电力变压器的火灾起因与消防.docx

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电力变压器的火灾起因与消防

电力变压器的火灾起因与消防

1　引言

   绥中发电有限责任公司是国家＂八五"期间重点项目,成套引进俄罗斯2×800MＷ燃煤动力机组，是亚洲单机容量最大的火力发电厂，本文以该工程电力变压器火灾预防的工程实践为例。

   　电力变压器在电力系统中发挥着"心脏"的功能，是电力系统不可缺少的重要部件，一旦发生故障,将导致整个区域内的电力网瘫痪;特别是其器身内充有几十甚至上百吨的绝缘油（作为绝缘、冷却剂和隔热用），在变压器短时或持续性故障时间里，将分解出甲烷、乙烷、氢等可燃性气体,如果产生的可燃气体数量或压力超过变压器的容许值时,将从变压器器身的薄弱环节喷射出来而造成火灾。

   电力系统的变压器系指电力变压器、并联电抗器和消弧线圈等。

电力变压器是根据电力的输送、分配和使用需要升高或降低电压的需要,利用电磁感应原理将交流电从一种电压等级转换成另一不同电压等级的电力设备,是电力系统中输配电力的主要设备。

2　变压器绝缘油在高温状态下具有可燃物的所有特征

   　我们知道，若使可燃物或易燃物质燃烧，必须具备高于燃点或闪点的温度、有点火源和助燃物质。

   就电力变压器而言，由于其内部充装具有绝缘和散热双重作用的绝缘油,电力变压器运行时的工作油温一般在50℃~70℃左右，最高油表面温度不会超过９5℃,因此，在故障时间里特别是当温度达到4０0℃时就开始产生轻微的分解，如果长时间保持该温度不变,就会分解出甲烷、乙烷和丙烷等饱含碳氢化合物;若过热温度大于400℃,则变压器油的分解速度加剧，此时主要产生乙烯、丙烯等不饱和碳氢化合物；当温度再升高甚至达到80０℃时,变压器油的分解能力最强；当过热温度超过800℃时，变压器油几乎全部分解为氢、甲烷和乙炔。

变压器绝缘油分解产物的活化能、自燃点、最大爆炸力等特性见附表。

   变压器的低能火花放电（如局部放电），在最初（变压器油的温度较低时）将变压器油分解成氢和甲烷。

   电力变压器硅钢片的层间绝缘被破坏和铁芯发热，可以使变压器铁芯产生局部过热。

其温度可高达800℃以上;而变压器的高能放电可使局部温度高达3０00℃；这样的温度远高于国标GＢ261规定的变压器油的闭杯闪点１35℃。

   由附表可见,电力变压器绝缘油在高温状态下被气化后，具备燃烧物的所有燃烧条件：

可燃物质-绝缘油气化后产生的各种可燃气体;高于燃点的温度-铁芯持续发热或高能放电；助燃物质-变压器周围的空气。

附表变压器油分解物特性一览表

３电力变压器火灾的起因

   电力设备、线路及变压器内部故障时,都将引起运行中变压器绝缘油的击穿，挥发出低分子烃类或易燃气体,这些气体溶解在变压器油中,就会降低变压器油的燃点及闪点。

但此时变压器油的温度远远低于国标GB261规定的变压器油的闭杯燃点和闪点。

   无论是电力变压器铁芯产生的持续高温，还是高能放电引起的突发性暂短高温,只要能使变压器油的温度大于４０0℃，就会在密闭的变压器器身内部,产生数量可观的可燃气体。

产生的可燃气体数量及成分与变压器油的温度高低有直接的关系（如前述）。

变压器在高温作用下所生成的可燃气体,有的直接进入变压器油枕上部的空间;有的直接被变压器油溶解（使变压器油的绝缘强度降低）后再部分的释放出来；这样在变压器油枕上部空间内就积聚了大量的可燃气体,使变压器油的闪点降低。

