风速对变压器细水雾系统喷雾强度影响试验研究.pdf

灭火系统设计Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9风速对变压器细水雾系统喷雾强度影响试验研究陈强1,石晓龙1,林刚1,王栋2（1.合肥科大立安安全技术有限责任公司，安徽 合肥 230088；2.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052）摘要：为了研究变压器细水雾系统喷雾强度在不同外加风速下的变化规律，搭建 110 kV 变压器实体试验平台，采用 2种流量系数的细水雾喷头，设计了 5 种不同风速下的细水雾冷喷试验，并通过设置的 58 个集水盒收集细水雾系统冷喷后的水量，以此分析不同外加风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响。结果表明：当外加风速超过 4 m/s时，细水雾的作用效果明显受到影响，对变压器的喷雾强度开始降低。随着外加风速的增大，喷雾强度呈现出逐渐减小的趋势。另外，在相同的外加风速和工作压力下，流量系数 K=2.0的细水雾喷头比 K=1.7的喷头喷雾效果更好，其在自身较大流量的优势下，对外加风速的“抵抗能力”更强。关键词：外加风速；变压器；细水雾系统；喷雾强度中图分类号：X913.4；TM411 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）09-1246-06我国“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要中提出，要提高电力输送通道等重要输电工程建设，强化骨干网架结构，打造不同级别电网协调发展枢纽1。然而，整个电力系统构成庞大、设备运行环境复杂、电网各环节紧密相扣，使得其消防安全面临严峻挑战。变压器是电力网络输送系统中的核心设备，在发-输-变-配-用整个电网系统中起着关键作用。细水雾作为绝缘、高效、环保的灭火介质，在变压器等电力领域得到广泛应用。目前，已有部分研究人员开展了小尺度试验和数值模拟来探究细水雾系统的应用效果，但风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响还有待进一步研究。JACKMAN L A 等2研究了外加风速、雾锥角、喷雾压力等因素对系统喷雾保护范围的影响。CHEN L Y等3研究了 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m/s风速下细水雾对火焰的灭火效果，发现了灭火时间与通风速度之间的关系。刘毓等4利用户外 10 kV 油浸式电力变压器试验平台研究了细水雾对油浸式电力变压器的灭火效果。结果表明，细水雾可以有效扑灭变压器火灾。闵永林等5参照变压器实际工作方式，通过搭建 110 kV 室内油浸式电力变压器细水雾系统数值模型，分别设置 0、1.7、2.0、4.5 m/s四种通风条件，建立了热释放速率、喷雾强度和灭火时间的函数关系，评估风速影响下细水雾对油浸式电力变压器火灾的灭火效能，研究表明，通风条件对室内细水雾灭火效果的影响不大，多组分细水雾灭火系统能有效抗风，并能在极限条件下有效保护变压器。张培红等6研究了通风风速为 0.5、1.0、1.5 m/s 时，细水雾在不同压力下对火焰的作用机制与灭火机理。王致远等7基于 FDS软件模拟了通风风速为 0、0.4、0.8、1.2 m/s下电缆舱火灾的细水雾灭火效果，分析了风速对细水雾灭火效果的影响，并建议施加不高于 1.2 m/s的通风气流对细水雾灭火更为有利。李梦等8研究了风速为 0、1、3、6 m/s下细水雾对汽油火的作用效果，分析了不同风速对烟气温度、气体浓度、热辐射强度的影响，结果表明，通风对细水雾控火效果的影响不大，同时有利于保障火场人员安全。刘江虹等9搭建小型低速风洞，研究了细水雾在不同纵向风速影响下的运动特性，发现同一截面上雾滴速度分布与风速呈两段式的线性变化，增加通风后雾滴粒径显著增大并趋于稳定，而雾通量也呈线性增长。虞利强等10试验验证了高压细水雾灭火系统应用于变压器火灾的可行性，并将试验结果与世博地下变电所的特点相结合，重点研究了高压细水雾灭火系统应用于变压器的系统形式、设计参数及喷头布置等。文章通过搭建 110 kV 变压器实体试验平台，研究外加风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响，为变压器细水雾系统设计提供参考。1试验方案设计1.1风场环境试验在清华大学合肥公共安全研究院的多灾种耦合环境风洞中进行。试验平台总体尺寸为 71.50 m27.05 m11.20 m，其中试验段尺寸为 25 m15 m8 m，如图1所示。细水雾冷喷试验在该试验段进行，风场环境由风机提供，风机直径 6 m，功率为 4 MW，可以提供稳定的风速。风洞出风口尺寸宽为 6 m，高为 5 m。1.2变压器设置试验主体采用 110 kV 的电力变压器，尺寸为 6.15 m1.96 m3.10 m，其中本体距地高度 1.80 m，质量为11 t，将其放置在风洞试验段的出风口处，如图 2所示。1.3细水雾系统设计细水雾可以通过高速撞击、静电雾化、气流作用及超声波雾化等不同方式生成，是一种灭火效率高且对环境无污染的灭火技术11。细水雾灭火特征参数与喷头的喷基金项目：国家电网公司总部科技项目（5200-202024105A-0-0-00）雾特性有关，包括喷头的流量系数（K）、工作压力、粒径分布、雾化锥角、雾滴流速、雾动量、雾通量等，这些参数对细水雾系统的作用效果起着关键作用。