admin管理员组文章数量:866648
本发明公开了一种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，包括对水雾参数初步设计；模拟灭火试验并对初步设计的水雾参数进行优化；对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计；设计施放距离，保证带电灭火的安全。本发明提供的这种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，针对电力变压器火灾的具体应用，全面考虑水雾带电安全性条件和高效灭火要求，提出针对于电力变压器火灾的水雾带电高效灭火装备设计与应用方法，为电力变压器火灾带电高效灭火装备的设计与应用提供可行的方案，而且本发明方法全面考虑了电力变压器的工作环境参数，设计结果更加准确，安全和可靠。
1.一种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，包括如下步骤：S1.根据带电灭火的安全性要求，对水雾的参数进行初步设计；S2.根据步骤S1设计的水雾参数，针对电力变压器火灾的具体类型进行火灾模拟灭火试验，从而对初步设计的水雾参数进行优化；S3.根据步骤S2优化后的水雾参数，对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计；S4.设计水雾对电力变压器中的带电端的施放距离，从而保证带电灭火的安全。
2.根据权利要求1所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于步骤S1所述的安全性要求，具体为防止电力变压器的高压套管之间或套管对地发生闪络跳闸断电。
3.根据权利要求2所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于所述的安全性要求，具体为水雾发生击穿闪络现象时的击穿场强不小于相同条件下空气发生击穿闪络现象时的击穿场强的0.9倍。
4.根据权利要求3所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于所述的最高耐受电压采用电力变压器的额定电压；所述的电极模型采用喷头-高压套管模型；所述的大气压力为采用如下原则进行选取：海拔2000m以下的地区的大气压力选定为101kPa，海拔2000m以上的地区的大气压力选定为80kPa；而且大气的温度固定为20℃，大气的湿度固定为50％；所述的雾霾污染等级采用国标规定的三级雾霾污染等级，高压套管污秽等级采用国标规定的五级污秽等级。
5.根据权利要求4所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于步骤S1所述的根据带电灭火的安全性要求对水雾的参数进行初步设计，具体为根据最高耐受电压、水剂电导率、大气压力和电极模型，模拟电力变压器应用环境中的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的参数进行初步设计。
6.根据权利要求5所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于步骤S1所述的对水雾的参数进行初步设计，具体为设计水雾雾滴的参数包括体积特征直径、索太尔平均粒径、雾滴浓度和雾滴三维速度。
7.根据权利要求6所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于步骤S2所述的电力变压器火灾的具体类型，具体为采用如下规则确定火灾类型：电力变压器的火灾类型确定为B类油火；火灾的模拟燃烧物采用25#或40#的石蜡基变压器油或环烷基变压器油。
8.根据权利要求7所述的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，其特征在于步骤S3所述的对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计，具体为采用如下步骤进行设计：A.按照如下公式进行水雾喷头设计：
技术领域
本发明具体涉及一种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法。
背景技术
随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。但是，近些年，随着全球能源互联网和特高压电网的加快建设，电力火灾频发，常造成大规模、长时间停电事故，严重影响电网安全运行。电力火灾防治需要同时满足带电灭火和高效灭火的要求，因此防治难度高，是火灾防治领域中的国际性难题。
