一种模拟特高压换流变压器火灾的实验平台和试验方法与流程

本发明涉及特高压换流变压器灭火技术，尤其涉及一种模拟特高压换流变压器火灾的实验平台和试验方法。

背景技术：

近些年，我国特高压直流输电技术迅猛发展，然而，在特高压输电工程大量投入使用的同时，其火灾防控技术发展滞后，现有常规灭火技术及装备无法满足实际需求，存在较大消防安全隐患，严重影响特高压输电系统的安全运行。因此，特高压换流变压器火灾防控具有重大的工程应用价值和社会经济效益。

开展特高压换流变压器火灾防控，首先要通过开展火灾试验来明确特高压换流变压器火灾的机理特性，对比验证不同灭火系统的灭火效能，为研发科学高效的灭火技术及装备提供支持。因此，非常迫切需要建立特高压换流变压器火灾实验平台和灭火试验方法，开展相关火灾的发生发展过程研究，科学评估灭火装备性能，确定灭火系统工程应用参数等。

实体火试验是验证灭火系统有效性和确定工程应用参数的最科学、最重要手段。目前，国内外尚未针对特高压换流变压器火灾特性和扑救技术及救援装备开展研究，其主要原因之一是缺少特高压换流变压器实体火模型和灭火试验方法。特高压换流变压器因体量大、储油量多、运行温度高、结构特殊、布置密集，发生火灾爆炸事故时破坏力巨大，与常规油浸变压器火灾特性存在显著差异。现有的常规油浸变压器火灾实验平台以小规模火灾为主，其结构尺寸、试验用油量、引燃方式等，均与特高压换流变压器实际火灾存在显著差异，难以科学、客观反映灭火系统对真实火灾的灭火效能。

因此，需要开发一种可模拟特高压换流变压器火灾发生发展过程，具备可重复性，能验证灭火系统灭火效能的特高压换流变压器实体火灾实验平台及灭火试验方法，为特高压换流变压器火灾防控提供理论依据和实验数据支持。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种模拟特高压换流变压器火灾的实验平台和试验方法，实现弥补特高压换流变压器火灾研究手段的不足和空白。实验平台仿照在运特高压换流变压器实际结构特征进行研制，安全可控且可重复实验，并针对平台提出灭火试验方法。该实验平台可模拟特高压换流变压器注油、加热、点火、火灾发展、灭火等过程，能自动采集实验数据，记录实验图像视频，通过更换油箱还可模拟特高压换流变压器带升高座火灾和全液面火灾两种类型火灾场景的引燃、发生、发展及灭火过程等。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种模拟特高压换流变压器火灾的实验平台，其特征在于，所述平台包括变压器系统、加热系统和测试系统三部分，所述变压器系统布置在u型防火墙空间内，变压器系统包括钢结构支架、固定在钢结构支架上的油箱、通过输油管道与油箱连接的油枕、设置在地面并与钢结构支架贴邻的底部油池；

所述加热系统包括油箱电阻外循环加热系统、底部油池电阻加热系统、油枕电阻加热系统和温控柜，其中电阻外循环加热系统包括加热柜，与加热柜连接的进油管道和出油管道，进油管道和出油管道分别通过控制阀与所述油箱连接；底部油池电阻加热系统和油枕电阻加热系统分别固定在所述底部油池和所述油枕内部，并由多个加热管通过电线和信号线与所述温控柜相连。

本发明所述测试系统包括数个温度传感器、数个热流传感器、红外热像仪、数个高清摄像机且分别与平台外部的数据采集分析显示控制系统连接；所述数个温度传感器均匀分布在所述油箱、所述油枕和所述底部油池内部，所述数个热流传感器均匀分布在所述油箱两侧；所述红外热像仪布置在u型防火墙开口侧，并与变压器保持一定距离，用于拍摄火灾时的温度场；所述多个高清摄像机分别布置在所述u型防火墙顶部四个角落和u型防火墙封闭侧墙体内，用于拍摄试验过程。

本发明所述数个温度传感器包括不少于十三组的热电偶串，每组热电偶串包括不少于两个热电偶，并均匀布置在所述油箱、底部油池内部；所述数个热流传感器不少于四个并均匀分布在所述油箱两侧。

本发明所述油箱电阻外循环加热系统采用间接加热方式，包括加热柜、连接加热柜和油箱的进油管道与出油管道、设置在进油管道和出油管道上的控制阀、设置在加热柜底部与加热柜和进油管道连接的高温泵，所述加热柜在顶部开设溢油口和检修口，加热柜内部均匀布置第一加热管组；所述油枕电阻加热系统采用直接加热方式，包括均匀分布在底部油池内部的第二加热管组和多个超温监测传感器，所述第二加热管和多个超温监测传感器均通过信号线连接到温控柜；所述底部油池电阻加热系统采用直接加热方式，包括均匀分布在油枕内部的第三加热管组、第四加热管组和多个超温监测传感器，所述第三加热管组、第四加热管组和多个超温监测传感器均通过信号线连接到温控柜。

