换流变压器阀厅抗爆门抗冲击性能实验研究

杨黎波，赵欣宇，董一夫，付万璋，任家帆

(1.国网电力科学研究院 武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.南京理工大学 化工学院，南京 210094)

抗爆门主要用于石油化工、电力工业、石油化工、军工、部队等工业建筑的各种房间，以及辅助建筑的各种房间[1]，诸如避难所、变电站、控制室或通道等。近年来在国内外爆炸事故频繁发生，因抗爆门性能不足造成的殉燃殉爆导致损失大幅增加，因此抗爆门在确保生命财产安全方面发挥着重要作用。

对于不同应用领域的抗爆门的性能和设计理论，国内外人员做了很多有意义的研究。许柯等人通过数值模拟研究了高阻尼橡胶在加固防护门方面的效果和机理[2,3]，并通过设计激波管实验，验证了数值模拟的可靠性，研究发现橡胶板和钢板存在一个使加固效果提升明显的最优厚度范围。张寅等人通过数值模拟利用等效TNT的方法研究了结构设计对抗爆门抗爆性能的影响[4]，结果表明，通过增大防爆门迎爆面的面板厚度及其内部骨架梁数能够显著的提高抗爆性能。Yan等人分析了边长比、阻尼比、爆炸荷载等因素对抗爆门的影响[5-7]，结果表明：随着边长比的增大，正、负剪力峰值逐渐减小，此外，在爆炸荷载作用下，阻尼比和相对正剪切力几乎没有影响，甚至可以忽略，但对负剪切力的影响很大。谭朝明、肖长亮等人通过有限元软件LS-DYNA，对抗爆门在爆炸冲击载荷作用下的动力响应进行分析，获得其整机及局部等位移变化、应力分布等参数，为抗爆门设计提供依据[8-10]。

尽管国内外研究人员对抗爆门的性能、设计理论等进行了大量研究。但是，有关换流变压器阀厅抗爆门设计的数据相对较少，在实际设计中，由于抗爆效果不同、应用条件不同、抗爆门尺寸不同，因此应对抗爆门的工程设计应该根据具体情况进行测试和验证。

换流站是直流输电线路最重要的节点，保证换流站安全、稳定运行是直流输电的关键，换流变压器是换流站最重要的设备之一。当换流变因故障发生火灾时，由于压力瞬间增大，变压器油热解产生蒸气，可能会引起严重爆炸事故[11]，对阀厅内设备产生严重的破坏，造成巨大的经济损失。因此需要在不影响换流变正常运行的前提下，采取必要的设备防护措施，最大程度降低火灾爆炸事故下造成的经济损失。本文通过对有泡沫铝填充及无泡沫铝填充的换流变压器区域抗爆门进行TNT爆炸冲击试验，验证抗爆门的抗冲击性能。

1 爆炸荷载的确定

爆炸发生时，爆炸载荷经常以冲击波形式作用在建构物上，爆炸的时间、位置和方式不确定，这增加了抗爆设计的难度。但是，爆炸对建构物的破坏属于冲击破坏，即爆炸载荷具有作用时间短，强度高的特点。为了简化计算，根据“超压的峰值相等，正压的脉冲相同”的原理，将爆炸发生时产生的空气冲击波的超压简化为三角波，而不需要增压阶段。抗爆门的抗爆载荷公式如下

(1)

式中：Pmax为最大脉冲压力值；t为冲击荷载作用时间。

2 抗爆门抗爆性能实验方案

2.1 试验材料及设备

2.1.1 试验样本

本次实验样本有四个，其中样本1和样本3均为304不锈钢方管框架和Q235钢门扇构成的无填充样本，样本2和样本4均为在样本1、3中填充泡沫铝，泡沫铝厚度为60 mm。抗爆门门扇长为1.5 m，宽为1 m，厚度为3 mm。方钢壁厚6 mm，长宽均为80 mm。具体样本如图1和图2所示。

图 1 无填充样本Fig. 1 Unfilled samples

图 2 有填充样本Fig. 2 Filled samples

2.1.2 试验设备

(1)自由场传感器：美国PCB公司产本，型号113B系列，量程(0～3.4)MPa，灵敏度1.45 mV/kPa。压力传感器利用石英晶体的压电效应把压力信号转换成电信号，后续的仪器对电信号进行调理和记录，得到压力波形曲线。

(2)数据采集系统：Elsys数采系统，该釆集系统兼有数据采集、存储、处理、计算等功能，共有16个通道，通道釆样频率1 MHz/s。

除了上述仪器之外还有地面压电传感器、应变片、无人机、单反、DV等。

2.1.3 实验设备工作原理

(1)压力测试工作原理

压力测试系统的工作原理如下：当爆轰波或冲击波超压信号传到压力传感器时，传感器将压力信号转变成电荷信号，然后经电荷放大器转换为相应的电压信号，再经数据釆集系统采集储存，由计算机对数据分析处理，就可以得到相应的压力信号随时间变化曲线，以及冲击波的各项参数。

(2)应变片测试原理

通过将应变片贴合在样本上，当样本受到冲击产生形变时，此形变同样的作用与应变片，这种形变导致了其端电阻变小。通过测量应变片的电阻，可以演算出其覆盖区域的应变。

2.2 实验方法

换流变压器的爆炸危险主要体现在变压器油的的危险性上，变压器油高温热解，生成大量氢气和其他烃类气体，因此可认为变压器油的爆炸为可燃气体与空气中的氧气混合后发生化学爆炸。通过前人的研究以及实际事故调研可以发现，阀厅爆炸事故类型为爆燃，而以上气体混合物的最大爆燃压力接近1 MPa，因此选用1 MPa作为实验研究的最大冲击波超压。实验选取TNT当量为1 kg压装药柱，根据所用TNT药柱的超压-距离数据确定施加要求超压的对应距离。实验参数如表1所示。

