摘 要：近年來，多起變壓器火災(zāi)事故對供電區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大損失，嚴(yán)重影響了正常社會(huì)秩序。高效抑制熄滅變壓器油火的水成膜泡沫滅火劑引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，目前水成膜泡沫滅火劑種類繁多，缺乏用于評(píng)估泡沫穩(wěn)定性的方法。為了探究泡沫穩(wěn)定性影響水成膜泡沫滅火劑熄滅變壓器油池火的有效性，本文基于電導(dǎo)率模型和熱穩(wěn)定體積法提出了泡沫穩(wěn)定性指數(shù)的測試方法，討論了17種泡沫滅火劑所形成泡沫的穩(wěn)定性指數(shù)，探究了泡沫穩(wěn)定性在熄滅中尺度變壓器油火的有效性。結(jié)果表明，泡沫的穩(wěn)定性在泡沫滅火劑熄滅變壓器油池火過程中起著關(guān)鍵作用。電導(dǎo)率法與熱穩(wěn)定體積法均可以用于評(píng)估泡沫的穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性體積法是一種可操作性強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確的方法。

　　關(guān)鍵詞：變壓器火災(zāi);水成膜泡沫滅火劑;泡沫穩(wěn)定性;電導(dǎo)率法

　　引 言

　　近年來，隨著城市居民對電力的需求不斷提高，變壓器經(jīng)常處于超負(fù)荷、高溫運(yùn)作狀態(tài)，存在一定安全隱患[1]。油浸式變壓器作為核心電力設(shè)備已廣泛應(yīng)用于電廠和變電站，但近年來油浸變壓器火災(zāi)事故頻發(fā)，造成了嚴(yán)重后果[2-3]。水成膜泡沫滅火劑被廣泛應(yīng)用于熄滅變壓器火災(zāi)[4-6]。泡沫穩(wěn)定性在滅火過程中起著關(guān)鍵作用。目前，泡沫滅火劑種類繁多，性能差異較大，缺少快速、準(zhǔn)確評(píng)估滅火劑泡沫穩(wěn)定性的方法[7]。因此，泡沫穩(wěn)定性測試方法需要進(jìn)一步研究。泡沫的穩(wěn)定性是指泡沫破裂的難易度[8]。關(guān)于泡沫滅火劑的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究。賀元驊、陳現(xiàn)濤等研究了低壓環(huán)境下變量對泡沫穩(wěn)定性的影響[9-11]。蔣新生等通過在泡沫滅火劑中加入多種添加劑，討論了高溫條件下三相泡沫的形態(tài)變化規(guī)律，確定了最優(yōu)的粉體添加劑[12]。陳偉紅、唐寶華等通過加入固體添加劑，有效提高了泡沫滅火劑的穩(wěn)定性[13-14]。羅文利等采用一種高溫靜置法評(píng)價(jià)了泡沫穩(wěn)定性[15]。ABU等通過將納米粘土加入水相泡沫，開發(fā)出一種可在熱油面穩(wěn)定數(shù)小時(shí)的新型泡沫滅火劑[16]。

