CC BY
20УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2020.2.16-22
ПУЗАЧ Сергей Викторович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Россия, Москва E-mail: puzachsv@mail.ru
ГОРЮШКИН Сергей Сергеевич
Академия ГПС МЧС России, Россия, Москва E-mail: semak_34rus@rambler.ru
ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОГО РАССТОЯНИЯ ОТ КРОМКИ ЛЕСНОГО МАССИВА ДО ЁМКОСТЕЙ ХРАНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЯХ
Авторы провели ряд экспериментов по нагреву ёмкости для хранения резерва трансформаторного масла, расположенной на электрических подстанциях с масляными трансформаторами, в условиях, соответствующих лучистому тепловому потоку от верхового повального лесного пожара. Экспериментально и теоретически определены зависимости температуры стенки ёмкости от времени с начала теплового воздействия. Показано, что в зависимости от массы масла внутри ёмкости и условий её нагрева может произойти разрушение ёмкости с последующим воспламенением масла или выброс масла также с его горением.
Ключевые слова: лесной пожар, тепловое излучение, электрическая подстанция, трансформатор, трансформаторное масло, безопасное расстояние.
Одним из важнейших элементов линии передачи электроэнергии от электростанции к потребителю являются электрические трансформаторные подстанции с масляными трансформаторами. Выход данных объектов из строя может привести к катастрофическим последствиям [1, 2].
В работе [1] были представлены результаты теоретической оценки безопасного расстояния между подстанцией и кромкой лесного массива на основе анализа воздействия лучистого теплового потока от лесного пожара на масляные трансформаторы. Однако другими наиболее пожароопасными элементами на вышеуказанных электрических подстанциях являются ёмкости для хранения резерва трансформаторного масла, чаще всего представляющие собой металлические сосуды бочкообразной формы с толщиной металлической стенки 1-2 мм.
Тепловое воздействие лесного пожара на данные ёмкости может привести к выходу из строя подстанции в случае возгорания в них, взрыва и дальнейшего распространения опасных факторов пожара или взрыва по территории подстанции.
Математическое моделирование теплового воздействия лесного пожара на производственные объекты представляет собой сложную, до конца не решённую проблему [3-10].
В современных нормативных документах (например, Постановление Правительства РФ от 26.08.2013 г. № 736 «О некоторых вопросах установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства») не приведены числовые значения или методики
расчёта безопасного расстояния от подстанции до кромки лесного массива. Этим обусловливается актуальность темы статьи.
Целью работы является оценка безопасного расстояния между ёмкостью для хранения резерва трансформаторного масла и кромкой лесного массива. Для достижения данной цели выполнен анализ возможности возгорания или взрыва вышеуказанной ёмкости при величинах плотностей лучистых тепловых потоков, характерных для условий воздействия верхового повального лесного пожара, на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований нагрева ёмкости объёмом 200 л. Расчёты в статье выполнялись на примере подстанции 110/10 кВ ОАО «МРСК ЦЕНТРА» (филиал «Воро-нежэнерго»).
УПРОЩЁННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ЁМКОСТЬ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ МАСЛОМ
На рисунке 1 представлена схема трансформаторной подстанции с её составными частями, в которых находится трансформаторное масло.
Рассмотрим наиболее опасный вариант развития лесного пожара. Будем считать, что фронт верхового повального пожара 4 со скоростью распространяется вдоль кромки лесного массива, расположенного напротив ближайшей к нему ёмкости с трансформаторным маслом 2. Под тепловым
16
© Пузач С. В., Горюшкин С. С., 2020
Рисунок 1. Схема трансформаторной подстанции, в составных частях которой находится трансформаторное масло:
1 - масляный трансформатор; 2 - ёмкость с трансформаторным маслом; 3 - высоковольтный масляный выключатель; 4 - фронт лесного верхового повального пожара; а, Ь - размеры излучающей поверхности фронта лесного пожара, м; г - расстояние между стенкой ёмкости и фронтом лесного пожара по нормали, м
воздействием пожара происходит нагрев стенки ёмкости, через которую теплота передается трансформаторному маслу.
Рассматриваем только лучистый теплоперенос
от фронта лесного пожара. При этом не учитываются конвективный перенос тепла и перенос твёрдых горящих фрагментов лесной биомассы от горящего лесного массива к ёмкости.