   在电力系统的设备、线路或变压器内部故障时，如果变压器的继电保护（各类保护后述）拒绝动作或动作不及时,将使变压器油的温度在极短的时间内以极快的速度上升，产生的过量可燃气体已经来不及被变压器油所溶解，而迅速增加的被气化的变压器油体积急剧膨胀,一旦变压器的器身有薄弱部位（如变压器瓷套管、器身焊缝、防爆口等处）将破成裂口,使变压器油及产生的可燃气体一起从裂口中喷出,喷出的变压器油及可燃气体的温合物在与空气摩擦接触后,就产生火焰或爆炸。

4　电力变压器的故障种类和保护措施

４．1电力变压器内部故障的种类

   电力变压器内部故障的表现形式、种类很多，但综合一下可归纳为:

4．1.1 变压器油箱内的故障

   电力变压器油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。

这些故障对变压器而言都是十分危险的。

因为油箱内故障时产生的电火弧,将引起绝缘物质的剧烈气化,从而引起爆炸。

运行中的电力变压器在各种负载热应力的作用下，或由于偶然的极强应力、潮湿、颗粒沉积、接头热逸走等因素都将引起绝缘强度的下降。

从而造成不应有的相间短路、匝间短路及接地短路故障。

   198９年８月8日安徽洛河电厂升压站的25０MVA单相变压器（事故相为B相）突然爆炸起火,油箱开裂，40余吨变压器油全部跑光。

事故的起因是高压绕组线圈换位处对变压器铁芯放电，并且还发现许多绝缘纸有不规则的放电痕迹，铁芯柱下部有20余处电弧点痕。

此次事故造成该单相变压器线圈严重烧毁，钟罩变形鼓肚，油箱下部进油管拉断，导线绝缘烧损，进油道口纸板熏黑。

   1991年1２月18日北京通洲变电站一台220　ＫV、120MVA的电力变压器着火，大火持续3．5小时，将变压器的油及一切可燃物全部烧光。

变压器上方的电源引线烧断,变压器的箱体、套管、绕组、铁芯和附件被烧的面目全非，造成北京大面积停电。

４.1.2 变压器油箱外的故障

   变压器油箱外的故障有套管和引出线上发生相间短路和接地短路。

   　19８7年６月5日山东淄博魏家庄２２０KV变电所的一台１20ＭVＡ的自耦变压器起火。

事故的起因是高压线路短路，事故的当时,变压器的纵联差动保护及零序差动保护均动作,且2２０KV、110KV、35KV侧的断路器都跳闸,着火点在变压器套管处,油枕不断向起火点处供油,使火越烧越旺。

此次事故虽切断了全部电源，由于变压器本身火焰的温度已经高于变压器油的燃点,且有油枕不断的供油，在变压器周围又有充足的助燃空气,故使大火一直燃烧到油枕内的油全部烧光为止，变压器内部部件全部烧损。

1991年江苏谏壁电厂9号主变的火灾事故也属于这一类型。

4．2 电力变压器在系统上所采取的保护措施

   变压器在电力系统中所处的位置是十分重要的,它的故障与否直接关系到供电的可靠性与安全性,对系统的正常运行起着决定性的作用。

所以电力系统对变压器除采取主保护外，还采取了后备保护，具体可分为:

4.２.1瓦斯保护

   　针对变压器油箱内部的故障如相间短路、匝间短路及接地短路或油面降低，装设了瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。

其中轻瓦斯保护动作于信号,重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。

   规程规定800KＶA及以上的油浸式变压器和400　KVA及以上的车间内油浸式变压器均装设瓦斯保护。

４.2.2纵差动保护或电流速断保护

   它反应于变压器绕组、套管及引出线上的故障而动作。

系统设计时根据规程的要求与变压器容量的不同,或装设纵差动保护,或装设电流速断保护。

   纵差动保护适用的场合，对于并列运行的变压器，容量为６30０　ＫVA以上时；单独运行的变压器容量为１00００KVA以上时;发电厂厂用变压器和工业企业中重要变压器，容量为6３00ＫVＡ以上时。