本发明所述油箱包括带升高座油箱和全液面油箱两种，所述全液面油箱为由钢板围成的敞口矩形箱体；所述带升高座油箱顶部带盖，在顶部盖子上等间距开设三个用于点火的圆孔。

本发明所述一种应用于模拟特高压换流变压器火灾的实验平台的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）、搭建实验平台，并将需要验证的灭火系统根据实验需要进行安装调试；在开展灭火试验前进行冷喷试验，确保灭火系统能有效覆盖油箱燃烧区域，若不能覆盖燃烧区域，则需调整灭火系统施放装置类型或安装方式。

（2）、安装调试备用灭火设施待用，一旦灭火系统启动较长一段时间后仍无法控灭火，立即启动备用灭火设施扑灭火灾，此次灭火试验判定为失败；并在改变灭火系统供给强度或其他试验条件后，重新试验。

（3）、对所述测试系统进行安装调试，保证其处于预期工作状态。

（4）、对所述油箱、底部油池、油枕加注试验用油。

（5）、按照预定方案启动所述加热系统，对所述油箱、底部油池、油枕内的试验用油进行加热，待达到预定温度时停止加热。

（6）、分别从油箱和油箱两侧底部油池点火，待油箱和油箱底部油池全部被引燃时，开启油枕出口的控制阀，向油箱注入变压器油，在油箱外壁形成溢流火，并开始计时。

（7）、所述试验用变压器油预燃一定时间，以油面充分燃烧判断预燃时间，预燃结束后，启动灭火系统，开始施加灭火介质，计算从灭火系统启动到喷射出灭火介质的时间，即系统响应时间。

（8）、观察并记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度、热辐射参数的变化情况以及灭火介质的喷射、覆盖情况和控灭火效果。

（9）、完成灭火后，记录完成灭火的时间，搜集灭火介质并根据需要测定其相关性能参数，分析影响灭火效能的影响因素和灭火参数。

（10）、待油温降到100℃以下，关闭灭火系统，停止施加灭火介质，记录从完成灭火到油温降到100℃的灭火系统持续供给时间；

（11）、试验结束后，待变压器油冷却至常温后，处理剩余变压器油，清理油箱、底部油池和油枕，准备下次试验。

本发明的有益效果是：可实现对特高压换流变压器真实火灾规模、火灾发展蔓延过程及灭火过程的模拟；通过改变油箱模型，可分别实现带升高座火灾和全液面火灾的模拟重现；通过改变灭火介质和灭火系统设置方式，能对比验证不同灭火系统的灭火效能；通过重现特高压换流变压器火灾，能系统研究其火灾特性，总结影响特高压换流变压器火灾的关键因素，为客观评估不同灭火系统的实际控灭火效果提供理论依据和技术支持，提升特高压换流变压器的火灾防治水平和整体安全运行水平，避免特高压换流变压器特重大火灾事故发生。

附图说明

图1是本发明模拟特高压换流变压器火灾的实验平台结构示意图；

图2是本发明全液面油箱结构示意图；

图3是本发明带升高座油箱结构示意图；

图4是图1中沿a-a剖面示意图；

图5是本发明油箱电阻外循环加热系统结构示意图；

图6是本发明底部油池电阻加热系统结构示意图；

图7是图1中沿b-b剖面的油枕电阻加热系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

参照图1至图7，本实施例提供一种用于模拟特高压换流变压器火灾的实验平台，包括：变压器系统、加热系统以及测试系统。其中，变压器系统包括连接到地面基础上的由五排支撑柱组成的钢结构支架5、直接放置在钢结构支架5顶部的油箱1、直接放置在地面且与钢结构支架5贴邻的底部油池3、固定在u型防火墙4外侧并与油箱1保持一定高度差的油枕2、连接在油枕2底部的输油管道7，输油管道7穿越u型防火墙4并连接到油箱1，底部油池3设有两个，分别是第一底部油池3-1和第二底部油池3-2，在输油管道7上设置电磁阀8；在进行试验时，首先要从全液面油箱1-8和带升高座油箱1-9中选择一种，将其放置在钢结构支架5上，并与油枕2连接；油箱1包括与实际高端±800kv换流变压器尺寸一致的箱体1-1，在u型防火墙封闭侧设置在箱体1-1底部的第一出油口1-2、第二出油口1-3、第三出油口1-4，在u型防火墙开口侧设置在箱体1-1侧面底部的第一进油口1-5、第二进油口1-6、第三进油口1-7；实验前，电磁阀8处于关闭状态，在对油箱进行点火以后，可远程操作电磁阀8打开，油枕2内的变压器油利用高度差产生的自重流入到油箱1。