电力变压器内部含有大量烃类矿物油，可燃性强，发生故障时存在起火、爆炸危险。变压器是电力能源互联网动力枢纽，一旦发生火灾，将引发大面积、长时间停电事故，防护风险不容忽视。现有的电力变压器火灾防治，均采用的固定式灭火系统，而现今大量使用的水喷淋和泡沫喷淋固定式灭火系统(如专利CN203108057U)采用导电性强的喷淋水和泡沫，不能实现带电灭火，且误动作时易引发短路跳闸，存在很大运行风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对电力变压器火灾设计的，能够进行带电灭火且保障系统安全的针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法。
本发明提供的这种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，包括如下步骤：
S1.根据带电灭火的安全性要求，对水雾的参数进行初步设计；
S2.根据步骤S1设计的水雾参数，针对电力变压器火灾的具体类型进行火灾模拟灭火试验，从而对初步设计的水雾参数进行优化；
S3.根据步骤S2优化后的水雾参数，对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计；
S4.设计水雾对电力变压器中的带电端的施放距离，从而保证带电灭火的安全。
步骤S1所述的安全性要求，具体为防止电力变压器的高压套管之间或套管对地发生闪络跳闸断电。
所述的安全性要求，具体为水雾发生击穿闪络现象时的击穿场强不小于相同条件下空气发生击穿闪络现象时的击穿场强的0.9倍。
步骤S1所述的根据带电灭火的安全性要求对水雾的参数进行初步设计，具体为根据最高耐受电压、水剂电导率、大气压力和电极模型，模拟电力变压器应用环境中的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的参数进行初步设计。
所述的最高耐受电压采用电力变压器的额定电压。
所述的电极模型采用喷头-高压套管模型。
所述的大气压力为采用如下原则进行选取：海拔2000m以下的地区的大气压力选定为101kPa，海拔2000m以上的地区的大气压力选定为80kPa；而且大气的温度固定为20℃，大气的湿度固定为50％。
所述的雾霾污染等级采用国标规定的三级雾霾污染等级，高压套管污秽等级采用国标规定的五级污秽等级。
步骤S1所述的对水雾的参数进行初步设计，具体为设计水雾雾滴的参数包括体积特征直径、索太尔平均粒径、雾滴浓度和雾滴三维速度。
步骤S2所述的电力变压器火灾的具体类型，具体为采用如下规则确定火灾类型：电力变压器的火灾类型确定为B类油火；火灾的模拟燃烧物采用25#或 40#的石蜡基变压器油或环烷基变压器油。
步骤S3所述的对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计，具体为采用如下步骤进行设计：
A.按照如下公式进行水雾喷头设计：
式中qi为单一喷头的流量，K为喷头的流量系数，P为喷头的设计工作压力；
B.按照如下公式进行管道传输系统设计：
式中Q为灭火装置的设计流量，n为喷头的总数，qi为第i个喷头的流量，i为自然数；
C.按照如下公式进行压力系统设计：
H＝∑h+P0+hz
式中H为水泵扬程或系统入口的供给压力，∑h为管道沿程和局部水头损失的累计值，P0为最不利水雾喷射点的工作压力(最不利水雾喷射点为因距离压力源最远、输送距离最长或垂直距离最高所造成的喷头喷雾压力最低的点)，hz为最不利水雾喷射点与最低水雾或系统水平供水引入管中心线之间的扬程差；
其中管道沿程和局部水头损失包括管道水头损失、装备阀门水头损失和管件局部水头损失；
管道水头损失采用如下公式进行计算：
式中hg为摩擦阻力损失，f为摩擦系数，L为管道长度，ρ为液体密度，Q为流量，d为管道直径；
摩擦系数f为根据雷诺数查询莫迪图得到；雷诺数为采用如下公式进行计算：
式中Re为雷诺数，μ为绝对动力粘度；
D.设计自动灭火装置的控制系统，从而实现自动灭火。
步骤S4所述的对带电端的施放距离进行设计，具体为采用如下原则进行设计：将现有的电力设备的安全距离除以带电安全校正系数从而得到水雾环境下的安全距离，并根据水雾环境下的安全距离设计水雾施放距离；所述带电安全校正系数定义为水雾击穿电压与同条件下空气击穿电压之间的比值。