本文在变压器周围设计并搭建细水雾系统，系统共有两层管网，第一层层高为 0.75 m，第二层层高为 2.00 m，共设置 14只喷头，喷头间距设置为 1 m，分别采用 K=2.0（流量为 20 L/min）、K=1.7（流量为 17 L/min）的喷头开展冷喷试验，如图 3、图 4所示。细水雾系统额定压力为14 MPa，最末端喷头工作压力为 10 MPa，系统每次喷雾时间为 30 s。1.4工况设置利用两种不同流量系数的细水雾喷头，研究外加风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响，结合试验现场环境设计了 5种风速，工况设置见表 1。表 1工况设置Table 1Experimental settings1.5数据测量系统及其布置（1）风速测量。利用某多通道风速传感器测量风速，仪器精度为 1%，量程为 050 m/s。（2）水量收集。参考相关学者的研究方法12-15，细水雾系统喷出的水雾滴采用集水盒收集，集水盒前侧挡板高为 5 cm，后侧挡板高为 30 cm，底部长为 15 cm，宽为15 cm，如图 5 所示。将 4 排集水盒布置在与风向平行的变压器侧边和顶部，总计 58 个集水盒紧密贴附在变压器表面，并记录每次试验的集水量。最低一排集水盒距地面 0.73 m，相邻两排集水盒的间距为 0.5 m，如图 6所示。（3）水的质量测量。采用电子天平对集水盒收集的水的质量进行测量，并依次记录对应位置的水量。电子天平测量范围为 030 kg，精度为 1 g。图 5集水盒Fig.5Water collecting box出风口图 1风洞试验段及出风口Fig.1Wind tunnel test section and wind tunnel outlet风洞出风口变压器6 0005005001 0003 3503 3501 0001 5501 0008 7001 0002 000 1 960 3 0407 000图 2变压器位置示意图（单位：mm）Fig.2Transformer location diagram（unit：mm）风洞出风口 6 m宽5 m高6 0005005001 0002 0001 0001 0005005001 5002 540变压器细水雾喷头 每层 7只2层DN100 立 柱 3 根，高 2.2 m细水雾管道图 3细水雾系统喷头点位设计图Fig.3Design drawing of nozzle points for water mist system图 4细水雾系统喷头点位布置图Fig.4Layout of sprinkler points for water mist system1246消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期雾特性有关，包括喷头的流量系数（K）、工作压力、粒径分布、雾化锥角、雾滴流速、雾动量、雾通量等，这些参数对细水雾系统的作用效果起着关键作用。本文在变压器周围设计并搭建细水雾系统，系统共有两层管网，第一层层高为 0.75 m，第二层层高为 2.00 m，共设置 14只喷头，喷头间距设置为 1 m，分别采用 K=2.0（流量为 20 L/min）、K=1.7（流量为 17 L/min）的喷头开展冷喷试验，如图 3、图 4所示。细水雾系统额定压力为14 MPa，最末端喷头工作压力为 10 MPa，系统每次喷雾时间为 30 s。1.4工况设置利用两种不同流量系数的细水雾喷头，研究外加风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响，结合试验现场环境设计了 5种风速，工况设置见表 1。表 1工况设置Table 1Experimental settings工况编号12345678910喷头流量系数K=2.0K=1.7风速/m/s0（对照组）468100（对照组）468101.5数据测量系统及其布置（1）风速测量。利用某多通道风速传感器测量风速，仪器精度为 1%，量程为 050 m/s。（2）水量收集。参考相关学者的研究方法12-15，细水雾系统喷出的水雾滴采用集水盒收集，集水盒前侧挡板高为 5 cm，后侧挡板高为 30 cm，底部长为 15 cm，宽为15 cm，如图 5 所示。将 4 排集水盒布置在与风向平行的变压器侧边和顶部，总计 58 个集水盒紧密贴附在变压器表面，并记录每次试验的集水量。最低一排集水盒距地面 0.73 m，相邻两排集水盒的间距为 0.5 m，如图 6所示。（3）水的质量测量。采用电子天平对集水盒收集的水的质量进行测量，并依次记录对应位置的水量。电子天平测量范围为 030 kg，精度为 1 g。图 5集水盒Fig.5Water collecting box出风口图 1风洞试验段及出风口Fig.1Wind tunnel test section and wind tunnel outlet风洞出风口变压器6 0005005001 0003 3503 3501 0001 5501 0008 7001 0002 000 1 960 3 0407 000图 2变压器位置示意图（单位：mm）Fig.2Transformer location diagram（unit：mm）风洞出风口 6 m宽5 m高6 0005005001 0002 0001 0001 0005005001 5002 540变压器细水雾喷头 每层 7只2层DN100 立 柱 3 根，高 2.2 m细水雾管道图 3细水雾系统喷头点位设计图Fig.3Design