Brandbekämpung an Großtransformatoren

Großtransformatoren werden mit Transformatorölen gefüllt betrieben. Diese Öle dienen Kühlzwecken und sind zudem ein wichtiger Isolator für die Transformatorwicklungen. Einflüsse wie eindringende Feuchtigkeit und Gase, Alterung, Schlamm, Ablagerungen, Schmutz und thermische Einflüsse verschlechtern die Kühl- und Isoliereigenschaften der Transformatoröle im Laufe ihrer Nutzung. Zudem erhöht sich die Entzündlichkeit der Transformatoröle durch diese Effekte. Grundsätzlich sind moderne Transformatoröle schwer entzündlich, jedoch können Isolierfehler zu einer starken (lokalen) Erwärmung führen, die auch eine Entzündung des Transformatoröls bewirken können. Das große Volumen des Öls liefert dann eine große Brandlast.

Quantifizierte Angaben über die Häufigkeit des Auftretens von Bränden in Transformatoranlagen sind nicht verfügbar, jedoch muss von einer signifikanten Gefährdung ausgegangen werden, wie sich aus verschiedenen baurechtlichen Vorschriften zum Betrieb dieser Anlagen ableiten lässt. Zudem ist davon auszugehen, dass der betroffene Transformator soweit geschädigt wird, dass er nicht weiter betrieben werden kann und demzufolge ausgetauscht werden muss.

Eine unmittelbare Löschung durch anlagentechnische Maßnahmen ist aufgrund der vorhanden Besonderheiten und den geometrischen und – sollte der Transformator im Freien stehen – wetter­induzierten Randbedingungen schwer umsetzbar, sodass in der Regel eine Realisierung des Schutzziels „Verhinderung der Brandausbreitung“ angestrebt und durch Maßnahmen des bau­lichen und organisatorischen Brandschutzes unterstützt wird. Im vorliegenden Fall aber sollte eine Hochdruckwassernebellöschanlage (HDWNA) so ausgelegt werden, dass eine Verlöschung der Versuchsbrände in der Versuchsumgebung ermöglicht wird. Das ergibt aus konservativer Sicht eine hohe Wirksamkeit dieser Maßnahme des anlagentechnischen Brandschutzes und verspricht eine zuverlässige Realisierung der Schutzziele. Der Nachweis darüber wurde mit 1:1-Versuchen erbracht.

Wassernebel – anspruchsvoll in der Auslegung

HDWNA sind grundsätzlich geeignet, diverse Schutzziele zu realisieren, was für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen nachgewiesen wurde. HDWNA bekämpfen Brände durch den Einsatz kleinster Wassertropfen. Wasser als Brandbekämpfungsmittel zeichnet sich dadurch aus, dass es im Vergleich zu anderen Löschmitteln eine hohe spezifische Wärmekapazität sowie eine große Verdampfungswärme besitzt. Auf das Wasser können demzufolge spezifische Mengen an Wärmeenergie übertragen werden. Dabei wird in der Literatur immer auf folgende Mechanismen verwiesen:

Kühlung; Durch die vergleichsweise große (summarische) Oberfläche der sehr kleinen Wassertröpfchen, bezogen auf das eingesetzte Wasservolumen, erfolgt eine Wärmeübertragung auf das Löschmittel sehr effektiv. Das bewirkt, dass die Temperaturen in unmittelbarer Brandumgebung, im Rauchgas-Luft-Gemisch, sinken [1]. Für diesen Kühleffekt kommen die bekannten Mechanismen der Wärmeübertragung zur Wirkung. Neben der Wärmeleitung und der Wärmeübertragung durch Konvektion, wird vor allem der Strahlungsanteil der Brandwärme auf das Löschmittel übertragen. Wenn Wassertropfen die Brandlast einhüllen oder/und die Brennstoffoberfläche erreichen, können diese als Barriere gegen die Wärmeübertragung durch Strahlung fungieren. Ebenso werden auch alle anderen angrenzenden Flächen vor einem Wärmeeintrag geschützt. Nicht nur die Tropfen dämpfen die Wärmestrahlung, auch Wasserdampf fungiert wirksam als Absorptionsmedium. Experimente haben gezeigt, dass der Wärmefluss durch Strahlung auf die Wände einer Testumgebung um 70 % reduziert werden konnte [2].