本发明提供的这种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，针对电力变压器火灾的具体应用，全面考虑水雾带电安全性条件和高效灭火要求，提出针对于电力变压器火灾的水雾带电高效灭火装备设计与应用方法，为电力变压器火灾带电高效灭火装备的设计与应用提供可行的方案，而且本发明方法全面考虑了电力变压器的工作环境参数，设计结果更加准确，安全和可靠。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的实施例中的水雾参数初始化设计参数示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的方法流程图：本发明提供的这种针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法，包括如下步骤：
S1.根据带电灭火的安全性要求，对水雾的参数进行初步设计；
所述的安全性要求具体为防止电力变压器的高压套管之间或套管对地发生闪络跳闸断电；由于水雾的存在，则防止闪络跳闸断电的具体体现为：水雾发生击穿闪络现象时的击穿场强不小于相同条件下空气发生击穿闪络现象时的击穿场强的0.9倍；
而对水雾的参数进行初步设计，具体为根据最高耐受电压、水剂电导率、大气压力和电极模型，模拟电力变压器应用环境中的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的参数进行初步设计；
在具体实施时，最高耐受电压采用电力变压器的额定电压；
电极模型采用喷头-高压套管模型；
大气压力的选取原则为：大气压力影响水雾击穿电压。大气压力越低，击穿电压越低。但是，对于非青藏高原、云贵高原等高海拔地区而言，大气压力的差别较小；因此，海拔2000m以下的地区的大气压力选定为101kPa，海拔 2000m以上的地区的大气压力选定为80kPa；而且大气的温度固定为20℃，大气的湿度固定为50％；
雾霾污染等级采用国标规定的三级雾霾污染等级，高压套管污秽等级采用国标规定的五级污秽等级；
由于灭火的水剂一旦选定就不会更改，因此水剂的电导率为选定的灭火水剂的电导率，其为一个定值；
此外，对水雾的参数进行初步设计，具体为设计水雾雾滴的参数包括体积特征直径Dv99、索太尔平均粒径SMD、雾滴浓度和雾滴三维速度；
在研究过程中，应用环境的雾霾污染等级和高压套管污秽等级显著影响水雾的绝缘性能，其中雾霾污染等级影响水雾的击穿电压，高压套管污秽等级显著影响水雾对变压器高压套管的延面闪络电压。而且，对于全国各地相类似海拔地区，雾霾污染等级和高压套管污秽等级差别明显，因此需要针对性研究和设计。针对不同的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，适合带电灭火的水雾雾滴参数具有明显差异。因此，在进行初步设计时，根据应用环境的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的带电安全性进行初始化设计，绘制符合带电安全标准的雾滴参数区间图：该图以雾霾污染等级和高压套管污秽等级划分区域，再划分区域内研究带电安全的雾滴参数区间，具体如图2所示；图中的Dv99 为体积特征直径，Dv90为体积分布中90％所对应的粒度，SMD为索太尔平均粒径，K值为水雾击穿电压与同条件空气击穿电压的比值；
S2.根据步骤S1设计的水雾参数，针对电力变压器火灾的具体类型进行火灾模拟灭火试验，从而对初步设计的水雾参数进行优化；
电力变压器火灾的具体类型确定为：电力变压器的火灾类型确定为B类油火；火灾的模拟燃烧物采用25#或40#的石蜡基变压器油或环烷基变压器油；
在火灾模拟灭火试验时，在大型人工环境实验室中进行，该实验室中的大气压力、温湿度、雾霾污染等级和高压套管污秽等级等参数均人为可控，大气压力的调节采用大气压力调节系统，实验室的温湿度采用温湿度控制系统调节，雾霾污染采用雾霾发生装置模拟，高压套管污秽采用国标规定的方法进行涂覆模拟；
S3.根据步骤S2优化后的水雾参数，对电力变压器的水雾带电灭火装置进行设计；灭火装备中的水雾喷头流量和总流量设计参考现有的GB50898-2013标准，水力设计参考现有的GB 50898-2013、GB 50151-2010和NFPA 750标准，以及Darcy-Weis-bach(达西-魏茨)公式，具体为采用如下步骤进行设计：
A.按照如下公式进行水雾喷头设计：
式中qi为单一喷头的流量，K为喷头的流量系数，P为喷头的设计工作压力；
B.按照如下公式进行管道传输系统设计：
式中Q为灭火装置的设计流量，n为喷头的总数，qi为第i个喷头的流量，i为自然数；
C.按照如下公式进行压力系统设计：
H＝∑h+P0+hz
