1. No category

Brandtest av plåtraster för transformatorgropar
SP Technical Research Institute of Sweden
Johan Lindström, Michael Försth
Brandteknik
SP Arbetsrapport 2013:09
Översättning av den engelska originalrapporten
Brandtest av plåtraster för
transformatorgropar
Johan Lindström, Michael Försth
3
Abstract
En försökserie har genomförts för att undersöka släckförmågan hos ett plåtraster som
monteras på transformatorgropar. Tre tester genomfördes med oljetemperaturerna 90°C
and 140°C. I test 2 var transformatorgropen fylld med 19 cm vatten för att undersöka hur
regnvatten påverkar utfallet. Plåtrastret släckte branden inom några få sekunder och
syrekoncentrationen nådde ett minimum om 3.7 volymsprocent 5 cm under plåtrastret i
centrum av transformatorgropen vid test 3. Vattenbädden hade inget signifikant
inflytande på resultaten.
Nyckelord: transformatorgrop, transformatorolja, brand, plåtraster, termoelement,
gasanalys
A tests series of transformer pit fires was conducted to test the extinguishing capacity of a
profile plank layer in the transformer pit. Three tests were performed with 90 °C and
140 °C transformer oil. In test 2, a 19 cm water bed was used to examine the involvement
of rain water. The result showed that the profile plank extinguished the fire in a few
seconds and the oxygen level was as low as 3.7 vol% 5 cm under the profile plank in the
center of the transformer pit in test 3. The simulated rain water did not have any effect on
the result.
Key words: transformer pit, transformer oil, fire, profile plank, thermocouples, gas
analysis
SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut
SP Technical Research Institute of Sweden
SP Arbetsrapport 2013:09
ISSN 0284-5172
Borås 2013
4
Innehållsförteckning
Abstract
3
Innehållsförteckning
4
Förord
5
1
Introduktion
6
2
Brandförsök
6
2.1
2.2
Försöksuppställning
Försöksprotokoll
6
10
3
Resultat och diskussion
13
3.1
3.2
3.3
Visuella observationer
Gastemperaturer
Gaskoncentrationer
13
14
16
4
Slutsats
18
Referenser
19
5
Appendix A
20
5.1
5.2
5.3
Test 1: 90°C olja, inget vatten
Test 2: 90°C olja, 19 cm vatten
Test 3: 140°C olja, inget vatten
20
22
25
6
Appendix B, Datablad för transformatoroljan
28
5
Förord
Detta arbete har finansierats av Meiser Vogtland OHG, Oelsnitz, Tyskland, härefter
benämnd kunden. Kunden har varit ansvarig för byggnation av transformatorgropen samt
för att allt material för testerna fanns på plats.
Tarmo Karjalainen och Emil Norberg från SP tackas för deras arbete med instrumentering
och mätningar under försöken. Krister Palmkvist, Lennart Hällefors och Samuel Norlén
från SÄRF (Södra Älvsborgs Räddningstjänstförbund) tackas för deras arbete med att
genomföra försöken, säkerställa säkerheten under försöken samt dokumentera försöken
med IR-kamera. SÄRF tackas även för deras gästfrihet under försöken som genomfördes
på deras utbildnings- och övningsanläggning Guttasjön utanför Borås. Meiser Vogtland
OHG och Qlean Scandinavia AB tackas för hantering av transformatoroljan, rengöring av
transformatorgropen och plåtrastren mellan försöken. Qlean Scandinavia AB är den
svenska agenten för det testade plåtrastret.
6
1
Introduktion
Ett traditionellt sätt att förbättra brandsäkerheten vid transformatorstationer är att fylla
transformatorgropen med sten. I den Svenska standarden SS 421 01 01[1] står det skrivet:
“Företrädesvis skall anordningar som medverkar till släckning av eld i den utläckta
vätskan användas, t ex genom ett lager av grovgrus (omkring 300 mm djupt och med en
kornstorlek av omkring 40/60 mm) som släcker den brinnande olja som tränger in i
lagret.”
Det finns idag ingen teknikneutral beskrivning av de krav som gäller för släckning av
brinnande olja i transformatorgropar. En litteraturstudie av både nationella och
internationella standarder och riktlinjer visar att flera publikationer beskriver
problematiken med brinnande olja, men inget av dokumenten ställer specifika krav på
släckning [2-5]. Denna rapport presenterar kvantitativa tester av ett specifikt scenario
under realistiska förhållanden vid ett transformatorhaveri.