　　GHISLAIN等探究了無機(jī)鹽的穩(wěn)泡性能，其結(jié)果表明當(dāng)鈉鹽濃度較高時(shí)穩(wěn)泡效果較好[17]。該結(jié)果與CRAIG的研究具有一致性[18]。RANJBAR等以水成膜泡沫滅火劑為研究對象，探究了影響油面泡沫熱穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[19]。為了獲得具有高穩(wěn)定性的泡沫，ANNE等討論了空心玻璃珠與其他合劑復(fù)配方案[20]。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前的研究主要以提高泡沫熱穩(wěn)定的措施為主，缺乏穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的探究。人們對準(zhǔn)確、快速評(píng)估泡沫穩(wěn)定性方法的認(rèn)識(shí)尚存在較大的不足，因此，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對評(píng)價(jià)泡沫穩(wěn)定性的方法深入分析，有助于開發(fā)出具有高穩(wěn)定性的泡沫滅火劑。本文針對泡沫滅火劑的穩(wěn)定性評(píng)估方法，首先基于電導(dǎo)率法和熱穩(wěn)定體積法提出泡沫穩(wěn)定性計(jì)算方法;其次，在相同的條件下，采用電導(dǎo)率法和熱穩(wěn)定體積法對17種水成膜泡沫滅火劑的泡沫穩(wěn)定性指數(shù)進(jìn)行對比分析，最后采用中尺度泡沫發(fā)生裝置驗(yàn)證了泡沫穩(wěn)定性影響泡沫熄滅變壓器油的滅火效率，為快速、準(zhǔn)確篩選出具有較高泡沫穩(wěn)定性的滅火劑提供理論支持。

　　1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

　　1.1 泡沫掃描儀泡沫掃描儀(FOAMSCAN)購于法國TECLIS-IT Concept公司，主要用于評(píng)價(jià)起泡性能和泡沫穩(wěn)定性能，如圖1所示。泡沫掃描儀通過光學(xué)法可以準(zhǔn)確計(jì)算出泡沫半衰期、液體半衰期、起泡能力、泡沫膨脹系數(shù)、泡沫密度、泡沫穩(wěn)定系數(shù)、Bikerman系數(shù)等[21]。同時(shí)，該儀器還裝載了電導(dǎo)率測試模塊，可以準(zhǔn)確測試液相和泡沫的電導(dǎo)率系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)的測試條件如下

　　1)液體電導(dǎo)率的矯正。首先將待測的泡沫液體10 mL加入到泡沫掃描儀的裝液倉，對泡沫液的電導(dǎo)率進(jìn)行多點(diǎn)矯正，本次實(shí)驗(yàn)采用了3點(diǎn)矯正法。對泡沫液進(jìn)行多次測量，直至3點(diǎn)所測值呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性。

　　2)泡沫電導(dǎo)率的測定。待到系統(tǒng)穩(wěn)定后，將30 mL泡沫液分3次加入到裝液倉內(nèi)。向泡沫掃描儀中持續(xù)通200 mL/min的氮?dú)? min，隨后儀器將根據(jù)所測的電導(dǎo)率值確定泡沫體積和液體體

　　積。此后，記錄10 min內(nèi)的泡沫和液體的電導(dǎo)率值。

　　3)實(shí)驗(yàn)儀器的清洗。采用蒸餾水不斷清洗泡沫掃描儀內(nèi)部，直至不再產(chǎn)生泡沫為止。

　　1.2 泡沫的熱穩(wěn)定性測量裝置泡沫的熱穩(wěn)定性測量裝置主要由溫度控制部分和泡沫體積測量裝置組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。溫度控制部分，主要采用高精度油浴控溫系統(tǒng)。體積測量裝置采用不同體積量筒。本實(shí)驗(yàn)的測量條件：將20 mL的變壓器油(昆侖25號(hào))導(dǎo)入250 mL的量筒中。然后，將量筒置于油浴控制系統(tǒng)中并準(zhǔn)確控制油浴溫度為88 ℃。待油溫穩(wěn)定均勻后(30 min)，將220 mL泡沫導(dǎo)入量筒中，記錄泡沫體積隨時(shí)間變化規(guī)律。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)樣品 本文選用了17種水成膜泡沫滅火劑，其編號(hào)為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P，Q，如圖3所示。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 電導(dǎo)率法泡沫穩(wěn)定性模型目前，針對泡沫的評(píng)價(jià)方法主要有體積法、電導(dǎo)率法、壓力法等[22]。鑒于泡沫是由大量被液膜隔開的氣泡組成，其中液相導(dǎo)電，氣相不導(dǎo)電的特點(diǎn)，通過測量泡沫的電導(dǎo)率變化規(guī)律可以精準(zhǔn)地獲得泡沫穩(wěn)定性的信息[23]。目前國標(biāo)GB/T 7462-94采用體積法進(jìn)行泡沫穩(wěn)定性評(píng)估[10]。與體積法相比，電導(dǎo)率法具有靈敏度高、能連續(xù)監(jiān)測泡沫穩(wěn)定性和液膜排液行為的變化情況等優(yōu)點(diǎn)[24]。然而，電導(dǎo)率法裝置比較復(fù)雜、測量成本較高。在電導(dǎo)率法中，泡沫的起泡性能是根據(jù)初始電導(dǎo)率(