Основой для простой математической модели расчёта нагрева стенки ёмкости от теплового излучения является уравнение лучистого теплообмена [11]:
<7 = е пРс0
г т
и
100
л4
100
(1)
где q - плотность теплового потока, попадающего на поверхность стенки ёмкости, Вт/м2; епр - приведённая степень черноты системы «фронт пламени - стенка трансформатора»; с0 = 5,67 Вт/(м2-К4) - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; Г - температура излучающей поверхности фронта лесного пожара, К; Тст - температура на облучаемой поверхности стенки, К; \\/ - коэффициент облучённости между излучающей и облучаемой поверхностями, в который в неявной форме входит расстояние по нормали между этими поверхностями.
Коэффициент облучённости для одной четвёртой части площади поверхности факела вычисляется по формуле [11]:
г
1
\|/ = —
агс^
Ь
Я
2+г2
агс^
4ь
2+г2у
(2)
Приведённая степень черноты системы «фронт пламени - стенка трансформатора» в выражении (1) зависит от степени черноты фронта пламени лесного пожара £ф, которая, в свою очередь, определяется геометрическими размерами деревьев и расстоянием между ними. Методик определения величины еф в литературных источниках практически нет.
Температура излучающей поверхности фронта верхового лесного пожара в формуле (1) зависит, в первую очередь, от вида деревьев (береза, сосна и т. д.), влажности почвы и лесной биомассы и т. п.
Для расчёта нагрева стенки ёмкости используется уравнение теплопроводности [12]:
р с
Эх
д_ ду
аг
(3)
где р - плотность материала стенки ёмкости, кг/м3; с - удельная теплоёмкость материала стенки, Дж/(кг-К); Т - температура, К; т - время, с; X - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м-К); у - координата, направленная по толщине стенки, м.
Экспериментальная установка. Эксперимент был направлен на исследование результатов воздействия теплового потока, образующегося при горении пролива легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), на ёмкость, наполненную трансформаторным маслом с температурой вспышки 135 °С.
Экспериментальная установка включала в себя (рис. 2):
- металлические поддоны размерами 2x2, 1,5x1,5 и 1x1 м;
- металлические опоры с регулировкой по высоте 1 -2 м, выполненные из металлических конструкций диаметром 20 мм;
- две ёмкости объёмом 200 л с трансформаторным маслом, выполненные из металла с толщиной стенки 1-2 мм;
- измерительная система: стационарный инфракрасный бесконтактный пирометр ФОТОН С-300.3; экшн-камера SJCAMM10 CubeMini; компьютер.
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Над металлическим поддоном устанавливаются металлические опоры, на которые ставится ёмкость для хранения трансформаторного масла объёмом 200 л (рис. 3). К ёмкости при помощи
4 1 2 3 5 6
Рисунок 2. Схема экспериментальной установки: 1 - ёмкость с трансформаторным маслом; 2 - противень с ЛВЖ; 3 - металлические опоры с регулировкой по высоте; 4 - видеокамера на штативе; 5 - пирометр; 6 - компьютер
специального устройства прикрепляется термопара. Металлический поддон заполняется ЛВЖ, а ёмкость -140-160 л трансформаторного масла Лукойл ВГ. Источником открытого огня является поджиг ЛВЖ в поддоне.
В процессе эксперимента измеряется температура стенки ёмкости и выполняется съёмка на видеокамеру. Результаты измерений фиксируются на компьютере в режиме реального времени.
Эксперимент продолжается до одного из следующих событий: полное выгорание ЛВЖ, разрушение ёмкости с последующим воспламенением масла или выброс масла из ёмкости с его воспламенением.
Продолжительность каждого эксперимента составляла 20 мин.
Целью проведения экспериментов было доказать, что под воздействием лучистого теплового потока от лесного пожара может произойти разрушение ёмкости с последующим воспламенением трансформаторного масла в ней или выброс масла также с его горением.
Исходные данные для проведения экспериментов представлены в таблице. Для изменения эффективной температуры пламени состав ЛВЖ изменялся.
Результаты и анализ экспериментальных исследований. Фотографии ёмкостей с трансформаторным маслом во время и после проведения экспериментов представлены на рисунках 4 и 5 соответственно.
Зависимости средней температуры стенки ёмкости с трансформаторным маслом в наиболее нагретом сечении от времени с начала пожара представлены на рисунке 6.