式中H为水泵扬程或系统入口的供给压力，∑h为管道沿程和局部水头损失的累计值，P0为最不利水雾喷射点的工作压力(最不利水雾喷射点为因距离压力源最远、输送距离最长或垂直距离最高所造成的喷头喷雾压力最低的点)，hz为最不利水雾喷射点与最低水雾或系统水平供水引入管中心线之间的扬程差；
其中管道沿程和局部水头损失包括管道水头损失、装备阀门水头损失和管件局部水头损失；
管道水头损失采用如下公式进行计算：
式中hg为摩擦阻力损失，f为摩擦系数，L为管道长度，ρ为液体密度，Q为流量，d为管道直径；
摩擦系数f为根据雷诺数查询莫迪图得到；雷诺数为采用如下公式进行计算：
式中Re为雷诺数，μ为绝对动力粘度；
D.设计自动灭火装置的控制系统，从而实现自动灭火；
S4.设计水雾对电力变压器中的带电端的施放距离，从而保证带电灭火的安全；具体为采用如下原则进行设计：将现有的电力设备的安全距离(比如110kV 的带电安全距离时1.5m，220kV的带电安全距离是3.0m)除以带电安全校正系数从而得到水雾环境下的安全距离，并根据水雾环境下的安全距离设计水雾施放距离；所述带电安全校正系数定义为水雾击穿电压与同条件下空气击穿电压之间的比值。
以下结合两个实施例对本发明方法进行进一步说明：
实施例一：唐山某220kV户外无人值守变压器带电高效灭火装置设计
1)唐山某220kV户外无人值守变压器水雾电压等级为220kV，由于采用固定灭火装置灭火，且无人值守，因此，只需要满足防止变压器高压套管之间或套管对地闪络跳闸断电这一种安全要求。
2)已知该变压器电压等级为220kV，即最高耐受电压为220kV；该变压器处于海拔小于150m的区域，因此采用101kPa的标准大气压力；采用的灭火水剂电导率为400μs/cm；电极模型采用喷头-高压套管模型。
3)开展水雾的绝缘性能试验；细水雾发生泵组产生各雾滴参数可调的细水雾；采用PDPA测量雾滴参数；采用电源模块产生高压；采用大气压力调节装置调节大气压力，采用温湿度控制系统控制环境温度为20℃，湿度为50％。采用雾霾发生装置模拟雾霾污染，采用涂覆法对绝缘套管进行涂覆污秽。试验的击穿电压测试利用50％耐受电压的方法测量水雾击穿电压值。模拟应用环境的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的带电安全性进行初始化设计，绘制符合带电安全标准的雾滴参数区间图，以及带电安全校正系数K值图；
4)由于唐山属于中国重工业基地，环境污染严重，雾霾污染等级达到2-3 级，高压套管污秽等级达到3-4级，因此，该地符合带电安全要求标准的雾滴参数区间为Dv99:<325mm；Dv90：<450mm；SMD：<538mm；雾滴浓度：<6g/m2·s；雾滴三维速度：<7m/s；K值：0.91。
5)针对火灾的具体类型，开展火灾模拟试验，获得水雾可实现带电高效灭火的雾滴直径优化参数。变压器油火灾为B类火灾，利用油火模型模拟变压器火灾。户外电力变压器火灾属于户外火灾，因此模拟有风工况.唐山地区的设计风速为4级，符合该地常年的较大风力水平。获得模拟火灾灭火效率与雾滴参数的关系。再在上一步骤中获得的可应用于带电灭火的雾滴直径参数区段中，优化选择水雾带电高效灭火的雾滴直径量参数，使水雾同时具有带电灭火和高效灭火性能，该参数为：Dv99:280-300mm；Dv90：400mm；SMD：488mm；雾滴浓度：6g/m2·s；雾滴三维速度：5-6m/s；。
5)利用以上设计获得的水雾带电高效灭火的雾滴直径优化参数，对水雾带电灭火装置进行综合设计，包括水雾喷头的设计、装置压力系统设计、管道传输系统、自动带电灭火系统设计。具体设计过程如下：
①水雾喷头设计。通过调节喷头K系数、压力、流量值，设计喷头雾滴参数基本符合设计参数。单一喷头流量qi根据如下公式计算：
计算得到单一喷头的流量qi＝15L/min。
②管道传输系统设计。采用50喷头设计，因此，管道总流量设计依据如下公式计算：
计算得Q＝750L/min。
根据管道直径设计要求为：管道中的液体流速优选小于5m/s，管径选择为 80mm。管道材质选用不锈钢管。
③装置压力系统设计。灭火装备的供给压力采用如下公式计算：
H＝∑h+P0+hz
其中，∑h＝hg(管道水头损失)+hf(装备阀门、管件等局部水头损失)，式中：H为水泵扬程或系统入口的供给压力(MPa)，装备阀门、管件等局部水头损失hf利用现行国标GB 50084和GB 50219条文说明的数据计算，获得∑h＝2MPa；
P0为最不利水雾喷射点的工作压力，取值为装备的最高压力7MPa；hz为最不利水雾喷射点与最低水雾或系统水平供水引入管中心线之间的扬程差，取值为5MPa。
最终计算获得水泵扬程或系统入口的供给压力H＝7+5+2＝14MPa。该值为装备设计所需的扬程压力。压力系统选择柱塞泵作为压力泵组。
④控制灭火装置的自动感应灭火，实现带电高效灭火。
6)根据带电安全校正系数K值图，设计水雾施放距离和装备安装距离参数，保证带电安全要求。220kV空气下的带电安全距离为3.0m。因此，根据以上获得的K值0.91，本实施例的水雾带电安全距离和设备安装距离设计为3.3m，满足带电安全要求。
实施例2：海口某220kV户外无人值守变压器带电高效灭火装置设计与应用方法
1)通具体实施例一相似，海口某220kV户外无人值守变压器水雾电压等级为220kV，由于采用固定灭火装置灭火，且无人值守，因此，只需要满足防止变压器高压套管之间或套管对地闪络跳闸断电这一种安全要求。
2)已知该变压器电压等级为220kV，即最高耐受电压为220kV；该变压器处于海拔小于150m的区域，因此采用101kPa的标准大气压力；采用的灭火水剂电导率为400μs/cm；电极模型采用喷头-高压套管模型。
3)开展水雾的绝缘性能试验；细水雾发生泵组产生各雾滴参数可调的细水雾；采用PDPA测量雾滴参数；采用电源模块产生高压；采用大气压力调节装置调节大气压力，采用温湿度控制系统控制环境温度为20℃，湿度为50％。采用雾霾发生装置模拟雾霾污染，采用涂覆法对绝缘套管进行涂覆污秽。试验的击穿电压测试利用50％耐受电压的方法测量水雾击穿电压值。模拟应用环境的雾霾污染等级和高压套管污秽等级，对水雾的带电安全性进行初始化设计，绘制符合带电安全标准的雾滴参数区间图，以及带电安全校正系数K值图；
4)由于海口属于中国海滨城市，环境污染轻，雾霾污染等级达到0-1级，高压套管污秽等级达到0-1级，因此，该地符合带电安全要求标准的雾滴参数区间为Dv99:<399mm；Dv90：<615mm；SMD：<868mm；雾滴浓度：<10g/m2·s；雾滴三维速度：<10m/s；K值：0.99。
5)针对火灾的具体类型，开展火灾模拟试验，获得水雾可实现带电高效灭火的雾滴直径优化参数。变压器油火灾为B类火灾，利用油火模型模拟变压器火灾。户外电力变压器火灾属于户外火灾，因此模拟有风工况。海口地区的设计风速为5级，符合该地常年的较大风力水平。获得模拟火灾灭火效率与雾滴参数的关系。再在上一步骤中获得的可应用于带电灭火的雾滴直径参数区段中，优化选择水雾带电高效灭火的雾滴直径量参数，使水雾同时具有带电灭火和高效灭火性能，该参数为：Dv99:310mm；Dv90：580mm；SMD：641mm；雾滴浓度：9g/m2·s；雾滴三维速度：8-9m/s；。
5)利用以上设计获得的水雾带电高效灭火的雾滴直径优化参数，对水雾带电灭火装置进行综合设计，包括水雾喷头的设计、装置压力系统设计、管道传输系统、自动带电灭火系统设计。具体设计过程如下：
①水雾喷头设计。通过调节喷头K系数、压力、流量值，设计喷头雾滴参数基本符合设计参数。单一喷头流量qi根据如下公式计算：
计算得到单一喷头的流量qi＝12L/min。
②管道传输系统设计。采用60喷头设计，因此，管道总流量设计依据如下公式计算：
计算得Q＝720L/min。
根据管道直径设计要求为：管道中的液体流速优选小于5m/s，管径选择为80mm。管道材质选用不锈钢管。
③装置压力系统设计。灭火装备的供给压力采用如下公式计算：
H＝∑h+P0+hz
其中，∑h＝hg(管道水头损失)+hf(装备阀门、管件等局部水头损失)，式中：H为水泵扬程或系统入口的供给压力(MPa)，装备阀门、管件等局部水头损失hf利用现行国标GB 50084和GB 50219条文说明的数据计算，获得∑h＝2MPa；
P0为最不利水雾喷射点的工作压力，取值为装备的最高压力6MPa；hz为最不利水雾喷射点与最低水雾或系统水平供水引入管中心线之间的扬程差，取值为5MPa。
最终计算获得水泵扬程或系统入口的供给压力H＝6+5+2＝13MPa。该值为装备设计所需的扬程压力。压力系统选择柱塞泵作为压力泵组。
④控制灭火装置的自动感应灭火，实现带电高效灭火。
6)根据带电安全校正系数K值图，设计水雾施放距离和装备安装距离参数，保证带电安全要求。220kV空气下的带电安全距离为3.0m。因此，根据以上获得的K值0.99，本实施例的水雾带电安全距离和设备安装距离设计为3.0m，满足带电安全要求。
版权声明：本文标题：针对电力变压器火灾的水雾带电灭火装置的设计方法 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://www.wlzph.com.cn/zp/1722120098a534791.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论