　　I=Ci)確定，其中I為氣體切斷后泡沫的瞬時(shí)電導(dǎo)率，該方法常被用來表征泡沫滅火劑的發(fā)泡性能。Is為單位通氣時(shí)間下的初始電導(dǎo)率，fN2為氮?dú)獾钠鹋菟俾食?shù)，

　　f1CO2和f2CO2為二氧化碳的起泡速率常數(shù)，u為液體吸收速率常數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，通過3對電極獲取泡沫的穩(wěn)定性參數(shù)。其中，1號(hào)和2號(hào)電極可以獲取

　　IS，fN2，f1CO2和

　　f2CO2。3號(hào)電極可以獲取u.IS的具體定義如下[25]

　　IS=Its(ms·cm-1·s-1)

　　(1)

　　其中，ts中觀察到第1個(gè)氣泡到泡沫體積達(dá)到預(yù)定體積所花的時(shí)間[26]。

　　fN2的計(jì)算公式如下

　　fN2=ΔCt

　　Δln(t)

　　(ms·cm-1)

　　(2)

　　其中，Ct為泡沫在時(shí)間t時(shí)的泡沫電導(dǎo)率值。基于以上原理引入泡沫穩(wěn)定性指數(shù)(foam stability index)FSI的計(jì)算公式如下

　　FSI=C0ΔtΔCt

　　(s)

　　(3)

　　式中 ΔCt為單位時(shí)間Δt內(nèi)泡沫電導(dǎo)率C的變化量;

　　C0為電導(dǎo)率曲線在1分鐘時(shí)的切線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)，如圖4所示。

　　2.2 電導(dǎo)率法結(jié)果分析本研究以市場上17種水成膜泡沫滅火劑為研究對象，根據(jù)泡沫掃描儀測得的泡沫電導(dǎo)率，計(jì)算出不同泡沫滅火劑的FSI結(jié)果見表1。

　　結(jié)果表明泡沫滅火劑K具有較好的泡沫穩(wěn)定性，泡沫滅火劑J具有較差的泡沫穩(wěn)定性。圖5給出了泡沫掃描儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對比可知，K、J泡沫滅火劑的差別主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。從泡沫體積變化曲線可以看出，J泡沫滅火劑的泡沫體積存在驟降現(xiàn)象，且重復(fù)實(shí)驗(yàn)后該現(xiàn)象仍然存在。

　　與K泡沫滅火劑相比，單位時(shí)間內(nèi)J泡沫滅火劑的泡沫體積減少量更大。從電導(dǎo)率曲線可知，K泡沫滅火劑的曲線更加穩(wěn)定，電導(dǎo)率的下降速度明顯小于J泡沫滅火劑。通過分析泡沫的直徑變化率可以看出，K滅火劑泡沫細(xì)密、含水量高、氣泡形態(tài)穩(wěn)定性好。相反，J泡沫滅火劑在300，600和900 s時(shí)都存在較多大氣泡，且隨著時(shí)間變化液泡直徑急劇增大。以上3個(gè)方面表明K泡沫滅火劑的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于J泡沫滅火劑。綜上，電導(dǎo)率法能夠從泡沫機(jī)理上對不同滅火劑的穩(wěn)定性進(jìn)行說明，其結(jié)果更加精確、可靠。

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