Из рисунка 6 видно, что самовоспламенение трансформаторного масла внутри ёмкости происходит через 8-9 мин от начала теплового воздействия.
В эксперименте № 1 произошло повышение давления внутри ёмкости с трансформаторным маслом из-за испарения масла на стенках через 8-9 мин, но потери целостности ёмкости не произошло. Это объясняется тем, что повышение давления внутри ёмкости было незначительным, так как она была
Рисунок 3. Ёмкости с трансформаторным маслом перед проведением экспериментов: а - эксперимент № 1; б - № 2; в - № 3
Исходные данные для проведения экспериментов
Объём Минимальное расстояние между Параметры атмосферы
№ эксперимента трансформаторного масла Лукойл ВГ в ёмкости, л поверхностью пролива ЛВЖ и поверхностью ёмкости с маслом, м Температура воздуха," С Влажность воздуха, % Скорость ветра, м/с Состав ЛВЖ Примечание
1 200 1 8 60 7-10 Бензин АИ-92 нормаль (20 %), трансформаторное масло Лукойл ВГ (40 %), дизельное топливо (40 %) Ёмкость полностью заполнена и запечатана
2 180 0,5 4 65 5-7 Бензин АИ-92 нормаль (30 %), трансформаторное масло Лукойл ВГ (40 %), дизельное топливо (30 %) Отработанное масло после замены в трансформаторе
3 150 0,1 23 45 3-5 Бензин АИ-92 нормаль (40 %), трансформаторное масло Лукойл ВГ (30 %), дизельное топливо (30 %) Отработанное масло после замены в трансформаторе
Рисунок 4. Ёмкости с трансформаторным маслом во время проведения экспериментов: а - эксперимент № 1; б - № 2; в - № 3
Рисунок 5. Ёмкости с трансформаторным маслом после проведения экспериментов: а - эксперимент № 1; б - № 2; в - № 3
т, °с
т, мин
Рисунок 6. Зависимости средней температуры стенки ёмкости с трансформаторным маслом в наиболее нагретом сечении от времени с начала пожара: эксперименты: □ - № 1: Л - № 2: О - № 3: 1 - расчёт: 2 - температура самовоспламенения Т = 380 °С
полностью заполнена трансформаторным маслом. Кроме того, расстояние между поверхностью пролива ЛВЖ и поверхностью ёмкости с маслом было наибольшим, а температура пламени горения ЛВЖ была наименьшей из всех проведённых экспериментов.
При эксперименте № 2 произошёл выброс паров масла наружу через клапан и наливную пробку с последующим горением (рис. 4, б).
При эксперименте № 3 ёмкость разошлась по швам. Произошёл выброс масла наружу с последующим горением внутри и снаружи ёмкости (рис. 4, в).
Результаты экспериментов показали, что воздействие лучистого теплового потока на ёмкость с трансформаторным маслом может привести к её разрушению с последующим воспламенением масла или к выбросу масла также с его горением.
Исходные данные для численных экспериментов. Рассмотрим повальный верховой пожар, когда огонь движется сплошной стеной от надпочвенного покрова до крон деревьев [5].
Средняя высота лесного массива (ель), расположенного возле станции, равна 12 м. Длина подстанции составляет 42,5 м, расстояние между лесным массивом и ёмкостями с трансформаторным маслом равно 31 м.
Толщина стального корпуса ёмкости с трансформаторным маслом составляет 1-2 мм.
Среднюю эффективную температуру излучающей поверхности лесного массива в случае горения ели принимаем равной 624 °С [13].
Степень черноты фронта пламени лесного пожара задаём равной еф = 1 (наиболее опасный случай).
Скорость повального лесного верхового пожара в ельнике принимаем равной = 0,1 м/с [13].
Теплофизические свойства стальной стенки ёмкости: Р = 7800 кг/м3, с = 470 + 0,2П + 5-Ю"4^ Дж/(кг-К), X = 58-0,042/-Вт/(м-К), где t- температура в градусах Цельсия.
Критическую температуру для стенки ёмкости принимаем равной Т = 500 °С [14].
Для трансформаторного масла температура вспышки составляет Т = 135 °С, температура самовоспламенения равна Тсв = 380 °С (ГОСТ 982-80 «Масла трансформаторные. Технические условия. Межгосударственный стандарт»).