2
Brandförsök
Transformatorgropen, hanteringen av transformatorolja och mätning av temperatur och
gasanalys är beskrivet i kapitel 2.1. Försöksprotokollet beskrivs i kapitel 2.2.
2.1
Försöksuppställning
Transformatorgropen som användes vid genomförandet av brandförsöken var 4 meter
lång, 3 meter bred och 1 meter djup. Transformatorgropen var byggd i betong enligt de
riktlinjer som idag finns för transformatorgropar. Figur 1visar hur plåtrastren vilar på
vinkeljärn som skruvats på insidan av transformatorgropet. Avståndet från botten på
gropen till plåtrastret var 80 cm. Figur 2 visar en sidovy över försöksuppställningen.
Transformatoroljan förvarades i en tippvagn med en total volym på 600 liter.
Temperaturerna under brandförsöken mättes på fem olika positioner i
transformatorgropen. Positionerna för mätningar av temperaturen benämns A-E och visas
visuellt i Figur 3. Varje position innehåller ett termoelementträd med mätpunkter 1, 20,
50, 75, 85 och 130 cm ovanför botten på transformatorgropen. Mätpunkterna på 85 och
130 cm var ovanför plåtrastret. Gassampling för analys av CO, CO2 och O2 gjordes på två
positioner 5 cm under plåtrastret (75 cm ovan botten) och visas visuellt i både Figur 2 och
Figur 3. Ett av rören för gassampling visas i Figur 4. Fotografier på försöksuppställningen
sett från ovan och under plåtrastret visas i Figur 5 respektive Figur 6.
7
Figur 1 Plåtrastret som vilar på vinkeljärn.
Följande symboler används i Figur 2 och Figur 3:
Gas sampling (CO, CO2, O2)
Termoelementträd
Figur 2 Sid-vy av försöksuppställningen.
8
Figur 3 Vy över försöksuppställningen sett från ovan.
Figur 4 Rör för gassampling. Röret sticker ner 5 cm under plåtrastret.
9
Figur 5 Foto av försöksuppställningen sett från ovan.
Figur 6 Foto av försöksuppställningen sett under plåtrastret. Kameran är vinklad åt vänster i Figur 2
och Figur 3 vilket innebär att det är termoelementträd A, B och E som syns.
Transformatoroljan som användes under försöken var NYNAS Transformer Oil - Nytro
10X, vilket är en standardtransformatorolja. Teknisk data för oljan finns i Appendix B.
Brandscenariot som användes vid brandförsöken skall efterlikna ett transformatorhaveri
där stora mängder transformatorolja läcker ut. Läckaget bedömdes ske vid normala
driftförhållanden vilket innebär en temperaturökning på oljan med 60°C [6] till en
10
temperatur på 90°C. För att utöka informationsinhämtningen från försöken genomfördes
ett försök (försök 3) med transformatorolja som uppvärmts till 140°C, vilket är dess
flampunkt. I försök 2 var scenariot samma som i försök 1 med 90°C olja men
transformatorgropen fylldes med 19 cm vatten för att simulera att oljeutsläppet sker när
transformatorgropen innehåller regnvatten.
2.2
Försöksprotokoll
Varje forsök började med att tippvagnen fylldes med en bestämd mängd
transformatorolja. Oljan uppvärmdes därefter med en extern gasbrännare till en specifik
temperatur. Uppvärmningen visas i Figur 7. När rätt temperatur uppnåtts antändes oljan
med en gasbrännare, se Figur 8. Efter en förutbestämd förbrinningstid tippades den
brinnande oljan ner i transformatorgropen. Figur 9 visar den brinnande oljan två sekunder
innan oljan tippas ner i transformatorgropen. Figur 10 visar när oljan tippas ner i
transformatorgropen. Alla tre testerna var genomförda med samma upplägg. Nedan följer
en beskrivning av vad som var skillnaden mellan de olika försöken:
Test 1:
• 400 l olja
• Uppvärmd till 90 °C innan antändning
• Förbrinningstid på 1:25 (min:sek)
Test 2:
•
•
•
•
370 l olja
Uppvärmd till 90 °C innan antändning
Förbrinningstid på 1:25 (min:sek)
Transformatorgropen innehöll en vattenbädd på 19 cm
Test 3:
• 300 l olja
• Uppvärmd till 140 °C innan antändning
• Förbrinningstid på 1:50 (min:sek)
Anledningen till att mindre olja användes i Test 2 än Test 1 berodde på att tippvagnen
lutade något mer framåt. Detta medförde att 30 l olja togs bort för att undvika att det
oförutsett rann över vagnens kant och ner i transformatorgropen innan tippning.