drawing of nozzle points for water mist system图 4细水雾系统喷头点位布置图Fig.4Layout of sprinkler points for water mist system1247Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9150200风向368300200300200300（a）变压器侧边集水盒2 163150380150380150380150风向150 250（b）变压器顶部集水盒图 6集水盒布置示意图Fig.6Layout diagram of water collecting box2试验结果与分析2.1变压器细水雾冷喷试验过程工况 1工况 5、工况 6工况 10 的喷雾效果分别如图 7、图 8所示。可以看出，外加风速影响了细水雾喷头对变压器的作用效果，且距地面第二排喷头喷出的水雾在外加风速的作用下往下风向偏移，造成此处集水盒水量明显少于下风向处的集水量，另外变压器顶部集水盒所受风场的影响要高于壁面，造成顶部集水盒水量要明显少于壁面 3排集水盒的水量。当外加风速超过 4 m/s时，细水雾作用效果受到明显影响，并且对变压器的喷雾强度也开始降低。随着外加风速的增大，喷雾强度呈现逐渐减小的趋势。2.2结果分析与讨论2.2.1风速对变压器侧壁喷雾强度的影响基于试验过程及现象，将变压器侧壁 54 个集水盒的水量数据进行矩阵化，并利用 MLTLAB 软件进行可视化展示，如图 9所示。图 10 为 K=2.0 和 K=1.7 两种型号的细水雾喷头在外加风场环境中，不同高度处喷雾强度随风速的变化曲线。距离地面 1.73 m 处的喷雾强度随风速的变化情况如图 10（a）、（b）所示，风速从 4 m/s 开始对此处的细水雾喷雾强度产生影响，当风速为 10 m/s时，距离出风口较近的2 m 范围内，风速对细水雾的影响较大。距离地面 1.23 m处的喷雾强度随风速的变化情况如图 10（c）、（d）所示，其在风速 0 m/s时的喷雾强度要低于 1.73 m 处，随着风速增加，距离出风口较近处的喷雾强度逐渐受到影响，喷雾强度呈现减小的趋势。距离地面 0.73 m 处的喷雾强度随风速的变化情况如图 10（e）、（f）所示，此处受到 2 排细水雾喷头的同时作用，其整体喷雾强度要高于 1.73 m 与 1.23 m 处，但风速从 4 m/s开始，细水雾的喷雾效果受到影响，上风向处的水雾随风向下风向偏移，造成下风向处的喷雾强度普遍升高。1 s5 s15 s25 s（a）工况 11 s5 s15 s25 s（b）工况 21 s5 s15 s25 s（c）工况 31 s5 s15 s25 s（d）工况 41 s5 s15 s25 s（e）工况 5图 7工况 1工况 5试验过程图Fig.7Experimental process of scenario 151248消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期1 s5 s15 s25 s1 s5 s15 s25 s1 s5 s15 s25 s1 s15 s25 s1 s5 s15 s25 s（a）工况 6（b）工况 7（c）工况 8（d）工况 9（e）工况 105 s图 8工况 6工况 10试验过程图Fig.8Experimental process of scenario 610同时在相同工作压力、相同风速条件下，K=2.0的细水雾喷头比 K=1.7 的喷头喷雾效果更好，其在自身较大流量的优势下，对外加风速的“抵抗能力”比 K=1.7 的喷头更强。横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.21.00.80.60.40.2021 26101418（a）工况 1横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.00.80.60.40.202126101418（b）工况 2喷雾强度/L/（minm2）喷雾强度/L/（minm2）横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.00.80.60.40.202126101418横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.21.00.80.60.40.2021 26101418（c）工况 3（d）工况 4喷雾强度/L/（minm2）喷雾强度/L/（minm2）横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.00.80.60.40.202126101418横向集水盒编号3纵向集水盒编号1.51.00.5021 26101418（e）工况 5（f）工况 6喷雾强度/L/（minm2）喷雾强度/L/（minm2）图 9不同风速对变压器侧壁喷雾强度的影响Fig.9Influence of wind speed on spray intensity of transformer side wall2.2.2风速对变压器顶部喷雾强度的影响刘洋鹏16对细水雾与障碍物遮挡火焰相互作用的研究中，发现障碍物会对细水雾的作用产生一定影响。而在变压器顶部即套管位置处，由于顶部相关电气元器件的阻碍和喷头与变压器带电距离的限制，可能会对此处细水雾系统的实际喷雾效果产生影响，因此本文对变压器顶部细水雾喷雾强度开展了研究。