   电流速断保护用于10０00ＫVA以下的变压器,且其过电流保护时限>0.5s。

   对于200０KVA以上的变压器,当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时,也应装设纵差动保护。

４.2．3　外部相间短路保护

   对于外部相间短路引起的变压器过电流，采取的措施有过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流及单相式低电压起动的过电流保护、阻抗保护等。

   此外还有外部接地保护、过负荷保护、过励磁保护及其它保护等。

４.3变压器事故的预防措施

4.３.1防止变压器油绝缘老化的措施

   不定期的用欧姆表对变压器进行绝缘吸收比的摇测，通过直流电阻检测,根据变压器相间电阻值参数的平衡系数来及早发现问题，必要时还应对变压器进行直流泄漏电流值与往年或出厂值的比较,施加交流工频电压来进行绝缘强度检查，同时通过变压器上层油温情况，掌握变压器负荷变异,避免变压器长期处于负荷高峰运行。

４.3.２防止变压器油绝缘劣化措施

   　通过对变压器介质损耗进行检测，利用气相色谱来分析变压器潜伏性故障。

气相色谱法具有灵敏度高、不需要设备停止运行，可以作为监测充油设备运行的重要手段。

4.３.３预防变压器过电压故障的措施

   　发电厂和变电所使用的电力变压器，一般采用一、二次侧装设避雷器来预防变压器过电压，为保证系统的可靠运行还加设电压二次监控装置。

4．3.4瓷套管破损预防措施

   变压器的瓷套管采用气密性强、弹性好的耐油件，以防止空气湿度、气温变化对瓷套管的影响。

对于受潮的瓷套管及时进行干燥;对损坏的瓷套管及时进行更换。

4.３.5变压器引线绝缘故障的预防措施

   变压器投运前对高低压接线柱进行复检，并将各部位的螺丝拧紧。

运行过程中严格监视变压器油的油位，以确保变压器不在少油或缺油状态下运行。

4.3.6变压器磁路故障的预防措施

   变压器磁路故障主要表现在变压器器芯内部的绕组和铁芯之间。

为保证变压器可靠工作,应确保穿心螺丝、夹板与铁芯硅钢片组合之间的空隙小。

此外,变压器铁芯与大地可靠连接。

４.3.7　变压器分接开关故障的预防措施

   对变压器进行各电压档位电压比、相间直流电阻的比较测试，同时对变压器进行短路、空载损耗测试,以确保变压器安全可靠运行。

   2000年8月绥中发电有限责任公司的俄供一台220KV63MVA三相有载调压变压器，试运过程中突然爆炸起火，油箱开裂浓烟滚滚,火舌喷出高达十几米。

消防队和运行人员立即启动水雾系统和消防车,10分钟内将大火扑灭。

事故的起因是有载调压装置故障所致。

此次事故造成该变压器箱体鼓肚,被烧的面目全非,有载调压控制箱全部损坏，低压侧线圈严重烧损,变压器箱体豁口长达４0ｃm。

５电力变压器火灾的预防（探测与报警）

   电力变压器在系统的设计上与实际应用中,根据不同的需要采取了不同形式的保护措施。

如瓦斯保护可以使变压器的继电保护动作于油箱内所产生的气体或油流;纵差动保护或电流速断保护可以使变压器的继电保护动作于变压器绕阻、套管及引出线的故障等等,这些保护措施对预防变压器的火灾具有一定的积极作用。

电力系统继电保护的作用是迅速而有选择性的切除故障元件。

在有选择性的切除故障元件的同时，并不排除诸如断路器等电气设备拒动的可能性，故而在电力系统中又有采取后备保护。

电力系统继电保护的选择性、速动性、灵敏性及可靠性是互相制约的，也就是说电力系统的继电保护并不是针对消防而设置，所以不能从根本上保证电力变压器杜绝火灾的发生。

因为当瓦斯保护动作时（就算动作于信号），变压器内部的可燃气体已累计到相当的浓度即已处在火灾的边缘，因此必须采取实际上更有意义的火灾探测报警与灭火系统,并使之与变压器的各种继电保护（主要是瓦斯保护）相互配合，这样才能从根本上解决电力变压器发生火灾的问题。