Расчёт температуры стенки ёмкости, заполненной трансформаторным маслом, проводился с использованием уравнений (1)-(3). Как видно из рисунка 6, режим нагрева ёмкости от лучистого теплового потока, падающего от лесного пожара на поверхность ёмкости, близок к экспериментальным данным при скорости повального лесного верхового пожара, равной 0,1 м/с.
Самовоспламенение ЛВЖ внутри ёмкости происходит через 8-9 мин от начала теплового воздействия.
Результаты исследований, проведённых на примере подстанции ПС 110/10 кВ ОАО «МРСК ЦЕНТРА» (филиал «Воронежэнерго»), позволяют авторам сделать вывод, что в случае повального лесного верхового пожара безопасное расстояние от лесного массива до ёмкости хранения трансформаторного масла должно составлять не менее 70 м, в то время как охранная зона ограждения подстанции устанавливается равной 20 м (Постановление Правительства РФ от 26.08.2013 г. № 736). При невозможности обеспечить безопасное расстояние, вышеуказанная ёмкость должна быть защищена защитным экраном.
Таким образом, для предотвращения выхода из строя трансформаторной подстанции с масляными трансформаторами необходим расчёт безопасного расстояния от кромки лесного массива до ёмкости хранения трансформаторного масла с учётом конкретных объёмно-планировочных решений подстанции и характеристик лесного массива, прилегающего к рассматриваемому объекту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пузач С. В., Горюшкин С. С. Оценка теплового воздействия лесного пожара на электрическую подстанцию с масляными трансформаторами // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2017.№ 3. С. 79-83.001:10.25257/РЕ.2017.3.79-83.
2. Особенности развития пожаров на объектах энергетики
[Электронный ресурс] // Энергетика. Оборудование. Докумен-
тация: сайт. Режим доступа: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/
tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (дата обращения 15.04.2020).
3. Кулешов А. А., Мышецкая Е. Е., Якуш С. Е. Моделирование распространения лесных пожаров на основе модифицированной двумерной модели // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 12. С. 20-32.
4. Козодеров В. В., Кулешов А. А. Моделирование лесных пожаров и наблюдение разных стадий их развития по данным
гиперспектрального аэрокосмического зондирования // Исследование Земли из космоса. 2012. № 1. С. 29-39.
5. Доррер Г. А. Динамика лесных пожаров. Новосибирск: СО РАН, 2008. 403 с.
6. Гришин А. М. О математическом моделировании природных пожаров и катастроф // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2008. № 2 (3). С. 105-114.
7. Steven P. I., Krueger K. Wildfire modeling. NIST GCR 11-953. National Institute of Standards and Technology, 2011. 46 p.
8. Varner J. M., Keyes C. R. Fuels treatment and fire models: errors and corrections // Fire Management Today. 2009. Vol. 69, no. 3, pp. 47-50.
9. MandelJ.,BennethumL. S.,BeezleyJ.D, Coen J. L, Douglas C. C., Kim M, Vodacek A. A wildland fire model with data assimilation // Mathematics and Computers in Simulation. 2008. Vol. 79, pp. 584-606.
10. Пузач С. В., Ле Ань Туан Обоснование выбора параметров горения древесной массы деревьев для расчета воздействия верховых лесных пожаров на объекты энергетики Вьетнама // Пожаровзрывобезопасность. 2018. Т. 27, № 11. С. 5-9. 001: 10.18322/РУБ.2018.27.11.5-14.
11. Кошмаров Ю. А, Пузач С. В., Лебедченко О. С. Теплотехника. М.: Академия ГПС МЧС России, 2019. 502 с.
12. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
13. Иванов А. В. Лесная пирология: конспект лекций. Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2010. 276 с.
14. Яковлев А. Я. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1988. 143 с.
Материал поступил в редакцию 13 января 2020 года.
Sergey PUZACH
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: puzachsv@mail.ru
Sergey GORYUSHKIN
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail:
SUBSTANTIATING SAFE DISTANCE FROM A FOREST EDGE TO TRANFORMER OIL STORAGE TANKS AT ELECTRICAL POWER SUBSTATIONS
ABSTRACT
Purpose. The article is devoted to assessing a safe distance between a transformer oil storage tank at a transformer power substation and a forest edge during heat exposure of active crown fire.
Methods. Experimental and mathematical modelling of wildfire heat effect on transformer oil storage tanks at a transformer power substation is used in the article.
