Brandtest av plåtraster för transformatorgropar

Brandtest av plåtraster för transformatorgropar SP Technical Research Institute of Sweden Johan Lindström, Michael Försth Brandteknik SP Arbetsrapport 213:9 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 9 C and 14 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 9 C and 14 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 213:9 ISSN 284-5172 Borås 213

4 Innehållsförteckning Abstract 3 Innehållsförteckning 4 Förord 5 1 Introduktion 6 2 Brandförsök 6 2.1 Försöksuppställning 6 2.2 Försöksprotokoll 1 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 2 5.1 Test 1: 9 C olja, inget vatten 2 5.2 Test 2: 9 C olja, 19 cm vatten 22 5.3 Test 3: 14 C olja, inget vatten 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 1 1[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 3 mm djupt och med en kornstorlek av omkring 4/6 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 8 cm. Figur 2 visar en sidovy över försöksuppställningen. Transformatoroljan förvarades i en tippvagn med en total volym på 6 liter. Temperaturerna under brandförsöken mättes på fem olika positioner i Positionerna för mätningar av temperaturen benämns A-E och visas visuellt i Figur 3. Varje position innehåller ett termoelementträd med mätpunkter 1, 2, 5, 75, 85 och 13 cm ovanför botten på Mätpunkterna på 85 och 13 cm var ovanför plåtrastret. Gassampling för analys av CO, CO 2 och O 2 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, CO 2, O 2 ) 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 1X, 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 6 C [6] till en

1 temperatur på 9 C. För att utöka informationsinhämtningen från försöken genomfördes ett försök (försök 3) med transformatorolja som uppvärmts till 14 C, vilket är dess flampunkt. I försök 2 var scenariot samma som i försök 1 med 9 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 Figur 9 visar den brinnande oljan två sekunder innan oljan tippas ner i Figur 1 visar när oljan tippas ner i Alla tre testerna var genomförda med samma upplägg. Nedan följer en beskrivning av vad som var skillnaden mellan de olika försöken: Test 1: 4 l olja Uppvärmd till 9 C innan antändning Förbrinningstid på 1:25 (min:sek) Test 2: 37 l olja Uppvärmd till 9 C innan antändning Förbrinningstid på 1:25 (min:sek) Transformatorgropen innehöll en vattenbädd på 19 cm Test 3: 3 l olja Uppvärmd till 14 C innan antändning Förbrinningstid på 1:5 (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 3 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 (3:23 min:sek). Figur 1 Tippning av den brinnande transformatoroljan ner i (3:25 min:sek).

13 3 Resultat och diskussion 3.1 Visuella observationer Figur 11 visar flamhöjden när den brinnande oljan tippas ner i 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 (3:29 min:sek).

14 Figur 12 Alla synliga lågor upphörde bara sekunder efter att oljan tippats ner i (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 14 C vid detta försök (9 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 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 13 Gastemperaturer under försök 1 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 9 C och det fanns inget vatten i Termoelementträd A, Test 2 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 14 Gastemperatur under försök 2 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 9 C och det fanns 19 cm vatten i

16 Termoelementträd A, Test 3 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 15 Gastemperatur under försök 3 vid termoelementträd A. Oljans temperatur var 14 C och det fanns inget vatten i 3.3 Gaskoncentrationer Gaskoncentrationer från de två mätpunkterna visas i Koncentration [vol %] CO 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 Test 1, center Test 2, center Test 3, center Test 1, 1 m from back end Test 2, 1 m from back end 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 CO 2 Concentration [vol %] 14 12 1 8 6 4 2-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 Time [s] Test 1, center Test 2, center Test 3, center Test 1, 1 m from back end Test 2, 1 m from back end Test 3, 1 m from back end Figur 17 Uppmätt CO 2 koncentration under samtliga tre försök vid de två positioner som visas i Figur 2 och Figur 3. 25 O 2 Concentration [vol %] 2 15 1 5-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 Time [s] Test 1, center Test 2, center Test 3, center Test 1, 1 m from back end Test 2, 1 m from back end Test 3, 1 m from back end Figur 18 Uppmätt O 2 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 14 C. Den högre temperaturen på oljan hade ingen effekt på det visuella resultatet. Däremot uppmättes högre gastemperaturer under plåtrastret. Värmeavgivningen fortsatte under uppskattningsvis 12 sekunder efter att oljan tippats ner i gropen. Detta medförde att produktionen av CO och CO 2 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 1 1 Starkströmsanläggningar med nominell spänning överstigande 1 kv AC. 24. [2] 98-1994 R21 - IEEE Guide for Containment and Control of Oil Spills in Substations. 21. [3] FM Global Property Loss Prevention Data Sheets 5-4 TRANSFORMERS. 212. [4] NFPA 7: National Electric Code. 211. [5] NFPA 85: Recommended practice for fire protection for electric generating plants and high voltage direct current converter stations. 21. [6] IEC 676-2 Power transformers - Part 2: Temperature rise. 1993.

2 5 Appendix A 5.1 Test 1: 9 C olja, inget vatten Termoelementträd A 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 19 Gastemperatur för termoelementträd A under test 1. 9 C olja, inget vatten i Termoelementträd B 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 2 Gastemperatur för termoelementträd B under test 1. 9 C olja, inget vatten i

21 Termoelementträd C 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 21 Gastemperatur för termoelementträd C under test 1. 9 C olja, inget vatten i Termoelementträd D 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 22 Gastemperatur för termoelementträd D under test 1. 9 C olja, inget vatten i

22 Termoelementträd E 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 23 Gastemperatur för termoelementträd E under test 1. 9 C olja, inget vatten i 5.2 Test 2: 9 C olja, 19 cm vatten Termoelementträd A 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 24 Gastemperatur för termoelementträd A under test 2. 9 C olja, 19cm vatten i

23 Termoelementträd B 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 25 Gastemperatur för termoelementträd B under test 2. 9 C olja, 19cm vatten i Termoelementträd C 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 26 Gastemperatur för termoelementträd C under test 2. 9 C olja, 19cm vatten i

24 Termoelementträd D 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 27 Gastemperatur för termoelementträd D under test 2. 9 C olja, 19cm vatten i Termoelementträd E 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 28 Gastemperatur för termoelementträd E under test 2. 9 C olja, 19cm vatten i

25 5.3 Test 3: 14 C olja, inget vatten Termoelementträd A 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 29 Gastemperatur för termoelementträd A under test 3. 14 C olja, inget vatten i Termoelementträd B 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 3 Gastemperatur för termoelementträd B under test 3. 14 C olja, inget vatten i

26 Termoelementträd C 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 31 Gastemperatur för termoelementträd C under test 3. 14 C olja, inget vatten i Termoelementträd D 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 32 Gastemperatur för termoelementträd D under test 3. 14 C olja, inget vatten i

27 Termoelementträd E 9 8 7 6 5 4 3 2 1-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 42 45 48 1 cm from the ground 2 cm from the ground 5 cm from the ground 75 cm from the ground 5 cm above the Profile Plank 5 cm above the Profile Plank Figur 33 Gastemperatur för termoelementträd E under test 3. 14 C olja, inget vatten i

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 1 organisations, ranging from start-up companies developing new technologies or new ideas to international groups. SP Technical Research Institute of Sweden Box 857, SE-51 15 BORÅS, SWEDEN Telephone: +46 1 516 5, Telefax: +46 33 13 55 2 E-mail: info@sp.se, Internet: www.sp.se www.sp.se Fire Technology SP Arbetsrapport 213:9 ISSN 284-5172 More information about publications published by SP: www.sp.se/publ