Brandtest av plåtraster för transformatorgropar

(1)

Brandtest av plåtraster för transformatorgropar

Johan Lindström, Michael Försth

Brandteknik SP Arbetsrapport 2013:09 Översättning av den engelska originalrapporten

S

P

T

ech

ni

ca

l R

ese

ar

ch

In

st

itu

te

o

f S

w

ed

en

(2)

Brandtest av plåtraster för

transformatorgropar

(3)

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 Försöksuppställning 6 2.2 Försöksprotokoll 10

3 Resultat och diskussion 13

3.1 Visuella observationer 13 3.2 Gastemperaturer 14 3.3 Gaskoncentrationer 16 4 Slutsats 18 Referenser 19 5 Appendix A 20

5.1 _{Test 1: 90°C olja, inget vatten} 20

5.2 _{Test 2: 90°C olja, 19 cm vatten} 22

5.3 _{Test 3: 140°C olja, inget vatten} 25

(5)

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)

7

Figur 1 Plåtrastret som vilar på vinkeljärn.

Följande symboler används i Figur 2 och Figur 3: Gas sampling (CO, CO2, O2)

Termoelementträd

(8)

Figur 3 Vy över försöksuppställningen sett från ovan.

(9)

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.

(11)

11

Figur 7 Uppvärmning av oljan med en gasbrännare.

(12)

Figur 9 Brandutvecklingen precis innan oljan tippas i transformatorgropen. (3:23 min:sek).

(13)

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.

(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)

15

Figur 13 Gastemperaturer under försök 1 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 90°°°°C och det fanns inget vatten i transformatorgropen.

Figur 14 Gastemperatur under försök 2 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 90°°°°C och det fanns 19 cm vatten i transformatorgropen.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd A, Test 1

1 cm from the ground 20 cm from the ground

5 cm above the Profile Plank 50 cm above the Profile Plank

Termoelementträd A, Test 2

(16)

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

Figur 16 Uppmätt CO koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2 och Figur 3. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd A, Test 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 K o n ce n tr a ti o n [ v o l % ] Tid [s]

CO

Test 1, center Test 1, 1 m from back end

(17)

17

Figur 17 Uppmätt CO2 koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2 och Figur 3.

Figur 18 Uppmätt O2 koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2 och Figur 3. 0 2 4 6 8 10 12 14 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 C o n ce n tr a ti o n [ v o l % ] Time [s]

CO

₂

0 5 10 15 20 25 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 C o n ce n tr a ti o n [ v o l % ] Time [s]

O

₂

(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

(19)

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.

(20)

5 Appendix A

5.1 _{Test 1: 90°°°°C olja, inget vatten}

Figur 19 Gastemperatur för termoelementträd A under test 1. 90°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen.

Figur 20 Gastemperatur för termoelementträd B under test 1. 90°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd A

Termoelementträd B

(21)

21

Figur 21 Gastemperatur för termoelementträd C under test 1. 90°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen.

Figur 22 Gastemperatur för termoelementträd D under test 1. 90°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd C

Termoelementträd D

(22)

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}

Figur 24 Gastemperatur för termoelementträd A under test 2. 90°°°°C olja, 19cm vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd E

Termoelementträd A

(23)

23

Figur 25 Gastemperatur för termoelementträd B under test 2. 90°°°°C olja, 19cm vatten i transformatorgropen.

Figur 26 Gastemperatur för termoelementträd C under test 2. 90°°°°C olja, 19cm vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd B

Termoelementträd C

(24)

Figur 27 Gastemperatur för termoelementträd D under test 2. 90°°°°C olja, 19cm vatten i transformatorgropen.

Figur 28 Gastemperatur för termoelementträd E under test 2. 90°°°°C olja, 19cm vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd D

Termoelementträd E

(25)

25

5.3 _{Test 3: 140°°°°C olja, inget vatten}

Figur 29 Gastemperatur för termoelementträd A under test 3. 140°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen.

Figur 30 Gastemperatur för termoelementträd B under test 3. 140°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd A

Termoelementträd B

(26)

Figur 31 Gastemperatur för termoelementträd C under test 3. 140°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen.

Figur 32 Gastemperatur för termoelementträd D under test 3. 140°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd C

Termoelementträd D

(27)

27

Figur 33 Gastemperatur för termoelementträd E under test 3. 140°°°°C olja, inget vatten i transformatorgropen. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 T e m p e ra tu r [°°°° C ] Tid [s]

Termoelementträd E

(28)

6 Appendix B, Datablad för

transformatoroljan

(29)

SP Technical Research Institute of Sweden

Box 857, SE-501 15 BORÅS, SWEDEN

Telephone: +46 10 516 50 00, Telefax: +46 33 13 55 02 E-mail: info@sp.se, Internet: www.sp.se

www.sp.se

Fire Technology

SP Arbetsrapport 2013:09 ISSN 0284-5172

More information about publications published by SP: www.sp.se/publ

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.