Findings. Experimental installation has been developed and experimental results have been presented on heating transformer oil storage tanks under the conditions corresponding to radiant heat flux downwarding from active crown fire on storage tanks. The density of radiant heat flux hitting the surface of the tank mentioned above at an operating power substation in case of fire in the nearby forest edge has been calculated. The correlation between tank wall temperature and the starting time of heat exposure has been defined both experimentally and theoretically. It has been shown that depending on the oil mass inside a
tank and the conditions of its heating the tank can either collapse with subsequent transformer oil inflammation or there will be an oil eruption with its burning as well. It has been found out that transformer oil inflammation inside a tank with subsequent fire spread inside the tank can occur in less than 10 minutes from the start of heat flux exposure from the burning forest.
Research application field. The substantiation of a safe distance between electrical power substations with oil transformers and a forest edge is given.
Conclusions. The safe distance between power substation and forest edge accepted in fire safety codes and regulations can result in substation failure in case of heat exposure of active crown fire on transformer oil storage tanks.
Key words: wildfire (forest fire), heat effect, electrical power substation, transformer, transformer oil, safe distance.
REFERENCES
1. Puzach S.V., Goryushkin S.S. Assessment of the forest fire thermal effect on the electrical substation with oil transformers. Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija (Fire and emergencies: prevention, elimination). 2017, no. 3, pp. 79-83 (in Russ.). DOI: 10.25257/FE.2017.3.79-83.
2. Features of fire development on energy objects. Energetika. Oborudovanie. Dokumentatsiia (Power engineering. Equipment. Documentation). Available at: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/ tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (accessed April 15, 2020) (in Russ.).
3. Kuleshov A.A., Myshetskaya E.E., Yakush S.E. Numerical simulation of forest fire spread based on modifired 2 D model. Matematicheskoe modelirovanie (Mathematical Modeling). 2016, vol. 28, no. 12, pp. 20-32 (in Russ.).
4. Kozoderov V.V., Kuleshov A.A. Forest Fires Modeling and Observation of Different Stages of Their Development Using Hyperspectral Airspace Remote Sensing Data. Issledovanie Zemli iz kosmosa (Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics Earth Observation and Remote Sensing). 2012, no 1, pp. 29-39 (in Russ.).
5. Dorrer G.A. Dinamika lesnykh pozharov [Dynamic of forest fires]. Novosibirsk. FUE Publishing House SB RAS, 2008. 403 p. (in Russ.).
6. Grishin A.M. About Mathematical Modelling Natural Fires and Catastrophes. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mexanika (Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics). 2008, no. 2 (3), pp. 105-114 (in Russ.).
7. Steven P.I., Krueger K. Wildfire modeling. N1ST GCR 11-953. National Institute of Standards and Technology Publ., 2011, 46 p.
8. Varner J.M., Keyes C.R. Fuels treatment and fire models: errors and corrections. Fire Management Today. 2009, vol. 69. no. 3, pp. 47-50.
9. Mandel J., Bennethum L.S., Beezley J.D., Coen J.L., Douglas C.C., Kim M., Vodacek A. A wildland fire model with data assimilation. Mathematics and Computers in Simulation. 2008, vol. 79, pp. 584-606.
10. Puzach S.V., Tuan A.L. Justification of the choice of wood pulp combustion parameters for calculation of running crowning forest fires impact on power engineering facilities in Vietnam. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2018, vol. 27, no. 11, pp. 5-14 (in Russ.). DOI: 10.18322/PVB.2018.27.11.5-14.
11. Koshmarov Yu.A., Puzach S.V., Lebedchenko O.S. Teplotekhnika [Heat engineering]. Moscow. State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ. 2019, 502 p. (in Russ.).
12. Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of the theory of heat transfer] Moscow. Atomizdat Publ, 1979. 416 p. (in Russ.).
13. Ivanov A.V. Lesnaya pirologiya: konspekt lektsiy [Forest pyrology: lecture notes]. Yoshkar-Ola, Mari State Technical University Publ., 2010. 276 p. (in Russ.).
14. Yakovlev A.Ya. Raschet ognestoikosti stroitel'nykh konstruktsii [Calculation of fire resistance of building construction]. Moscow. Stroyizdat Publ., 1988. 143 p. (in Russ.).
22
© Puzach S., Goryushkin S., 2020
