火災信號。當電纜發(fā)生斷線時，監(jiān)視電流為零，控制器據(jù)此發(fā)出故障預警信號。配加的單芯銅線作為接地保護使用，以防止強電磁場的干擾信號串入感溫電纜影響報警控制器，可提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。    線型纜式感溫探測器電纜的安裝是緊密纏繞

21、在變壓器器身的周圍，螺旋式(或分上、中、下三層)敷設。這種敷設方式不受變壓器電壓等級的影響(但屏蔽線必須良好接地)。因感溫電纜是緊密地纏繞在變壓器器身周圍的，所以當變壓器內(nèi)部的油溫升高時，經(jīng)內(nèi)部熱傳導到達變壓器的器身表面時，即刻被線型纜式感溫探測器所探知，所以能快速反應出變壓器內(nèi)部油溫的變化情況。只要線型纜式感溫探測器的定溫溫度選擇合適，就能可靠的發(fā)出報警信號。由于該種探測器是緊密地纏繞在變壓器的器身上，所以變壓器周圍環(huán)境溫度、風速的變化對其影響不大。5.3 可燃氣體探測器    可燃氣體探測器是采用半導體氣敏元件及先進的微處理器技術的智能器件，它的檢測元件為半導

22、體自然擴散式；報警濃度為氣體爆炸下限濃度的1/4；響應時間為15 s；恢復時間為30 s；預熱時間為5 min。    將可燃氣體探測器的探頭插入到變壓器的油枕或器身的適當部位，當變壓器油持續(xù)在高溫或高能放電作用下發(fā)生分解時，就能即刻探測到，或動作于信號或動作于火災報警。6 電力變壓器的滅火裝置6.1 有關電力變壓器設置滅火裝置的規(guī)定    國家標準規(guī)范和行業(yè)標準規(guī)范中，都提到了電力變壓器裝設水霧滅火裝置。如：    火力發(fā)電廠設計技術規(guī)范規(guī)定："31500 KVA及以上的變壓器宜采用水霧滅火裝

23、置"。    高壓配電裝置設計技術規(guī)程要求："90000 KVA以上的主變壓器，在有條件時宜設置水霧滅火裝置"。    建筑設計防火規(guī)范(GBJ16-87)規(guī)定："單臺容量在40 MW及以上的廠礦企業(yè)可燃油油浸電力變壓器、單臺容量在9 MW及以上的可燃油油浸電力變壓器或單臺容量在125 MW及以上的獨立變電所可燃油油浸電力變壓器應設置水霧滅火裝置"。    火力發(fā)電廠與變電所設計防火規(guī)范規(guī)定："單臺容量300MW機組及以上容量的發(fā)電廠的主變壓器、

24、啟動變壓器、聯(lián)絡變壓器及廠用高壓工作變壓器應設置火災探測報警與滅火系統(tǒng)"；同時還規(guī)定："廠用升壓站90000 KVA及以上的油浸變壓器應設置火災探測報警及水霧滅火系統(tǒng)或其他滅火設施"。    電力設備典型消防規(guī)程規(guī)定："變壓器容量在120MVA及以上時，宜設固定水霧滅火裝置，缺水地區(qū)的變電所及一般變電所宜用固定的1211、二氧化碳或排油充氮滅火裝置"及"單機容量為200MW及以上的發(fā)電廠，其主變壓器和廠用變壓器均應裝設固定水霧滅火裝置"。    電力變壓器的滅火裝置

25、都是固定式的，按已經(jīng)在電廠、變電站廣泛采用的滅火裝置，可分為水噴霧滅火、排油充氮滅火及二氧化碳滅火等。    固定式水噴霧滅火裝置的安裝范圍是：發(fā)電廠31500 KVA及以上的電力變壓器；變電所90000KVA及以上的電力變壓器。    二氧化碳滅火主要適宜于缺水地區(qū)的變電所及一般變電所。    排油充氮滅火裝置是新技術，其安裝范圍在規(guī)程、規(guī)范上尚無具體規(guī)定。6.2 水噴霧滅火裝置6.2.1 水噴霧滅火系統(tǒng)的組成    水噴霧滅火系統(tǒng)可用于撲救固體火災，閃點高于60的液體火災