油箱的选择方法是，研究特高压换流变压器全液面火灾时，只需将全液面油箱1-8放置在钢结构支架5上即可；研究特高压换流变压器带升高座火灾时，需将带升高座油箱1-9放置在钢结构支架5上。

变压器系统布置在由u型防火墙空间内，用于实现模拟变压器油的存储、点火及燃烧发展过程。油箱分为带升高座油箱和全液面油箱两种；带升高座油箱在油箱上部设三个圆孔，用于模拟特高压换流变压器网侧套管爆炸形成的燃烧孔，圆孔直径参照m型升高座与油箱顶面连接孔孔径设计；全液面油箱用于模拟爆炸导致油箱顶部全部敞开后形成的全液面火灾，即模拟网侧套管爆炸形成的最不利情形。油箱和油枕分别固定到钢结构支架上；底部油池直接布置在与钢结构支架贴邻的两侧地面；油枕通过输油管道和电磁阀与油箱连接，其中油枕高度高于油箱。

加热系统包括油箱电阻外循环加热系统6、底部油池电阻加热系统、油枕电阻加热系统以及温控柜，温控柜作为公知技术设备不再详细描述；油箱电阻外循环加热系统6包括加热柜6-1，设置在加热柜顶部的溢油口6-2和检修口6-3，设置在加热柜6-1内部由三十六根加热管组成的第一加热管组6-4，设置在加热柜6-1底部连接进油管道6-11和加热柜6-1的高温泵6-5，设置在出油管道6-12上的第一电动蝶阀组6-6、第二电动蝶阀组6-8、第一手动蝶阀组6-7，设置在进油管道6-11上的第三电动蝶阀组6-10、第二手动蝶阀组6-9；进油管道6-11由三根并行管道组成并分别连接到油箱1上的三个进油口，即第一进油口1-5、第二进油口1-6、第三进油口1-7；出油管道6-12由三根并行管道组成并与油箱1上的三个出油口即第一出油口1-2、第二出油口1-3、第三出油口1-4相连，加热柜6-1通过信号线9连接到温控柜14；高温泵6-5关闭时，第三电动蝶阀组6-10和第二电动蝶阀组6-8应关闭，防止变压器油倒流回加热柜6-1而溢出；第一电动蝶阀组6-6用于控制油箱1内变压器油在出油管道支路上的自循环回流。

加热柜6-1具备一定储油空间，通过加热柜对变压器油加热，利用高温泵6-5将加热柜6-1中的热油通过进油管道6-11输送到油箱1，油箱1内的变压器油在第一电动蝶阀组6-6、第二电动蝶阀组6-8、第一手动蝶阀组6-7的调节下通过出油管道6-12流回加热柜6-1，从而完成对变压器油的循环加热，当油箱1、第一底部油池3-1和第二底部油池3-2以及油枕2内的变压器油温度达到特定值时，通过温控柜14停止加热柜6-1工作，并关闭第一电动蝶阀组6-6、第二电动蝶阀组6-8和第三电动蝶阀组6-10，防止油箱内的变压器油回流。油箱电阻外循环加热系统可实现实时启停、功率调节、升温速率控制、进出油比例调节、声光报警等功能。

油枕电阻加热系统包括第一超温监测传感器2-1、第二超温监测传感器2-2、第三超温监测传感器2-3、第四超温监测传感器2-4、由数根加热管组成的第二加热管组2-5；四个超温监测传感器和第二加热管组2-5分别通过信号线9连接到温控柜14。对油枕内的变压器油加热到特定温度时，通过温控柜14控制油枕电阻加热系统停止工作，并打开电磁阀8，让油枕内的热油依靠重力通过输油管道7流入油箱1。

底部油池电阻加热系统包括第五超温监测传感器3-3、第六超温监测传感器3-4、第七超温监测传感器3-5、第八超温监测传感器3-6、第九超温监测传感器3-7、第十超温监测传感器3-8、第三加热管组3-9、第四加热管组3-10；六个超温监测传感器和两个加热管组分别通过信号线9连接到温控柜14。对底部油池内的变压器油加热到特定温度时，通过温控柜14控制底部油池电阻加热系统停止工作。加热过程中应密切关注油位，并注意油箱周边的人员安全。

加热系统用于实现对油箱、底部油池、油枕内变压器油的加热升温，达到一定温度后引燃，从而模拟热油燃烧情况；油箱电阻外循环加热系统采用间接加热方式，包括加热柜、温控柜、进油管道、出油管道、加热管组、高温泵和控制阀，通过加热柜对变压器油加热，利用高温泵将加热柜中的热油通过进油管道输送到油箱，油箱内的变压器油在控制阀调节下通过出油管道流回加热柜，从而完成对变压器油的循环加热，系统可实现实时启停、功率调节、升温速率控制、进出油比例调节、声光报警等功能；底部油池电阻加热系统采用直接加热方式，包括加热管组、超温监测传感器和信号线；油枕电阻加热系统采用直接加热方式，包括加热管组、超温监测传感器和信号线。

