事故聚焦：2016年6月18日凌晨零点二十分左右，位于西安南郊长安区某变电站发生闪爆。附近两公里内可见火光并伴随爆炸声，西安部分区域停电，据报道3名路人不同程度受伤。这起爆炸事故的发生引起了社会各界对变压器爆炸风险的广泛关注。
图1 西安变电站爆炸事故现场
变压器为什么会爆炸?变压器是一种利用电磁感应原理，把交流电能转变为不同电压、电流等参数的电力设备。其中油浸式变压器，将铁芯和绕组一起浸入灌满了绝缘油的油箱中，以加强绝缘和改善冷却散热条件。当变压器内部出现严重过载、短路、绝缘损坏等故障时，绝缘油受到高温或电弧作用，受热分解产生大量烃类混合气体，使变压器内部的压力急剧上升，然后导致变压器油箱的结构破坏(初级变压器爆炸)。
初级变压器爆炸后，绝缘油、混合气体和油雾通过变压器油箱破裂口向外猛烈释放。绝缘油从变压器中泄漏，在地面形成液池，被点燃即发生池火。而当泄漏的热解产物混合气体和油雾与空气混合后点燃，就会发生二次爆炸。当这些情况发生在密闭或拥塞区域时，可能会导致非常强烈的爆炸，并对人员和设备造成威胁，给社会经济带来严重损失。
图2 变压器爆炸事故现场
变压器爆炸过程介绍
初级爆炸
图3 变压器和充油高压设备中出现短路或电弧作用
变压器和充油高压设备中出现短路或电弧，高温和电弧作用会导致油的热分解并产生大量烃类混合气体。
图4 变压器油箱的结构破坏(初级变压器爆炸)
图5 液态绝缘油、气态电解产物和油雾通过变压器油箱破裂口向外猛烈释放
二次爆炸
绝缘油从变压器中泄漏并点燃，发生池火;气态电解产物和油雾的泄漏及空气混合，被点燃后发生二次爆炸。
图6 变压器二次爆炸与池火场景
图7 合理泄压和抗爆措施降低变压器爆炸后果
如何降低变压器爆炸风险?
一般来说，对于最常见的初级爆炸情况，在工厂的设计阶段通常会被考虑到。而对于二次爆炸情况，由于其后果严重，在安全方面需要重点考虑。在设计阶段，为消除安全隐患而对整体设计做出一些重要变更。但这些改动可能会导致不可预知的爆炸后果，造成严重损失。在密闭设施中，例如室内变电站，如果没有考虑合理的泄压措施，那么爆炸事故对内部和外部也可能造成非常严重的影响。
Gexcon作为在爆炸风险领域全球顶尖的咨询公司，开发了评估油浸式变压器安全风险水平的方法，该方法可应用于任何需要电力变压器的工厂：如发电厂，变电站，远海和近海的工厂。
油浸式变压器爆炸的最坏工况或概率风险分析可采用计算流体动力学软件FLACS进行模拟。目前Gexcon公司还提供结构响应方面的附加服务(评估/初步设计)，作为爆炸风险评估工作的自然延伸。
图8 FLACS模拟变压器爆炸火焰传播
Gexcon公司使用FLACS软件研究变压器爆炸方法
FLACS软件用于模拟二次爆炸的燃烧过程，二次爆炸来源于初级爆炸的产物及绝缘油泄漏被点燃。二次爆炸中，热解产物的量取决于电弧能量，形成油雾的量取决于储油装置的失效形式。
理论最坏场景/实际最坏场景方法
√ 研究一部分具有代表性的电力故障
√ 使用FLACS模拟二次爆炸场景
概率风险分析方法
√ 划定电弧能量和油雾等级
√ 以矩阵的形式列出大量的爆炸场景并使用FLACS模拟
√ 为每个爆炸场景计算一个发生的概率
√ 针对主要目标以超越曲线的形式呈现结果
Gexcon公司变压器爆炸研究内容
√ 电力变压器相关服务
技术规划书
设计审查
测试故障分析和使用寿命评估
√ 爆炸后果模拟和风险评估
电弧能量估计和原发性爆炸场景定义
二次爆炸场景模拟
冲击波传播模拟
人员和设备的爆炸损伤评估
布局优化
√ 结构评估和设计
钢筋混凝土结构构件的预设计/评估
钢结构构件的预设计/评估
√ 事故调查电气故障说明
爆炸后果说明，备份分析
Gexcon参与的变压器风险咨询案例
Frades II HPP (2010-2014)是一个位于葡萄牙境内的水电站地下电站，归葡萄牙电力运营公司EDP所有。Gexcon公司参与了早期的设计阶段，任务是审查当前设计以减少变压器爆炸场景的相关风险。初级和二次爆炸场景可通过概率的方法来分析。混凝土结构和钢结构元件(变压器巷道入口，变压器可拆卸壁元件)都进行了预设计和评估。
图9 Frades II 案例中的FLACS几何模型
图10 FLACS模拟不同的泄压布局下的变压器爆炸压力随时间变化情况
图11 FLACS模拟变压器爆炸的超压分布
Belmore Park Substation (2010-2011)是澳大利亚，悉尼的一个变电站，归澳大利亚电网公司Ausgrid所有。GexCon参与了整个设计过程，定义了一个完整的变压器爆炸场景的解决方法。初步的任务是用概率风险评估框架定义初级和二次爆炸场景并评估了超过15种不同的布局对泄爆的影响。
图12 FLACS模拟不同的泄压布局下变压器爆炸的压力曲线