Anledningen till att mindre olja användes i Test 3 berodde på att oljan expanderar mer vid
uppvärmning till högre temperaturer.
En sekvens med fotografier från Test 2 visas i Figur 7 till Figur 12.
11
Figur 7 Uppvärmning av oljan med en gasbrännare.
Figur 8 Antändning av oljan.
12
Figur 9 Brandutvecklingen precis innan oljan tippas i transformatorgropen. (3:23 min:sek).
Figur 10 Tippning av den brinnande transformatoroljan ner i transformatorgropen. (3:25 min:sek).
13
3
Resultat och diskussion
3.1
Visuella observationer
Figur 11 visar flamhöjden när den brinnande oljan tippas ner i transformatorgropen. Figur
12 visar effekten av plåtrastret. Flammorna slutade att upphöra efter tre sekunder. Tiderna
för de olika bilderna visas på klockan nere till höger i bilderna. Samma visuella
observationer gjordes i alla tre försök.
Figur 11 Sekunder efter att den brinnande oljan tippats ner i transformatorgropen. (3:29 min:sek).
14
Figur 12 Alla synliga lågor upphörde bara sekunder efter att oljan tippats ner i transformatorgropen.
(3:32 min:sek).
3.2
Gastemperaturer
Resultatet av mätningarna av gastemperaturen under försöken för det mittersta
termoelementträde, träd A, visas i Figur 13 till Figur 15. Alla temperaturmätningar i
samtliga positioner A-E återfinns i Appendix A.
Efter att den brinnande oljan tippas ner i transformatorgropen sjunker temperaturen
snabbt i både Test 1 och test 2. I Test 3 sjunker temperaturen men den fluktuerar under 2
minuter efter att oljan tippats i. Detta indikerar att det finns en värmeavgivning från oljan
som beror på att oljan höll en initial temperatur på 140°C vid detta försök (90°C i Test 1
och Test 2). Däremot uppmäts ingen större skillnad i temperatur över plåtrastret under de
tre försöken.
Vid Test 2, med en vattenbädd på 19cm i transformatorgropen, är temperaturen högre än
under Test 1. En trolig förklaring till detta är att den varma oljan hamnar 19 cm högre än i
Test 1 då oljan flyter på vattnet. Detta innebär att det blir varmare vid vissa termoelement
då de hamnar närmare varm olja.
15
Termoelementträd A, Test 1
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 13 Gastemperaturer under försök 1 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 90°°C och
det fanns inget vatten i transformatorgropen.
Termoelementträd A, Test 2
Temperatur [°°C]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 14 Gastemperatur under försök 2 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 90°°C och det
fanns 19 cm vatten i transformatorgropen.
16
Termoelementträd A, Test 3
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 15 Gastemperatur under försök 3 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 140°°C och det
fanns inget vatten i transformatorgropen.
3.3
Gaskoncentrationer
Gaskoncentrationer från de två mätpunkterna visas i
CO
Koncentration [vol %]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
Test 1, center
Test 1, 1 m from back end
Test 2, center
Test 2, 1 m from back end
Test 3, center
Test 3, 1 m from back end
Figur 16 Uppmätt CO koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2
och Figur 3.
17
CO2
Concentration [vol %]
14
12
10
8
6
4
2
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Time [s]
Test 1, center
Test 1, 1 m from back end
Test 2, center
Test 2, 1 m from back end
Test 3, center
Test 3, 1 m from back end
Figur 17 Uppmätt CO2 koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur
2 och Figur 3.
O2
Concentration [vol %]
25
20
15
10
5
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Time [s]
Test 1, center
Test 1, 1 m from back end
Test 2, center
Test 2, 1 m from back end
Test 3, center
Test 3, 1 m from back end
Figur 18 Uppmätt O2 koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2
och Figur 3.
18
4
Slutsats
Som visas i Figur 11och Figur 12 påverkar plåtrastret branden så mycket att branden
slocknar efter endast tre sekunder efter tippningen. Den snabba släckningen beror delvis
på sänkningen av syrekoncentrationen under plåtrastret, se Figur 18. För att erhålla denna
sänkning av syrekoncentrationen är det av stor vikt att de vinkeljärn som plåtrastret vilar
på är monterade tätt mot betongväggen för att minimera läckage av syre i ytterkanterna
mot betongkonstruktionen.
