ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПОДСТАНЦИЮ С МАСЛЯНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ

УДК 614.841 DOI 10.25257ДЕ.2017.3.79-83

Пузач С. В., Горюшкин С. С.

ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПОДСТАНЦИЮ С МАСЛЯНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ

Авторами статьи был выполнен анализ наиболее вероятных причин, приводящих к возникновению пожара на электрической подстанции, а также были изучены масляные трансформаторы, установленные на подстанции и рассмотрены причины их возгорания. В ходе проведённого анализа была предложена математическая модель расчёта теплового воздействия лесного пожара на трансформаторную подстанцию, в результате чего было определено пожаробезопасное расстояние между подстанцией и лесом. В результате были получены данные, указывающие, что принятое в нормативных документах безопасное расстояние между подстанцией и кромкой лесного массива может привести к полному выходу её из строя в случае повального лесного верхового пожара.

Ключевые слова: лесной пожар, тепловое излучение, электрическая подстанция, трансформатор, трансформаторное масло, безопасное расстояние.

Тепловое воздействие лесного пожара на электрическую подстанцию, являющуюся одним из важнейших элементов линии передачи электроэнергии от электростанции к потребителю, может привести как к выходу из строя самой подстанции, так и большому экономическому и социальному ущербу.

В современных нормативных документах не приведены числовые значения или методики расчёта безопасного расстояния от подстанции до кромки лесного массива.

Математическое моделирование теплового воздействия лесного пожара на здания и сооружения представляет собой сложнейшую и до конца не решённую проблему [1-6].

В данной статье проведён анализ возможности выхода из строя электрической подстанции, предложен простой инженерный метод расчёта и выполнена оценка безопасного расстояния при возникновении верхового лесного пожара на примере подстанции ПС 110/10 кВ ОАО «МРСК Центра» (филиал ОАО «Воронежэнерго»), которая находится в посёлке Тепличном (пригород города Воронежа).

Краткая характеристика электрической подстанции. Схема расположения подстанции относительно лесного массива представлена на рисунке 1.

Основной горючей нагрузкой на электрической подстанции является трансформаторное масло, находящееся в трансформаторах. На подстанции установлены 2 силовых масляных трёхфазных двухобмоточных трансформатора ТДТН-25 000/110/У1 (ГОСТ14209-85) с регулированием напряжения под нагрузкой и системой охлаждения (рис. 2) для работы в электрических сетях общего назначения 110 кВ. В каждом трансформаторе находится 16,7 т трансформаторного масла.

Особенности развития пожара на электрической подстанции. Пожары в распределительных устройствах возникают в основном при авариях масло-наполненных аппаратов или из-за воспламенения изоляции [7]. Из них наиболее пожароопасными являются:

- масляные выключатели;

- трансформаторы (силовые, измерительные);

- реакторы и конденсаторы.

Трансформаторные масла

представляют собой горючие жидкости с температурой вспышки 135 °С.

Развитие пожаров в трансформаторах зависит от причин их возникновения и поведения корпуса трансформатора. При местном перегреве сердечника горение обычно носит тлеющий характер

Рисунок 1. Схема расположения подстанции относительно лесного массива: 1 - подстанция; 2 - трансформатор; 3 - бетонный забор ф = 2 м); 4 - лесной массив

и может продолжаться длительное время. При несвоевременном отключении трансформатора происходит короткое замыкание (КЗ) и горение в обмотках.

При межвитковых пробоях и КЗ в обмотке высокого напряжения и своевременном срабатывании аппаратов защиты наблюдается только местное выгорание обмотки. При большой мощности КЗ (чаще на стороне низкого напряжения) может произойти разрушение мембраны, консерватора и срыв крышки трансформатора с выбросом масла наружу. В случае длительного горения происходит разрушение консерватора, а затем корпуса трансформатора, в результате чего растекающееся масло создает угрозу соседним трансформаторам и устройствам.

Выделяющийся дым осложняет обстановку, так как твёрдые его частицы осаждаются на влажных изоляторах, снижая их диэлектрические свойства, что приводит к перекрытию изоляторов и образованию новых очагов горения.

Горение масла на трансформаторе приводит к разрушению других изоляторов и к падению токопроводов на землю. При этом корпус трансформатора может оказаться под напряжением. Наибольшие повреждения с разрывом корпуса трансформатора происходят при КЗ на входных или выходных токопроводах.

При тепловом воздействии на стенки трансформатора от лесного пожара происходит нагрев масла, что может привести его воспламенению и к срыву крышки трансформатора с выбросом масла наружу и его последующим горением. Следствием такого сценария развития пожара может быть полный выход из стоя электрической подстанции. Однако воспламенение масла внутри ёмкости маловероятно из-за отсутствия достаточного количества воздуха.