26、和氣體火災。并可用于可燃氣體及甲、乙、丙類液體的生產(chǎn)、儲存裝置或裝卸設施的防護冷卻。所以水噴霧滅火系統(tǒng)特別適用于電力系統(tǒng)的油浸式電力變壓器、油開關，油浸式電力變壓器的集油坑，電力電纜等的滅火。    水噴霧滅火系統(tǒng)由水源、供水設備、管道、雨淋閥組、過濾器和水霧噴頭等組成，向保護對象噴射水霧滅火或防護冷卻的滅火系統(tǒng)。    水霧噴頭。在一定水壓(用于滅火時不應小于0.35 MPa；用于防護冷卻時不小于0.25 MPa)下，利用離心或撞擊原理將水分解成細小水滴的噴頭。水霧噴頭應布置在變壓器的周圍，而不應布置在變壓器的頂部，且保護變壓器頂部

27、的水霧不應直接噴向高壓瓷套管。    雨淋閥組。由雨淋閥、電磁閥、壓力開關、水力警鈴、壓力表以及配套的通用閥門組成的閥組。    系統(tǒng)的響應時間。由火災自動報警系統(tǒng)發(fā)出火警信號起，至系統(tǒng)中最不利點水霧噴頭噴出水霧的時間：規(guī)程規(guī)定，水噴霧滅火系統(tǒng)用于滅火時不應大于45s；用于防護冷卻時不應大于60 s。6.2.2 水噴霧滅火系統(tǒng)的工作原理    水噴霧系統(tǒng)是一種自動或人工啟動的固定消防管道系統(tǒng)，裝配有專門設計的各類水噴霧頭，能噴出一定速度、密度和水滴大小的水，提供有效的火勢控制、滅火、阻燃或冷卻。同時在其作

28、用時不僅能冷卻暴露面，而且還可以引導氣流向著火方向流動，保護未著火部分的安全。    當火災發(fā)生時，探測器動作發(fā)出火災報警信號，火災報警控制器對報警信號進行判斷后，送出控制信號打開電磁閥，同時啟動消防泵，雨淋閥組前管道的水通過雨淋閥組在噴頭噴出水霧實施滅火。6.2.3 水噴霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點    冷卻效果好 因為水霧在受熱后容易變成蒸汽，在吸熱過程中吸收大量的汽化熱能，所以它的冷卻效果優(yōu)于密集水流。    窒息作用強 水霧和由它轉化的蒸汽具有極強的窒息作用，籠罩于燃燒物的周圍能阻止空氣的補充。 

29、;   電氣絕緣好 因為它的分子并不像密集水流緊密聯(lián)在一起。    遇水會有強烈反應的材料不能使用。如金屬鈉、碳化鈣等不能使用水噴霧滅火，因這些物質(zhì)遇水能產(chǎn)生氫氣、乙炔，如用水霧撲救火災就會引起爆炸。    難以解決的問題有：管道防銹、防雜物、南方防藻FDA5、北方防凍等都是固定式管道水噴霧系統(tǒng)難以解決的問題。6.3 排油注氮滅火裝置6.3.1 排油注氮滅火系統(tǒng)的組成    排油充氮裝置由瓦斯繼電器、感溫探測系統(tǒng)、閥門開啟裝置、放油蝶閥、預應力止回閥、氮儲存與釋放裝置、恒壓器、氮管道、油管道等組成。該裝置的工作電源為直流。    瓦斯繼電器探測到變壓器內(nèi)部的可燃氣體后，根據(jù)可燃氣體的濃度，決定是動作于信號，還是動作于跳開變壓器各側的斷路器。    感溫探測系統(tǒng)動作于變壓器火災，它與瓦斯繼電器組成邏輯與門關系。當瓦斯繼電器與感溫探測系統(tǒng)都動作時，才開啟放油蝶閥，迅速放掉變壓器內(nèi)部的油。    預應力止回閥在油流增大排放時關閉，其作用是隔離變壓器油枕和箱體內(nèi)的油，防止箱體內(nèi)的油溶解油枕內(nèi)的可燃氣體。