   电力变压器使用的火灾探测器材有以下几种:

   5．1点型电子定温探测器

   采用特制的半导体热敏电阻（CTR）作为传感元件,这种探测器的CTＲ电阻在室温或正常温度下具有极高的阻值（可高达１00MΩ以上）,随着环境温度的升高,阻值会缓慢下降；当达到设定温度时,临界电阻的阻值会雪崩般的下降到几十Ω,使得信号电流迅速增大,探测器给出报警信号。

   点型定温探测器,是安装在变压器的四周的,并使探头成4５°方向朝着变压器的器身。

这种类型的探测器动作于变压器火灾的发生,它通过对已发生火灾变压器四周温度急剧上升数率的探测发出报警信号，并依此为依据控制变压器灭火系统的工作。

因这种探测器存在抗电磁干扰等问题，必须安装在远离电力变压器处,而安装距离又与电力变压器的电压等级有关。

同时这种探测器受气候、温度和变压器周围风速的影响比较大。

因此应用于电力变压器火灾探测的点型定温探测器定温温度的选择就显得十分重要。

如果探测器的定温温度选择的太高，则对变压器的保护作用自然削弱。

若定温温度选择太低,对变压器的保护是有利的，但定温探测器动作时并没有火灾发生形成了误报。

时间久了就会使人们产生逆反心理，而失去对火灾自动报警系统的信任，也就失去了安装火灾自动报警系统的意义。

5．２线型缆式感温探测器

   线型缆式感温探测器是由包敷热敏绝缘材料的两根弹性钢丝，对绞后外敷一根铜线后,绕包带再外加护套制成。

在正常监视状态下,两根钢丝间的阻值接近无穷大。

由于终端电阻的存在,电缆中通过微弱的监视电流（≤5ｍＡ）。

当环境温度上升到额定动作温度时，其钢丝间的热敏材料性能被破坏，绝缘电阻发生跃变,几乎短路，火灾报警控制器探测到这一报警电流（≤２０mA）后，发出火灾信号。

当电缆发生断线时,监视电流为零,控制器据此发出故障预警信号。

配加的单芯铜线作为接地保护使用,以防止强电磁场的干扰信号串入感温电缆影响报警控制器,可提高系统的安全性和可靠性。

   　线型缆式感温探测器电缆的安装是紧密缠绕在变压器器身的周围,螺旋式（或分上、中、下三层）敷设。

这种敷设方式不受变压器电压等级的影响（但屏蔽线必须良好接地）。

因感温电缆是紧密地缠绕在变压器器身周围的,所以当变压器内部的油温升高时，经内部热传导到达变压器的器身表面时,即刻被线型缆式感温探测器所探知，所以能快速反应出变压器内部油温的变化情况。

只要线型缆式感温探测器的定温温度选择合适，就能可靠的发出报警信号。

由于该种探测器是紧密地缠绕在变压器的器身上，所以变压器周围环境温度、风速的变化对其影响不大。

5.3可燃气体探测器

   可燃气体探测器是采用半导体气敏元件及先进的微处理器技术的智能器件,它的检测元件为半导体自然扩散式；报警浓度为气体爆炸下限浓度的1／4；响应时间为15　s;恢复时间为30　s；预热时间为5min。

   　将可燃气体探测器的探头插入到变压器的油枕或器身的适当部位,当变压器油持续在高温或高能放电作用下发生分解时，就能即刻探测到,或动作于信号或动作于火灾报警。

6　电力变压器的灭火装置

6.1有关电力变压器设置灭火装置的规定

   国家标准规范和行业标准规范中,都提到了电力变压器装设水雾灭火装置。

如：

   　《火力发电厂设计技术规范》规定:

"3１500ＫVA及以上的变压器宜采用水雾灭火装置"。

   《高压配电装置设计技术规程》要求:

"９00０0KVA以上的主变压器，在有条件时宜设置水雾灭火装置"。

   　《建筑设计防火规范》（GＢJ16－87）规定：

＂单台容量在40ＭW及以上的厂矿企业可燃油油浸电力变压器、单台容量在9MW及以上的可燃油油浸电力变压器或单台容量在125MW及以上的独立变电所可燃油油浸电力变压器应设置水雾灭火装置＂。

   《火力发电厂与变电所设计防火规范》规定：

"单台容量３0０ＭＷ机组及以上容量的发电厂的主变压器、启动变压器、联络变压器及厂用高压工作变压器应设置火灾探测报警与灭火系统";同时还规定：

"厂用升压站90000KVA及以上的油浸变压器应设置火灾探测报警及水雾灭火系统或其他灭火设施"。

   　《电力设备典型消防规程》规定:

＂变压器容量在１20ＭVＡ及以上时，宜设固定水雾灭火装置,缺水地区的变电所及一般变电所宜用固定的1211、二氧化碳或排油充氮灭火装置"及"单机容量为2００MＷ及以上的发电厂，其主变压器和厂用变压器均应装设固定水雾灭火装置＂。

   电力变压器的灭火装置都是固定式的,按已经在电厂、变电站广泛采用的灭火装置，可分为水喷雾灭火、排油充氮灭火及二氧化碳灭火等。

   　固定式水喷雾灭火装置的安装范围是:

发电厂31500　KVA及以上的电力变压器;变电所90０00KＶA及以上的电力变压器。

   二氧化碳灭火主要适宜于缺水地区的变电所及一般变电所。

   排油充氮灭火装置是新技术,其安装范围在规程、规范上尚无具体规定。

6.2水喷雾灭火装置

6.2.1水喷雾灭火系统的组成

   　水喷雾灭火系统可用于扑救固体火灾，闪点高于6０℃的液体火灾和气体火灾。

并可用于可燃气体及甲、乙、丙类液体的生产、储存装置或装卸设施的防护冷却。

所以水喷雾灭火系统特别适用于电力系统的油浸式电力变压器、油开关，油浸式电力变压器的集油坑,电力电缆等的灭火。

   水喷雾灭火系统由水源、供水设备、管道、雨淋阀组、过滤器和水雾喷头等组成,向保护对象喷射水雾灭火或防护冷却的灭火系统。

   　水雾喷头。

在一定水压（用于灭火时不应小于0.35　ＭPa;用于防护冷却时不小于0.25　MPａ）下,利用离心或撞击原理将水分解成细小水滴的喷头。

水雾喷头应布置在变压器的周围，而不应布置在变压器的顶部,且保护变压器顶部的水雾不应直接喷向高压瓷套管。

   雨淋阀组。

由雨淋阀、电磁阀、压力开关、水力警铃、压力表以及配套的通用阀门组成的阀组。

   系统的响应时间。

由火灾自动报警系统发出火警信号起,至系统中最不利点水雾喷头喷出水雾的时间:

规程规定,水喷雾灭火系统用于灭火时不应大于４5ｓ；用于防护冷却时不应大于60s。

6．2.2水喷雾灭火系统的工作原理

   水喷雾系统是一种自动或人工启动的固定消防管道系统，装配有专门设计的各类水喷雾头，能喷出一定速度、密度和水滴大小的水，提供有效的火势控制、灭火、阻燃或冷却。

同时在其作用时不仅能冷却暴露面，而且还可以引导气流向着火方向流动，保护未着火部分的安全。

   当火灾发生时,探测器动作发出火灾报警信号，火灾报警控制器对报警信号进行判断后,送出控制信号打开电磁阀,同时启动消防泵,雨淋阀组前管道的水通过雨淋阀组在喷头喷出水雾实施灭火。