Более вероятный сценарий аварии заключается в следующем: при нагреве стенки трансформатора до критической температуры происходит её разрушение. Масло вытекает наружу и попа-

дает в маслоприёмник, так как весь объём масла не успевает поступать в маслоприёмное устройство, то происходит его воспламенение.

Требования к безопасным расстояниям от объектов электросетевого хозяйства. Согласно требованиям к границам установленных зон объектов электросетевого хозяйства охранные зоны устанавливаются [8]:

- вокруг подстанций - в таком случае охранные зоны представляют собой часть поверхности участка земли и воздушного пространства (на высоту, соответствующую высоте наивысшей точки подстанции), ограниченного вертикальными плоскостями, отстоящими от всех сторон ограждения подстанции по периметру на расстоянии 20 м для подстанций 110 кВ;

- вдоль воздушных линий электропередачи -в этом случае охранные зоны представляют собой часть поверхности участка земли и воздушного пространства (на высоту, соответствующую высоте опор воздушных линий электропередачи), ограниченного параллельными вертикальными плоскостями, отстоящими по обе стороны линии электропередачи от крайних проводов при неотклонённом их положении на расстоянии 20 м в случае номинального класса напряжения 110 кВ.

Однако научное обоснование выбора безопасного расстояния вокруг электрических подстанций в литературных источниках отсутствует.

Упрощенная математическая модель воздействия лесного пожара на подстанцию. Авторы статьи предлагают рассмотреть наиболее опасный вариант развития, при котором фронт пожара полностью охватывает кромку лесного массива, расположенного напротив ближайшего к нему трансформатора. Под тепловым воздействием пожара происходит нагрев стенки стального корпуса трансформатора, через которую теплота передаётся трансформаторному маслу.

Авторы данной статьи рекомендуют ввести следующие упрощения термогазодинамической картины пожара, которые позволят разработать упрощенную математическую модель теплового воздействия лесного пожара:

- не учитывается конвективный перенос тепла от горящего лесного массива к близлежащему трансформатору;

- отсутствует ветер;

- не учитывается перенос твёрдых горящих фрагментов лесной биомассы от фронта пламени.

Влияние данных факторов совместно с лучистым теплопереносом планируется проанализировать в дальнейших работах.

Поэтому в настоящей статье будет проанализирован только лучистый теплоперенос от фронта лесного пожара, который может представлять опасность при воспламенении горючих материалов,

находящихся на подстанции. Для предотвращения воспламенения горючие материалы должны находиться от кромки леса на безопасном расстоянии.

Необходимо также отметить, что ограждающий территорию подстанции бетонный забор не может служить защитным экраном для трансформаторов, так как он существенно ниже их (рис. 2). Поэтому при расчёте теплового потока не учитывалась площадь вертикальной поверхности кромки лесного массива (И = 2 м от земли), так как бетон обладает относительно высокими тепло-экранирующими свойствами.

Основой для простой математической модели расчёта нагрева стенки трансформатора от теплового излучения лесного пожара является уравнение лучистого теплообмена [9]:

от вида деревьев (береза, сосна и т. д.), влажности почвы и лесной биомассы и т. п. Таким образом, необходимо произвести уточнение приведённой степени черноты и температуры фронта лесного пожара, входящих в формулу (1), с помощью экспериментальных данных или математической модели более высокого уровня, например, с помощью полевой модели расчёта термогазодинамики пожара [10]. В данной работе для этого используется программа ШРОБ [11].

Для расчёта нагрева стенки трансформатора используется уравнение теплопроводности [12]:

ЭТ=д^ РС Эт " Эу

<7 = епрсо

ГО 4 f Т \ ст

liooj О 00 J

V.

где д - плотность теплового потока, попадающего на поверхность стенки, Вт/м2; Ги - температура излучающей поверхности фронта лесного пожара, К; Г - температура на облучаемой поверхности стенки, К; гпр - приведённая степень черноты системы «фронт пламени - стенка трансформатора»; с0 = 5,67 Вт/(м2-К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; V - коэффициент облучённости между излучающей и облучаемой поверхностями, в которой в неявной форме входит расстояние по нормали между излучающей и облучаемой поверхностями.

Коэффициент облучённости для одной четвертой части площади поверхности факела вычисляется по формуле:

arctg

arctg

где г - расстояние между стенкой трансформатора и фронтом лесного пожара по нормали, м; а и Ь -стороны прямоугольника пламени, м [9].

Приведённая степень черноты системы «фронт пламени - стенка трансформатора» в формуле (1) зависит от степени черноты 8ф фронта пламени лесного пожара, которая определяется геометрическими размерами деревьев и расстоянием между ними. Методик определения величины £ф в литературных источниках практически нет.