表 1 实验参数Table 1 Experimental parameters

实验中TNT药柱中心与抗爆门中心处于同一高度。左右两侧距样本等距离各30°处布置两个自由场传感器，高度与TNT药柱中心高度一致；左右两侧地面上距样本直线距离相等处各30°处布置两个普通压电传感器，其示意图如图3所示。

图 3 试验平面布置图Fig. 3 Test layout

样本背面应力较为集中的几个典型位置贴上应变片。试验时，同时将高速摄像机、摄像机、红外热成像仪放置在安全距离处对样本进行拍摄，无人机于药柱正上方100 m处记录试验过程。试验方法引用的标准为：GJB—5412《燃料空气炸药(FAE)类弹种爆炸参数测试及爆炸威力评价方法》以及GJB—5232.4《战术导弹战斗部靶场试验方法》。

由于带泡沫铝填充的样本2和样本4内部无法添加应变片，因此只给样本1和样本3在门扇背面布置6个应变测点。其中1#～4#位于门扇背面加筋处，垂直于方钢，5#和6#位于背面加筋板中心，呈90°布置，背面加筋板中心布置加速度测点1个，如图4所示。

图 4 抗爆门正反面Fig. 4 Front and back of anti explosion door

3 实验结果分析

3.1 实验超压

表2为实验过程中的超压测量结果。由表2可以看出：空中超压由自由场传感器测得的是入射超压，与预计设定超压基本保持一致，实验精度控制较好。

表 2 实验超压Table 2 Overpressure test results

3.2 应变实验结果

3.2.1 样本1应变实验结果

爆炸造成能量急剧释放，将爆炸材料转变成高温、高压的气体。这些高压气体相对应的压力阵面沿径向传入周围空气，从而形成一个炽热的气体驱动并支持着的强冲击波。

冲击波载荷施加在抗爆门面板上，面板在其作用下发生局部的相对变形，即应变。应变表示的是长度的相对变化量，是形变量与原来尺寸的比值，用ε表示。

本设备所测得的应变为微应变，是单位长度光纤的相对相对变化量，描述极其微小的形变，用符号με表示，其与应变的关系为ε=106με。通过对应变的分析，能够根据材料属性判断在该外力作用下材料是否失效。

样本1实验过程中自由场压力设计值为300 kPa，其测试结果如图5所示。

本次试验门扇材料为Q235钢，其在冲击波作用下屈服的微应变με临界值为1679。从图5试验数据可知，所有测点均未超过屈服应变，其中2#和5#应变测点在冲击波作用下振动脱落失效。

图 5 样本1应变和加速度时程曲线Fig. 5 Sample 1 residual strain and acceleration time history curves

图 6 样本3爆炸冲击过程中应变曲线Fig. 6 Sample 3 residual strain time history curve

可见，该门扇结构在自由场压力355.916 kPa荷载作用下，测点位置变形较小，保持为弹性状态。但爆炸产生的钢板振动很大，加速度峰值已经超过40 000 m/s2。

3.2.2 样本3应变实验结果

样本3实验过程中，自由场压力设计值为1000 kPa。下图显示了样本3不同位置处的应变动态分布：从图6可见，只有3#测点应变峰值较小，在弹性范围内，其余各点在爆炸冲击作用下的应变峰值均超过屈服应变。其中，5#测点微应变最大峰值达到2600，6#测点微应变最大峰值达到3100。2#测点与4#测点为对称排布，实验过程中2#测点与加速度计在冲击波作用下振动脱落失效。可见，该门扇结构在自由场压力929.445 kPa载荷作用下，测点位置出现塑性变形，加筋钢板中心的不可恢复的变形量最大。

3.3 凹陷深度

图7显示了4种样本在TNT爆炸实验后抗爆门面板最大凹陷程度的对比图，表3展示了其最大凹陷程度的数值对比。

表 3 实验后凹陷深度对比Table 3 Depression thickness before and after the experiment

图 7 实验前后凹陷深度Fig. 7 Depression thickness before and after the experiment

由实验结果可知，有填充的抗爆门在两种强度冲击波超压作用后，凹陷分别为2 mm和3 mm；无填充的抗爆门在两种强度冲击波超压作用后，凹陷分别为4 mm和12 mm。在同样强度的爆炸载荷下，带泡沫铝填充的抗爆门抗爆性能更好。并且随着爆炸载荷的增加，无填充抗爆门凹陷程度显著增加，而带填充抗爆门凹陷程度增加不明显。说明有填充抗爆门有效的抵消了爆炸载荷增加后所带来的破坏。因此当爆炸冲击波载荷强度越大，有填充的抗爆门抗爆性优势越发明显。

4 结论

通过抗爆实验，研究了不同压力载荷下有泡沫铝填充与无泡沫铝填充抗爆门的抗冲击性能，得到以下结论：

(1)通过抗爆实验以及应变片测量可较好描述爆炸冲击波荷载作用下抗爆门的动力特性。

(2)无泡沫铝填充的门扇结构在冲击波超压355 kPa作用下，钢板变形较小，保持为弹性状态。但爆炸产生的钢板振动很大。门扇结构在冲击波超压929 kPa作用下，钢板存在塑性变形。

(3)在爆炸载荷增加约3倍的情况下，无填充抗爆门的面板凹陷程度也增长了3倍，而有填充抗爆门凹陷程度仅增加了1.5倍。因此随着载荷强度的增加，有填充的抗爆门抗爆性优势越发明显。