由于顶部 4 个集水盒位于变压器中间部位，其受到多处喷头的共同作用，同时上风向处喷头喷出的水雾在风的作用下会向下风向偏移，水雾在下风向受到外加风场和喷头喷雾的双重作用力，导致顶部集水盒收集到的水量相较于无风时增多，喷雾强度增加。图 11 为变压器顶部细水雾的喷雾强度。可以看出，K=2.0和 K=1.7的喷头，在风速 4、6、8 m/s条件下，其作用范围为油浸式电力变压器中间 2.8 m 左右，之后区域的喷雾强度呈明显下降趋势；而风速为 10 m/s时，其作用范围能达到 3.3 m 左右，随后区域的喷雾强度受风速的影响1249Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9减小。3结 论设计试验工况下，通过开展不同风速下细水雾系统冷喷试验，分析不同外加风速对变压器细水雾系统喷雾强度的影响，得出如下结论。（1）通过变压器细水雾系统冷喷试验，发现当外加风速超过 4 m/s 时，细水雾作用的效果明显受到影响，并且对变压器的喷雾强度也开始降低。（2）在相同工作压力和风速条件下，K=2.0的细水雾喷头比 K=1.7 的喷头喷雾效果要好，其在自身较大流量的优势下，对外加风速的“抵抗能力”比 K=1.7 的喷头更强。（3）在户外变压器常年迎风侧适当增加防风措施，如高度不低于变压器油枕的防火墙，以此保障细水雾系统作用于变压器的喷雾强度。（4）主要采用细水雾冷喷的方式研究不同风速对细水雾系统喷雾强度的影响，下一步需要深入研究细水雾系统在户外变压器实际火灾中的应用效果，包括对细水雾系统设计方案进行优化和完善，同时还需更加准确地评估细水雾系统在户外环境下的性能表现，以便为实际应用提供科学依据和指导。参考文献：1 中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要EB/OL.http:/ JACKMAN L A,NOLAN P F.Investigation into the effect of wind on fire protection sprayers using the model SPLASHJ.IChemE Symp Ser,1994,134:415-440.3 CHEN L Y,ZHU W,CAI X,et al.Experimental study of water mist fire suppression in tunnels under longitudinal ventilationJ.Building and Environment,2009,44(3):446-455.4 刘毓,陈宝辉,吴传平,等.真型变压器灭火试验平台开发与耦合灭火试验J.消防科学与技术,2020,39(7):966-969.5 闵永林,苏琳,张杰,等.通风条件下用多组分细水雾扑灭变压器火灾的模拟研究J.中国安全科学学报,2014,24(8):43-48.6 张培红,许文斌,曹宇.通风与细水雾耦合灭火机理实验研究J.消防科学与技术,2017,36(7):959-962.7 王致远,李炎锋,王红艺,等.管廊风速对细水雾系统灭火效果影响研究J.消防科学与技术,2020,39(2):228-232.8 李梦,刘申友,姚斌,等.纵向风速对隧道中细水雾灭火效果的影响研究J.火灾科学,2017,26(1):12-19.9 刘江虹,朱伟,廖光煊.LDV/APV 系统研究纵向通风作用下细水雾雾场特性J.中国工程科学,2012,14(11):75-81.10 虞利强,韩新,丛北华.高压细水雾灭火系统在世博地下变电所的应用J.给水排水,2011,47(5):77-79.11 廖义德.高压细水雾灭火系统关键技术及其灭火性能研究D.武汉:华中科技大学,2008.12 彭锦志.细水雾灭火系统在小型汽车库火灾中的灭火效能试验研究J.消防科学与技术,2022,41(6):802-806+817.13 杨立军,赵建波,刘宇新.两相流气体种类灭 B 类火效果的实验J.北京航空航天大学学报,2012,38(3):357-362.14 林彬.细水雾灭火系统在汽车涂装车间喷漆室的应用研究D.合肥:中国科学技术大学,2015.15 孙瑞雪.城市地下综合管廊灭火系统的实验与数值模拟研究D.合肥:中国科学技术大学,2018.16 刘洋鹏.细水雾与障碍物遮挡火焰相互作用的模拟研究D.合肥:中国科学技术大学,2021.距离/m0 1 2 3 4 5 6 71.51.20.90.60.30.0喷雾强度/L/（sm2）0 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s距离/m0 1 2 3 4 5 6 71.00.80.60.40.20.00 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s（a）K=2.0，h=1.73 m（b）K=1.7，h=1.73 m喷雾强度/L/（sm2）距离/m0 1 2 3 4 5 6 70.60.50.40.30.20.10.00 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s距离/m0 1 2 3 4 5 6 70 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s（c）K=2.0，h=1.23 m（d）K=1.7，h=1.23 m0.60.50.40.30.20.10.0喷雾强度/L/（sm2）喷雾强度/L/（sm2）距离/m0 1 2 3 4 5 6 71.51.20.90.60.30.00 