Температура излучающей поверхности фронта лесного пожара в формуле (1) зависит

где р - плотность материала стенки, 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.

Исходные данные для численных экспериментов. В данной статье авторами рассматривается повальный верховой пожар, когда огонь движется сплошной стеной от надпочвенного покрова до крон деревьев [5].

Топографическая карта показывает, что на 1 м2 площади кромки лесного массива вблизи подстанции приходится четыре дерева (ель) с толщиной ствола 0,3 м.

Средняя высота лесного массива, расположенного возле станции, равна 12 м. Длина подстанции составляет 42,5 м, расстояние между лесным массивом и трансформатором равно 21 м (рис. 1). Толщина стального корпуса трансформатора составляет 2,5 мм.

Средние эффективные температуры излучающей поверхности лесного массива принимаются равными 900, 1 050 и 1 300 °С. Степень черноты фронта пламени 8ф лесного пожара равна 1 (наиболее опасный случай).

Теплофизические свойства стальной стенки трансформатора:

- р = 7 800 кг/м3;

- с = 470 + 0,211 + 5,0- 10-4t2 Дж/(кг-К);

- I = 58 - 0,042t Вт/(м-К), где t - температура в градусах Цельсия.

Критическая температура Ткр для стенки трансформатора равна 500 °С [10]. Для трансформаторного масла температура вспышки Тв составляет 135 °С, температура самовоспламенения Тсв принимается равной 380 °С (ГОСТ 982-80).

Результаты численных экспериментов и их анализ. Для более обоснованного выбора температуры на границе лесного массива авторы настоящей статьи использовали программу WFDS [11].

Результаты расчётов показали, что максимальное значение средней температуры излучающей поверхности лесного массива составило 1 085 °С.

Зависимость плотности лучистого теплового потока от расстояния по нормали к фронту лесного пожара при вышеуказанной температуре представлена на рисунке 3.

Зависимости средней температуры стенки трансформатора в наиболее нагретом сечении от времени с начала пожара при различных эффективных температурах излучающей поверхности фронта лесного пожара приведены на рисунке 4.

Из рисунка 4 видно, что при средней температуре излучающей поверхности лесного массива Ти = 1 050 °С (кривая 2), близкой к температуре Ти = 1085 °С (получена с использованием программы WFDS [11]), промежутки времени от начала лесного пожара до достижения пожароопасных температур масла внутри трансформатора равны:

- тв = 4,75 мин (вспышка паров);

- тсв = 9,5 мин (самовоспламенение).

Разрушение стенки трансформатора происходит через тсв = 12,1 мин. Таким образом, возгорание трансформаторного масла внутри корпуса трансформатора может произойти менее чем за 5 мин от начала воздействия теплового потока от горящего лесного массива.

При расстоянии от трансформатора до кромки леса более 70 м, когда величина плотности лучистого теплового потока не превышает 10 кВт/м2, пожарная опасность разрушения трансформатора и возгорания трансформаторного масла отсутствует.

В результате проведённых расчётов авторы пришли к выводы, что в случае повального лесного верхового пожара безопасное расстояние от лесного массива до трансформатора подстан-

q, кВт/м 80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -

0

10

12

14

18

80

Рисунок 3. Зависимостьплотности лучистого теплового потока от расстояния по нормали к фронту лесного пожара

t, °С 1 300 1 200 1 100 1 000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

0

5

10

15

20

25

Рисунок 4. Зависимости средней температуры стенки трансформатора в наиболее нагретом сечении от времени с начала пожара:

1 - Т = 900 °С; 2 - Т = 1 050 °С; 3 - Т = 1 300 °С;

4

T = 500 °С; 5

кр

T = 135 °С; 6 - T = 380 °С

ции ПС 110/10 кВ ОАО «МРСК Центра» должно составлять не менее 70 м, в то время как охранная зона ограждения подстанции устанавливается равной 20 м [8]. При невозможности обеспечить вышеуказанное условие, трансформатор должен иметь защитный экран.

r, м

4

6

8

30

ЛИТЕРАТУРА

1. 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.

2. Гришин А. М. О математическом моделировании природных пожаров и катастроф // Вестник томского государственного университета. Математика и механика. -2008. - № 2 (3). -С. 105-114.

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. Шаталов П. С., Вдовенко М. С., Доррер Г. А. Параллельные алгоритмы моделирования процессов распространения лесных пожаров на основе математических моделей различных типов // Вычислительные технологии. - 2013. - Т. 18, № 1. -С. 3-14.

5. Щетинский Е. А. Спутник руководителя тушения лесных пожаров. - М.: ВНИИЛМ, 2003. - 96 с.