Verdrängung: Die kleinen Wassertröpfchen erwärmen sich bei der Übertragung der Wärmeenergie aus dem Brand. Wenn sie die entsprechende Siedetemperatur erreicht haben, verdampfen sie auch – d. h. sie wechseln vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand. Dabei vergrößert sich ihr Volumen um das 1 600- bis 1 700-Fache. Das wiederum führt zu einer Herabsetzung der Sauerstoffkonzentration sowie zu einer Verdünnung der Pyrolysegase in dem Bereich, der von diesem Zustandswechsel beeinflusst ist [1]. Berechnungen zufolge wird sich die Sauerstoffkonzentration in einem 100 m³ großen verschlossenen Raum um 10 % reduzieren, wenn man 5,5 l vollständig verdampft [3].

Alle Löscheffekte treten immer gemeinsam auf, da diese begründet sind in der Übertragung der im Brand freigesetzten Wärmeenergie auf das Löschmittel. Bei entsprechender Auslegung der HDWNA kann man den jeweils angestrebten Effekt verstärken.

Weiterhin ist zu beachten, dass sich der beschriebene Wechsel des Aggregatzustands umkehrt, wenn das Löschmittel die entsprechende Siedetemperatur wieder unterschreitet und vom gasförmigen zurück in den flüssigen Zustand wechselt. Das lässt die Schlussfolgerung zu, dass der Verdrängungseffekt, der ja abhängig ist von der zur Erwärmung und Verdampfung verfügbaren Energie, immer zeitlich und vor allem räumlich begrenzt ist. Die Literatur verweist hier auf den lokalen Charakter dieses Verdrängungseffekts [4; 5]. Zudem ist dieser nicht statisch. Man kann sich leicht vorstellen, dass der Wassernebel in die Flammenzone gelangt, dort die Wärme auf ihn übertragen wird (Kühlung), dieser dann verdampft (Verdrängung), der Wasserdampf mit der Rauchgasströmung abgeleitet wird, in einen Bereich geringerer Temperaturen gelangt und wieder kondensiert. An dieser entfernten Stelle wird der sauerstoffverdrängende Effekt wieder aufgehoben. Dieser Prozess kommt dann mit Verlöschen des Brands zum Erliegen, da die Energiequelle für das Verdampfen fehlt.

Anlagenparameter

Grundsätzlich ist Wasser als Mittel für eine Brandbekämpfung gut geeignet, da seine physikalischen Eigenschaften, wie oben beschrieben, die Übertragung einer bestimmten Wärmemenge begünstigen. In der Realität kann aber ein Wert wie die spezifische Wärmekapazität nicht dafür genutzt werden, eine HDWNA so auszulegen, dass bestimmte Schutzziele erreicht werden. Dazu sind die einzelnen Löscheffekte zu komplex miteinander verknüpft. Außerdem spielen die spezifischen Bedingungen, wie Brandszenario, Raumgeometrie, Ventilationsbedingungen und schließlich das verfolgte Schutzziel selbst eine Rolle. Die Ergebnisse von Versuchen mit Wassernebel zeigen aber, dass eine Reihe von Para­metern, die diesen beschreiben, zur Beschreibung seiner Wirksamkeit herangezogen werden können.

In [6] wird eine Übersicht über die wichtigsten Parameter eines Wassersprays für die Brandbekämpfung erstellt. Diese sind:

•  Volumenstrom pro Beaufschlagungsfläche,
•  Verteilung des Volumenstroms,
•  Richtung der Ausbringung,
•  Tropfengröße und -verteilung,
•  Geschwindigkeit der mitgerissenen Luft,
•  Geschwindigkeit der Wassertropfen relativ zur Geschwindigkeit der mitgerissenen Luft, zur Flammgeschwindigkeit und zur Art des Brandstoffs.

Obwohl diese Parameter durchaus genutzt werden können, die Charakteristik eines Wassernebels für die Brandbekämpfung zu beschreiben, lassen sie sich zweckmäßigerweise zu drei wesent­lichen Größen zusammenfassen:

•   Beaufschlagungsrate,
•  Tropfengröße und -durchmesser­verteilung,
•   Geschwindigkeit der Tropfen.