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s距离/m0 1 2 3 4 5 6 70 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s（e）K=2.0，h=0.73 m（f）K=1.7，h=0.73 m1.21.00.80.60.40.20.0喷雾强度/L/（sm2）喷雾强度/L/（sm2）图 10细水雾在变压器侧壁处喷雾强度Fig.10Spray intensity of water mist at the side wall of transformer距离/m2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.00.350.300.250.200.150.100.050.00喷雾强度/L/（sm2）0 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s距离/m2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.00.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020.000 m/s4 m/s6 m/s8 m/s10 m/s（a）K=2.0，h=2.23 m（b）K=1.7，h=2.23 m喷雾强度/L/（sm2）图 11细水雾在变压器顶部处喷雾强度Fig.11Spray intensity of water mist at the top of transformer1250消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期Study on the effect of external wind speed on the spray intensity of transformer water mist systemChen Qiang1,Shi Xiaolong1,Lin Gang1,Wang Dong2(1.Hefei KDLian Safety Technology Co.Ltd.,Anhui Hefei 230088,China;2.State Grid Henan Electric Power Research Institute,State Grid Henan Electric Power Company,Henan Zhengzhou 450052,China)Abstract:In order to study the change law of the spray intensity of the transformer water mist system under different external wind speeds,a 110 kV transformer physical experiment platform was built.Using the water mist nozzles with two flow coefficients,five cold spray experiments of water mist under different wind speeds were designed.The influence of different wind speeds on the spray intensity of the transformer water mist system was analyzed.The results show that when the applied wind speed exceeds 4 m/s,the effect of water mist is obviously affected,and the spray intensity on the transformer starts to decrease.In addition,with the increase of the applied wind speed,the spray intensity showed a decreasing trend.In addition,under the same external wind speed,nozzle with a flow coefficient of K=2.0 has a better spray effect than that with a flow coefficient of K=1.7 under the same working pressure and wind speed,and its resistance to external wind speed is stronger than the nozzle with a flow coefficient of K=1.7 under its own advantage of larger flow.Key words:external wind speed;transformer;water mist system;spray intensity作者简介：陈 强(1995-)，男，安徽六安人，合肥科大立安安全技术有限责任公司助理研究员，工程硕士，主要从事电力消防安全方面的研究，安徽省合肥市蜀山区天湖路 13号，230088。收稿日期：2023-04-02（责任编辑：李艳娜）1251