I Test 2 användes en 19 cm vattenbädd för att simulera att det fanns regnvatten i
transformatorgropen då läckaget inträffar. De visuella observationerna och uppmätta
temperaturer och gaskoncentrationer , se Figur 13 till Figur 18, visar att vattenbädden inte
har någon påverkan på testresultatet.
I Test 3 var oljan uppvärmd till 140°C. Den högre temperaturen på oljan hade ingen
effekt på det visuella resultatet. Däremot uppmättes högre gastemperaturer under
plåtrastret. Värmeavgivningen fortsatte under uppskattningsvis 120 sekunder efter att
oljan tippats ner i gropen. Detta medförde att produktionen av CO och CO2 förlängdes i
jämförelse med de andra två försöken.
Ovanför plåtrastret varken syntes eller uppmättes några större skillnader i temperatur
under de tre försöken. Detta indikerar att spridningsrisken för en brand av
transformatorolja under de testade förutsättningarna är minimal.
19
Referenser
[1] SEK Svenska Elektriska Kommissionen. SS 421 01 01 Starkströmsanläggningar med
nominell spänning överstigande 1 kV AC. 2004.
[2] 980-1994 R2001 - IEEE Guide for Containment and Control of Oil Spills in
Substations. 2001.
[3] FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 5-4 TRANSFORMERS. 2012.
[4] NFPA 70: National Electric Code. 2011.
[5] NFPA 850: Recommended practice for fire protection for electric generating plants
and high voltage direct current converter stations. 2010.
[6] IEC 60076-2 Power transformers - Part 2: Temperature rise. 1993.
20
5
Appendix A
5.1
Test 1: 90°°C olja, inget vatten
Termoelementträd A
Temperatur [°°C]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 19 Gastemperatur för termoelementträd A under test 1. 90°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd B
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 20 Gastemperatur för termoelementträd B under test 1. 90°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
21
Termoelementträd C
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 21 Gastemperatur för termoelementträd C under test 1. 90°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd D
Temperatur [°°C]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 22 Gastemperatur för termoelementträd D under test 1. 90°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
22
Termoelementträd E
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 23 Gastemperatur för termoelementträd E under test 1. 90°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
5.2
Test 2: 90°°C olja, 19 cm vatten
Termoelementträd A
Temperatur [°°C]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 24 Gastemperatur för termoelementträd A under test 2. 90°°C olja, 19cm vatten i
transformatorgropen.
23
Termoelementträd B
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 25 Gastemperatur för termoelementträd B under test 2. 90°°C olja, 19cm vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd C
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 26 Gastemperatur för termoelementträd C under test 2. 90°°C olja, 19cm vatten i
transformatorgropen.
24
Termoelementträd D
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 27 Gastemperatur för termoelementträd D under test 2. 90°°C olja, 19cm vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd E
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 28 Gastemperatur för termoelementträd E under test 2. 90°°C olja, 19cm vatten i
transformatorgropen.
25
5.3
Test 3: 140°°C olja, inget vatten
Termoelementträd A
Temperatur [°°C]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 29 Gastemperatur för termoelementträd A under test 3. 140°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd B
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 30 Gastemperatur för termoelementträd B under test 3. 140°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
26
Termoelementträd C
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 31 Gastemperatur för termoelementträd C under test 3. 140°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
Termoelementträd D
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 32 Gastemperatur för termoelementträd D under test 3. 140°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
27
Termoelementträd E
900
Temperatur [°°C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-30
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tid [s]
1 cm from the ground
20 cm from the ground
50 cm from the ground
75 cm from the ground
5 cm above the Profile Plank
50 cm above the Profile Plank
Figur 33 Gastemperatur för termoelementträd E under test 3. 140°°C olja, inget vatten i
transformatorgropen.
28
6
Appendix B, Datablad för
transformatoroljan
SP Technical Research Institute of Sweden
Our work is concentrated on innovation and the development of value-adding technology.
Using Sweden's most extensive and advanced resources for technical evaluation,
measurement technology, research and development, we make an important contribution to
the competitiveness and sustainable development of industry. Research is carried out in close
conjunction with universities and institutes of technology, to the benefit of a customer base of
about 10000 organisations, ranging from start-up companies developing new technologies or
new ideas to international groups.
SP Technical Research Institute of Sweden
Fire Technology
Box 857, SE-501 15 BORÅS, SWEDEN
SP Arbetsrapport 2013:09
Telephone: +46 10 516 50 00, Telefax: +46 33 13 55 02
ISSN 0284-5172
E-mail: [email protected], Internet: www.sp.se
www.sp.se
More information about publications published by SP: www.sp.se/publ