测试系统包括数个温度传感器12、数个热流传感器11、红外热像仪13、数个高清摄像机10，用于实现温度、热流、燃烧过程图像和视频等数据的采集、记录和输出。数个温度传感器12、数个热流传感器11、红外热像仪13、数个高清摄像机10均与平台外部的数据采集分析显示控制系统15连接；数个温度传感器12包括布置在第一底部油池3-1内的第一热电偶串12-1、第二热电偶串12-2、第三热电偶串12-3、第四热电偶串12-4，布置在第二底部油池3-2内的第五热电偶串12-5、第六热电偶串12-6、第七热电偶串12-7、第八热电偶串12-8，布置在油箱箱体1-1内的第九热电偶串12-9、第十热电偶串12-10、第十一热电偶串12-11、第十二热电偶串12-12、第十三热电偶串12-13，每个热电偶串包括分别设置在变压器油内部和液面以上的两个热电偶；数个热流传感器11有四只，第一热流传感器11-1和第二热流传感器11-2均匀布置在油箱1与u型防火墙4封闭侧中间与油箱底部等高处，第三热流传感器11-3和第四热流传感器11-4布置在u型防火墙开口侧距离油箱外壁10米以上且与油箱底部等高处；红外热像仪13为非接触式测温系统，布置在距u型防火墙开口侧30m、距地面1.5m高度处；数个高清摄像机10包括布置在u型防火墙顶部四个角落的第一高清摄像机10-1、第二高清摄像机10-2、第三高清摄像机10-3和第四高清摄像机10-4，以及安装在防火墙4墙体内的第五高清摄像机10-5，第五高清摄像机10-5的高度低于油箱地面，用于监控变压器油箱1的下部空间火情。

特高压变压器火灾模拟实验中，可以开展不同灭火系统的灭火效能验证与评估，可以是固定灭火系统、移动灭火系统或固移结合灭火系统。在验证不同灭火系统灭火效能时，灭火系统的释放装置可以沿u型防火墙布置，也可以根据实验目的，任意布置在变压器周围。点火人员应穿隔热防护服，并做好其他安全保护措施。

试验全部结束后，关闭测试系统和加热系统，待油箱、油枕和底部油池内的变压器油冷却至常温后，整理实验器材，处理剩余变压器油，清理油箱、底部油池和油枕。

应用于模拟特高压换流变压器火灾的实验平台的试验方法包括以下步骤：

（1）按照上述连接关系搭建实验平台，并将需要验证的灭火系统根据实际需求进行安装调试。在开展灭火试验前应进行冷喷试验，确保灭火系统能有效覆盖油箱燃烧区域，若不能覆盖燃烧区域，则需调整灭火系统施放装置类型或安装方式。

（2）安装调试备用灭火设施待用，一旦灭火系统启动较长一段时间后仍无法控灭火，应立即启动备用灭火设施扑灭火灾，此次灭火试验判定为失败。并在改变灭火系统供给强度或其他试验条件后，重新试验。

（3）对所述测试系统进行安装调试，保证其处于预期工作状态。

（4）对油箱、底部油池、油枕加注试验用油。

（5）按照预定方案启动加热系统，对油箱、底部油池、油枕内的试验用油进行加热，待达到预定温度时停止加热。加热过程中应密切关注油位，并注意油箱周边的人员安全。

（6）分别从油箱（全液面油箱直接从油面点火/带升高座油箱从三个圆孔点火）和两侧底部油池点火，待油箱和底部油池全部被引燃时开启油枕出口的控制阀，向油箱注入变压器油，在油箱外壁形成溢流火在，并开始计时。点火人员应穿隔热防护服，并做好其他安全保护措施。

（7）所述试验用变压器油预燃一定时间，通常以油面充分燃烧判断预燃时间，预燃结束后，启动灭火系统，开始施加灭火介质，计算从灭火系统启动到喷射出灭火介质的时间，即系统响应时间。

（8）观察并记录灭火过程中的火焰形态、烟气、温度、热辐射等参数的变化情况以及灭火介质的喷射、覆盖情况和控灭火效果。

（9）完成灭火后，记录完成灭火的时间，搜集灭火介质并根据需要测定其相关性能参数，分析影响灭火效能的影响因素和灭火参数。

（10）待油温降到100℃以下，关闭灭火系统，停止施加灭火介质，记录从完成灭火到油温降到100℃的灭火系统持续供给时间。

（11）试验结束后，待变压器油冷却至常温后，处理剩余变压器油，清理油箱、底部油池和油枕，准备下次试验。