Beaufschlagungsrate

Da die Löscheffekte des Löschmittels Wasser ausschließlich durch Wärmeübertragungseffekte hervorgerufen werden, liegt es auf der Hand, dass bei der Bewertung der Effizienz einer wasser­basierten Brandbekämpfungsanlage (BBA) die absolut eingesetzte Menge des Löschmittels relevant ist. Die Beaufschlagungsrate wird bei den konventionellen wasserbasierten BBA (Sprinkler-, Sprühflutanlagen) als flächen- und zeitbezogene Beaufschlagung gesehen. Das ist insofern sinnvoll, da das Löschmittel unmittelbar durch das „Herabfallen“ auf die beaufschlagte Fläche wirkt. Werte zwischen 2 und 18 l/(minm²) haben sich abhängig von Risiko und Schutzziel etabliert [6].

Die Fallgeschwindigkeit eines Wassertropfens ist proportional zur Wurzel des Durchmessers oder bei sehr kleinen Tropfen und kleinen Geschwindigkeiten (Re < 1) proportional zum Quadrat seines Durchmessers [7]. Auf jeden Fall verbleiben die Tropfen länger in einer Fallbewegung, je kleiner sie sind. Das heißt auch, dass bei kleineren Tropfen, bei gleicher Fallhöhe mehr Zeit für die Wärmeübertragungsvorgänge zur Verfügung steht als bei großen. Bei hinreichend kleinen Tropfen und entsprechender Verweildauer im Rauchgas oder der Flammenzone ist es dann sinnvoll, mit volumetrischen Beaufschlagungsraten zu arbeiten.

In der Konsequenz bedeutet dies, dass man bei der Festlegung der Beaufschlagungsraten für eine wasserbasierte BBA die absolute Menge des eingesetzten Löschmittels und dabei auch die Tröpfchengröße berücksichtigen muss. Welche Parameter man hier wählt, hängt vom Schutzziel und dem angestrebten Löscheffekt ab, denn es kann durchaus sinnvoll sein, große Wassertropfen und große Beaufschlagungsraten einzusetzen, will man beispielsweise Ober­flächen eines Klasse-A-Brands wirkungsvoll benetzen.

Tröpfchengröße und Durchmesser­verteilung

Stehen als Brandbekämpfungsstrategie die Kühlung der Rauchgase bzw. der Flammenzone und dazu die möglichst effektive Ausnutzung des Potenzials des Löschmittels im Vordergrund, muss man dem Parameter „Tropfengröße“ gesonderte Aufmerksamkeit widmen. Das wird deutlich, wenn man sich den Zusammenhang zwischen dem kumula­tiven Volumen eines Tropfenschwarms, der Gesamtoberfläche und den Durchmessern der in ihm enthaltenen Tropfen ansieht.

Mithilfe der Formeln für das Kugel­volumen bzw. die Kugeloberfläche und unter der Annahme, dass alle Tropfen eines bestimmten Volumens denselben Durchmesser haben, lässt sich zeigen, welchen Einfluss der Tropfendurchmesser auf die Ausbildung einer bestimmten Gesamtoberfläche dieses bestimmten Volumens hat. Alle wirkenden Mechanismen der Wärmeübertragung hängen mehr oder weniger von den zur Über­tragung verfügbaren Oberflächen im betrachteten System ab. Damit ist die Oberfläche, die das Löschmittel Wasser bildet, ein wesentlicher Parameter für die Wirksamkeit der Brandabwehrmaßnahme.

Bild 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Tropfendurchmesser, Tropfenanzahl und kumulierter Oberfläche (Addition aller Tropfenoberflächen) für ein Volumen von 1 l Wasser.

Die zuvor getroffenen Aussagen gelten streng genommen nur für Tropfenschwärme mit gleichen Tropfendurchmessern. In der Realität lassen sich Nebel mit solchen Eigenschaften nicht erzeugen. Die Durchmesser der erzeugten Tropfen unterliegen immer einer Verteilung, die sich aus verschiedenen Einflussfaktoren ergibt. Diese sind u. a.:

•  Druckbereich (Nieder-, Mittel-, Hochdruck),
•  Düsenbauform (Hohlkegel-, Voll­kegel-, Flachstrahl-, Vollstrahldüsen),
•   Verfahren der Tropfenerzeugung (Einstoff-, Zweistoffdüsen).

Für die Auslegung einer HDWNA ist die Verteilung der Tropfendurchmesser ein wesentlicher Parameter, da sich über ihn der Zusammenhang zwischen Löschmittelvolumen und Löschmitteloberfläche herstellen lässt.

Geschwindigkeit der Tropfen

Die Tropfen besitzen beim Verlassen der Düsenöffnung eine bestimmte Geschwindigkeit. Der Betrag und die Richtung hängen wiederum von der Bauform der Düse und dem Verfahren der Druckerzeugung ab. Nach dem Austritt aus der Öffnung wird der Tropfen in der Umgebung durch den Strömungswiderstand abgebremst und folgt einer bestimmten Bahn. Je nach Anfangsgeschwindigkeit und Richtung fliegt der Tropfen unterschiedlich weit, früher oder später wird der Tropfen soweit abgebremst sein, dass die Erdanziehung als beschleunigender Faktor überwiegt und der Tropfen herabfällt. Die Fallgeschwindigkeit hängt von der Tropfengröße ab. Zusätzlich wird die Bahn der Tropfen durch äußere Bedingungen beeinflusst, z. B. durch Luftbewegungen oder im Rauchgas- Plume. Wie stark dieser Einfluss ist, hängt von den Bedingungen selbst und wiederum von der Geschwindigkeit und dem Durchmesser der Tropfen ab.

Die Geschwindigkeit der Tropfen ist dann ein zu berücksichtigender Para­meter, wenn das Ziel darin besteht, das Löschmittel gerichtet an einen bestimmten Ort oder in ein ausgesuchtes Raumvolumen zu bringen. In der Regel wird eine gleichmäßige Verteilung des Löschmittels angestrebt sein.

Parameter zur Auslegung

Die zuvor gemachten Betrachtungen zeigen zum einen, dass die beschriebenen Parameter dazu geeignet sind, die Wirksamkeit und Effizienz einer HDWNA zielgerichtet zu beeinflussen. Die gesamte eingesetzte Löschmittelmenge, die wirksame Oberfläche des Löschmittels, die Verweildauer der Löschmitteltropfen und der Ort des Wirksamwerdens können für einen optimalen Einsatz angepasst werden. Zum anderen zeigt sich aber auch, dass die einzelnen Parameter des Brandbekämpfungsverfahrens komplex miteinander verbunden sind und sich zum Teil gegenseitig beeinflussen.

Grundsätzlich lassen sich die beschriebenen Parameter durch die technische Eigenschaften des BBA einstellen. Dazu gehören:

•   Anzahl der wirksamen Düsen,
•   Abstand der Düsen zueinander,
•   Position und Ausrichtung der Düsen,
•   Betriebsdruck an der Düse,
•   Düsenbauform.

Für eine gezielte Dimensionierung einer BBA müssen die genannten Parameter bekannt sein oder entsprechend Einsatzfall und Zielstellung ermittelt werden. Dazu dienen im Wesentlichen die durchgeführten Brandversuche.

Wirksamkeitsnachweis – Ein konkretes Beispiel

Ein Betreiber von Transformatoren stand vor der Aufgabe, eine HDWNA so zu spezifizieren, dass ihre Wirksamkeit dahingehend optimiert wurde, die angestrebten Schutzziele für einen gedachten Brand an einem im Freien stehenden Großtransformator zuverlässig zu realisieren. Deswegen war eine Verlöschung innerhalb von 15 min gefordert. Da die komplexe Wirkungsweise des Wasser­nebels eine einfache Auslegung mit leicht zu variierenden Parametern ausschließt, sollte diese Optimierung im Rahmen von experimentellen Unter­suchungen erfolgen. Dazu wurde durch IFAB ein Versuchskonzept entwickelt, mit dem Betreiber und einer Zulassungsbehörde abgestimmt und dann in Form einer Brandversuchsreihe umgesetzt. Bei der Entwicklung der Versuchsmethode lehnte man sich an bestehende Vorschriften wie CEN TS 14972 und NFPA 750 an.

Versuchsattrappe

Ökonomisch ist es nicht vertretbar und inhaltlich auch nicht notwendig, einen realen Transformator für die Brandversuche einzusetzen. Daher war es erforderlich, eine Versuchsattrappe zu entwerfen, mit der die vorgegebenen Dimensionen eines konkreten Großtransformators nachempfunden und die Brand- bzw. Löschprozesse untersucht werden konnten. Dabei mussten bestimmte Bedingungen berücksichtigt werden. So sollte ein Transformator, der in der Realität unter freiem Himmel, aber in einer Nische aus drei Trennwänden steht, umgesetzt werden. Hinzu kam, dass diese Nische von einem Gitter mit Öffnungsgrad von 60 % an der Stirnseite vollflächig verschlossen war. Da diese Bedingungen für die Ausbildung der Flammen und der Rauchgasströmung sowie für die Verteilung des Wassernebels wichtig waren, wurden sie so genau wie möglich nachgebildet. Eine möglichst realitätsnahe Ausbildung der Oberflächenbeschaffenheit des Transformators wurde dahingehend als weniger relevant eingeschätzt und wurde daher vereinfacht ausgeführt.

Die umgebenden Wände des Versuchsaufbaus überspannten eine Fläche von 8,2 m (Breite) und 10,4 m (Länge) und waren zudem 7,5 m hoch. Die in der Nische angeordnete Transformator­attrappe selbst hatte eine Breite von 5,7 m, eine Länge von 8,4 m und eine Höhe von 5,4 m.

Ventilation

Die Frontseite der Transformator­nische ist offen bzw. durch ein Gitter verdeckt. Das heißt, der Transformator und auch die Brand- und Löschprozesse im Zwischenraum können durch Wind beeinflusst werden. Im ungünstigsten Fall würde der Wind senkrecht auf der Gitterwand stehen und direkt in die Zwischenräume wehen. Diese Bedingungen wurden durch die Anordnung von zwei einstellbaren Ventilatoren mit ausreichend großem Volumenstrom vor den Zwischenräumen nachgebildet und eine definierte Strömungsgeschwindigkeit der Luft gemäß den vorherrschenden realen Bedingungen eingestellt (Bild 2).

Brandlasten

Bei der Gestaltung der Versuchsbrandlasten lehnte man sich an die in der Realität erwartbaren Szenarien an. Zunächst kann man davon ausgehen, dass ein Brand mit Transformatoröl das wahrscheinlichste Szenario darstellt. Für die Versuche wurde aber Heizöl verwendet, was aus konservativer Sicht gerechtfertigt ist, da Transformatoröle ein wesentlich unkritischeres Brandverhalten aufweisen. Bei der Größe der gewählten Energiefreisetzung wurden mögliche Austrittsorte von Transformatoröl und die Möglichkeit der Ausbildung von Flüssigkeitslachen berücksichtigt. So wurden als Brandorte zunächst Stellen auf der Transformatorattrappe und im Zwischenraum auf dem Boden neben der Transformatorattrappe gewählt. Die Größe der sich ausbildenden Flüssigkeitslachen ist begrenzt; sie wird bestimmt durch die Oberflächenstruktur des Transformators und durch die Bodenbeschaffenheit des Zwischenraums. Der reale Transformator steht in einer Betonwanne, und der Zwischenraum ist durch ein Kiesbett aufgefüllt. Diese Maßnahme begrenzt die Größe der brennenden Oberfläche im Falle eines Ölaustritts und Ansammlung am Boden. Gemeinsam mit dem Betreiber und der Zulassungsbehörde wurden Brände mit 4 MW (oberer Brandort) und 2 MW (unterer Brandort) festgelegt. Die Größe der Energiefreisetzung wurde durch Brandwannen bestimmt, die an den entsprechenden Positionen angeordnet waren. Zusätzlich wurde ein Szenario realisiert, bei dem die Annahme im Vordergrund stand, auf der Oberseite des Transformators würde Öl mit einem definierten Volumenstrom austreten, sich entzünden, an einer Seitenwand nach unten laufen und sich am Boden ansammeln. Das sog. Fließfeuer bestand insofern aus der oberen Wanne, in die Heizöl mit einem definierten Volumenstrom von 6,5 l/min gefördert wurde, einem Überlauf in eine Rinne, die über die gesamte Höhe der Transformatorattrappe angeordnet war und einer unteren Wanne, in der sich das abfließende Heizöl sammeln konnte und wo es auch entzündet wurde. Das Fließfeuer hatte eine Wärmefreisetzungsrate von ca. 10 MW.

Gezündet wurden die Brände mithilfe von n-Heptan. Die Vorbrennzeiten betrugen etwa 60 s. Das Fließfeuer wurde an der unteren Brandwanne entzündet, und es wurde gewartet, bis die gesamte Oberfläche einschließlich der oberen Brandwanne in Flammen stand (Bild 3).

Brandbekämpfungsanlage – Hochdruckwassernebel

Die BBA bestand aus einer Hochdruckpumpe mit geeignetem Druckbereich und Volumenstrom sowie einem Düsennetz, das in mehreren Ebenen um die Transformatorattrappe angeordnet war. Davon waren einzelne Düsen aktivier- bzw. deaktivierbar. So wurde sichergestellt, dass die verschiedenen tech­nischen Parameter der HDWNA zielgerichtet beeinflusst und die Wirksamkeit soweit optimiert werden konnten, dass ein Verlöschen möglich wurde.

Das Rohrleitungsnetz und die Düsen selbst waren an den Wandungen der Nische fixiert, was der realen Einbau­situation entspricht und außerdem die notwendigen Abstände der Düsen vom Transformator realisiert.

Messungen

Um sowohl die Brandprozesse überwachen sowie die Wirksamkeit und auch die technischen Parameter der HDWNA beschreiben zu können, wurde ein Messkonzept entwickelt, abgestimmt und umgesetzt. Folgende Parameter wurden gemessen:

•   Temperaturen an verschiedenen Orten,
•  Druck der Heizölversorgung des Fließfeuers,
•  Systemdruck des HDWNA an der Pumpe und an der hydraulisch ungünstigsten Stelle,
•  Strömungsgeschwindigkeiten der Luft.

Die Planung, Durchführung und Auswertung der Messungen erfolgte gemäß den internen Prüfverfahren, für die IFAB als Prüflabor gemäß DIN EN ISO/ IEC 17025 akkreditiert ist. Insbesondere die Temperaturmessung an bestimmten Stellen steht als Indiz für das Verlöschen der Brände. So war es u. a. möglich, den genauen Verlöschungszeitpunkt festzuhalten. Zusätzlich wurden mithilfe von Videokameras Filme der Versuchsszenarien aufgezeichnet und für die Versuchsauswertung verwendet.

Ergebnisse

Im Rahmen der Systemoptimierung wurden eine Reihe von Vorversuchen durchgeführt, die das Ziel hatten, die HDWNA in ihrer technischen Leistungsfähigkeit so zu beeinflussen, dass ein Verlöschen aller Brände innerhalb von 15 min erreicht werden konnte und eine Rückzündung in weiteren 15 min nach Abschaltung des Wassernebels vermieden wurde. Zum Abschluss der Versuchsreihe wurden die HDWNA mit den optimierten Systemparametern dem Betreiber der Transformatoranlagen und einem prüfenden Sachverständigen vorgestellt. Dabei wurden folgende Löschzeiten erzielt:

Brandszenario:

Wannenposition unten, 2 MW 00:40 [min:s]

Wannenposition oben,   4 MW 04:00 [min:s]

Fließfeuer, 10 MW 11:15 [min:s] (wobei die Wannen nach 02:20 (oben) bzw. 03:20 (unten) ver­loschen waren).

Stellvertretend für alle der im Rahmen der Systemoptimierung und -abnahme durchgeführten Versuche ist in Bild 4 ein Diagramm dargestellt, in dem man den typischen Temperaturverlauf und den Verlöschungszeitpunkt erkennen kann.

Fazit

HDWNA eignen sich zur Absicherung von Brandrisiken an Großtransformatoren. Berücksichtigt man die komplexen Wirkmechanismen beim Löschen, ist es möglich, solche anlagentechnischen Lösungen so auszulegen, dass die angestrebten Schutzziele mit großer Sicherheit erreicht werden. Da die funktionalen Parameter des Wassernebels komplex miteinander verknüpft sind, aber durch technische Anlagenparameter beeinflusst werden können, ist eine vertiefende Auseinandersetzung mit der Auslegung der HDWNA notwendig. Diese sowie der Nachweis der Wirksamkeit können und sollten immer mit 1:1-Brandversuchen geführt werden.

TS 599