6.２.3　水喷雾灭火系统的优缺点

   冷却效果好因为水雾在受热后容易变成蒸汽，在吸热过程中吸收大量的汽化热能，所以它的冷却效果优于密集水流。

   窒息作用强水雾和由它转化的蒸汽具有极强的窒息作用,笼罩于燃烧物的周围能阻止空气的补充。

   电气绝缘好因为它的分子并不像密集水流紧密联在一起。

   　遇水会有强烈反应的材料不能使用。

如金属钠、碳化钙等不能使用水喷雾灭火，因这些物质遇水能产生氢气、乙炔,如用水雾扑救火灾就会引起爆炸。

   难以解决的问题有：

管道防锈、防杂物、南方防藻FDＡ５、北方防冻等都是固定式管道水喷雾系统难以解决的问题。

6.３排油注氮灭火装置

６.3.１排油注氮灭火系统的组成

   排油充氮装置由瓦斯继电器、感温探测系统、阀门开启装置、放油蝶阀、预应力止回阀、氮储存与释放装置、恒压器、氮管道、油管道等组成。

该装置的工作电源为直流。

   瓦斯继电器探测到变压器内部的可燃气体后,根据可燃气体的浓度,决定是动作于信号,还是动作于跳开变压器各侧的断路器。

   感温探测系统动作于变压器火灾,它与瓦斯继电器组成逻辑与门关系。

当瓦斯继电器与感温探测系统都动作时，才开启放油蝶阀，迅速放掉变压器内部的油。

   　预应力止回阀在油流增大排放时关闭,其作用是隔离变压器油枕和箱体内的油,防止箱体内的油溶解油枕内的可燃气体。

   　恒压阀是决定氮气储存与释放装置是否向变压器充氮的关键部件,放油阀打开后，使管路内的油压发生变化，使恒压阀动作,氮气储存装置释放出的氮气通过多孔管道从变压器底部吹入变压器内。

6.3.2排油注氮系统的工作原理

   变压器内部故障产生高温使变压器油分解出大量气体（如前述），迫使瓦斯继电器动作,发出相应的信号和指令。

当故障严重使变压器着火时，并联安装在变压器上部的火灾探测器同时动作,随后阀门开启装置动作,使放油蝶阀打开,将变压器油顶部的油迅速排放掉；预应力止回阀在油流增大排放时关闭,将油枕的油和箱体内的油断开。

放油阀打开后造成原管路内油压的变化,使恒压器动作，氮气释放阀重锤落下,氮瓶内的氮气以1MPａ的压力从变压器底部两侧多孔管吹入,使变压器箱体内的油翻腾，促使上部油温迅速下降。

油排出后留下的空间被氮气充满，将着火的油面与空气隔绝,使着火的油在短时间内熄灭。

6.3.3排油注氮灭火装置的优缺点

   排油充氮装置的工作全过程无须人的介入,即从火灾发生、氮自动进入变压器到火的熄灭都是自动完成的。

   该装置在火灾时能自动将变压器油枕与本体的油隔开，由于灭火是从变压器箱体内部开始的,所以灭火速度快、损失小。

且灭火后充氮仍然留在油箱内,能够保证油不会重燃。

由于该装置采用了直流工作电源，所以不受交流停电的影响。

该装置可随时进行模拟试验,且不会对变压器产生损坏或留下隐患。

   　由于整个装置是密封的,所以不存在防锈、杂物、藻菌、防冻等问题。

   主要缺点是工程造价太高，虽然我国保定变压器厂和常州电力机械厂有生产，且价格下降到进口价的40%。

但受投资额的限制，应用的比较少。

参考文献：

［1］《火灾自动报警系统设计规范》　中国计划出版社

［２]《火力发电厂与变电站设计防火规范》中国计划出版社

［3］　《自动喷水灭火系统设计规范》中国计划出版社

［4]　《火力发电厂设计技术规程》中国电力出版社

［5］《建筑设计防火规范》中国计划出版社

［６]《高压配电装置设计技术规程》　中国电力出版社

[7］《消防燃烧原理》刘永基辽宁人民出版社1992年

[8］《电力设备典型消防规程》中国电力出版社

［9］《电力系统继电保护原理》贺家李　宋从矩水利电力出版社

［１0］《排油注氮设备使用说明书》　常州电力机械厂