6. Пузач С. В., Ярошенко А. В., Кузнецов С. Л. Математическая модель распространения кромки природного пожара с учётом основных особенностей растительности, ландшафта местности и состояния атмосферы // Материалы 20-й научно-

технической конференции «Системы безопасности - 2011». -М.: Академия ГПС МЧС России, 2011. - С. 195-197.

7. Особенности развития пожаров на объектах энергетики [Электронный ресурс] // Энергетика. Оборудование. Документация [сайт]. Режим доступа: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/ tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (Дата обращения: 15.05.2017 г.).

8. Постановление Правительства РФ от 26 августа 2013 № 736 «О некоторых вопросах установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства».

9. Кошмаров Ю. А. Теплотехника. Учебник. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2006. - 501 с.

10. Пузач С. В. Методы расчёта тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. Монография. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 336 с.

11. Models of forest fires. Fire and Environmental Research Applications team // FERA [сайт]. Режим доступа: https:// www.fs.fed.us/pnw/fera/

12. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

Материал поступил в редакцию 28 июня 2017 года.

Puzach S., Goriushkin S.

ASSESSMENT OF THE FOREST FIRE THERMAL EFFECT ON THE ELECTRICAL SUBSTATION WITH OIL TRANSFORMERS

ABSTRACT

Purpose. Assessment of the forest fire thermal effect on the electrical substation with oil transformers is carried out.

Methods. Mathematic simulation by means of the proposed evaluation model of the forest fire thermal effect on the electrical substation is used.

Findings. The developed mathematic model update based on numerical experiments, that have been carried out using the three-dimensional field model of fire thermogasdynamics analysis is carried out. Analysis of radiant heat fluxes densities incoming to the transformers surface of the live electrical substation at adjacent forestland edge burning is performed. It is demonstrated that ignition of transformer oil inside the transformer tank can occur in less than

5 minutes from the beginning of the heat flux effect from the burning forestland at the general crown forest fire.

Research application field. The data mentioned in the article can be used at analysing of forest fire thermal effect on electrical substations with oil transformers.

Conclusions. The safe distance between the electrical substation and the forestland edge adopted in fire safety regulations can lead to its complete failure in case of the general crown forest fire.

Key words: forest fire, thermal radiation, electric substation, transformer, transformer oil, safe distance.

REFERENCES

1. 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, 2012, no. 1, pp. 29-39. (in Russ.).

2. Grishin A.M. About mathematical modelling natural fires and catastrophes. Vestnik tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika imekhanika, 2008, no. 2 (3), p. 105-114. (in Russ.).

3. Kuleshov A.A., Myshetskaia E.E., Iakush S.E. Numerical simulation of forest fire spread based on modifired 2D model. Matematicheskoe modelirovanie. 2016, vol. 28, no. 12, pp. 20-32. (in Russ.).

4. Shatalov P.S., Vdovenko M.S., Dorrer G.A. Parallel algorithms for modeling the spread of forest fires on the basis of mathematical models of different types. Vychislitel'nye tekhnologii, 2013, vol. 18, no. 1, pp. 3-14. (in Russ.).

5. Shchetinskii E. A. Sputnik rukovoditelia tusheniia lesnykh pozharov [Sputnik of the head of extinguishing forest fires]. Moscow, Vserossiiskii nauchno-issledovatel'skii institut l'na Publ., 2003. 96 p.

6. Puzach S.V., Iaroshenko A.V., Kuznetsov S.L. Mathematical model of the distribution of the edge of a natural fire, taking into account the main features of vegetation, landscape and atmosphere conditions. Materialy 20-i nauch.-tekh. konf. "Sistemy bezopasnosti -2011" [Materials of the 20th sci. and tech. conf. "Security Systems -

2011"]. - Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2011, p. 195-197. (in Russ.).

7. Features of fires development at power facilities. Power engineering. Equipment. Documentation. Available at: http:// forca.ru/knigi/oborudovanie/tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (accessed May 15 2017). (in Russ.).

8. Decree of the Government of the Russian Federation on August 26, 2013, no. 736 "On some issues of establishing security zones for electric grid facilities". (in Russ.).

9. Koshmarov Iu.A. Teplotekhnika [Heat engineering]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2006. 501 p.

10. Puzach S.V. Metody rascheta teplomassoobmena pri pozhare v pomeshchenii i ikh primenenie pri reshenii prakticheskikh zadach pozharovzryvobezopasnosti [Methods for calculating heat and mass transfer during a fire in a room and their application in solving practical fire and explosion safety problems]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 336 p.

11. Models of forest fires. Fire and Environmental Research Applications team. Available at: https://www.fs.fed.us/pnw/fera/ (accessed March 5, 2017).

12. Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of the theory of heat transfer]. Moscow, Atomizdat Publ., 1979. 416 p.

Sergei Puzach I Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

SERGEi Goriushkin State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia