風(fēng)害區(qū)域750 kV變電站構(gòu)架避雷針變形分析及應(yīng)對措施

王 建， 鄧鶴鳴， 劉勁松， 劉春翔， 張 偉， 張 龍，趙建平， 李 庚

（1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074；3.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊830011）

風(fēng)害區(qū)域750 kV變電站構(gòu)架避雷針變形分析及應(yīng)對措施

王 建1， 鄧鶴鳴2， 劉勁松3， 劉春翔2， 張 偉1， 張 龍1，趙建平1， 李 庚2

（1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074；3.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊830011）

我國西北地區(qū)風(fēng)害嚴重，直接威脅著區(qū)域輸變電設(shè)備的運行安全。在詳細調(diào)研新疆風(fēng)害地區(qū)750kV變電站構(gòu)架避雷針變形傾倒事故的基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)害區(qū)域構(gòu)架設(shè)備變形的原因：1）渦激振動導(dǎo)致避雷針的法蘭螺栓斷裂或者松動；2）避雷針的法蘭焊接質(zhì)量不合格，風(fēng)力作用導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生局部裂紋；3）設(shè)備應(yīng)力集中斷裂為疲勞斷裂，后期發(fā)展為脆性斷裂。根據(jù)這些分析結(jié)果，提出了構(gòu)架避雷針的抗風(fēng)措施。

風(fēng)害區(qū)域；750 kV變電站；構(gòu)架避雷針；形變；現(xiàn)場分析

0 引言

我國西北地區(qū)有著豐富的太陽能和風(fēng)力資源，尤其是新疆地區(qū)，是我國的能源大??；但是區(qū)域存在的強風(fēng)和干旱沙塵極端環(huán)境，給新疆電網(wǎng)輸變電設(shè)備的運維和檢修造成了極大的障礙，如線路風(fēng)偏跳閘、絕緣子傘裙撕裂、金具磨損、開關(guān)卡澀拒動等故障，這些是疆電外送亟待解決的問題。

國內(nèi)外研究者主要針對沙塵天氣給大氣環(huán)境、全球變化等方面開展研究工作，這些研究從廣域角度揭開了沙塵天氣的變化規(guī)律[1-3]。隨著西北電力建設(shè)的迅速推行，特別是跨國電網(wǎng)、跨區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)的展開，這種強風(fēng)、沙塵天氣給輸變電設(shè)備帶來了嚴重的危害，清華大學(xué)和國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院密切合作，在復(fù)合絕緣子傘裙的撕裂機理、抗風(fēng)設(shè)計等方面展開了系列研究，為強風(fēng)區(qū)域輸變電設(shè)備設(shè)計提供了大量數(shù)據(jù)[4-9]。除了傘裙撕裂問題外，還有金具磨損、絕緣子風(fēng)偏以及構(gòu)架設(shè)備變形等系列問題。筆者詳細調(diào)研新疆風(fēng)害地區(qū)750 kV變電站構(gòu)架避雷針變形傾倒事故，分析了風(fēng)區(qū)構(gòu)架設(shè)備變形的原因，并根據(jù)這些分析結(jié)果，提出了相應(yīng)的抗風(fēng)應(yīng)對措施。

1 現(xiàn)場情況分析

1.1 達坂城地區(qū)某750 kV變電站A構(gòu)架避雷針斷裂現(xiàn)場情況

2015年9月13日，達坂城地區(qū)某750 kV變電站2號主變進線側(cè)龍門架西側(cè)構(gòu)架頂部避雷針變形傾倒，造成大面積停電事故，導(dǎo)致結(jié)果包括：

1）2號主變750 kV側(cè)進線門型構(gòu)架西側(cè)避雷針變形脫落，跌至地面后避雷針斷為兩部分，上部為第1、2節(jié)，下部為第3節(jié)，如圖1A所示；

2）2號主變750 kV側(cè)進線構(gòu)架橫擔(dān)嚴重變形，成“V”字狀，如圖1B所示；

3）2號主變GIS間隔B相出線套管頂部均壓環(huán)嚴重變形，如圖1B所示；

4）構(gòu)架東側(cè)的A型立柱根部彎曲，水泥基礎(chǔ)出現(xiàn)明顯裂痕。

圖1 達坂城地區(qū)750 kV變電站避雷針事故現(xiàn)場情況Fig.1 Site conditions of frame lightning rod in 750 kV substation of Daban city

1.2 哈密地區(qū)某750 kV變電站B構(gòu)架避雷針現(xiàn)場情況

2015年4月1日，哈密地區(qū)某750 kV變電站220 kV設(shè)備構(gòu)架B構(gòu)架避雷針變形掉落，造成了短時停電事故，導(dǎo)致的結(jié)果包括：

1）220 kV側(cè)構(gòu)架B構(gòu)架避雷針變形斷裂，斷處為從下往上第2節(jié)下法蘭焊接部位上方，斷面呈脆性斷裂，第4節(jié)法蘭角焊縫發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，如2A所示；

2）法蘭螺栓存在松動現(xiàn)象，從上往下數(shù)第1、2節(jié)法蘭連接處螺栓均斷裂，螺栓斷面呈脆性斷裂，如圖2B所示。

圖2 哈密地區(qū)某750 kV變電站避雷針事故現(xiàn)場情況Fig.2 Site conditions of frame lightning rod in 750 kV substation of Hami city

2 事故分析和應(yīng)對措施

2.1 法蘭斷面及裂紋分析

2.1.1 斷面表面形態(tài)

從圖2A可以看出，法蘭斷口存在明顯疲勞紋（如圖中斷面A點），其他部位斷口呈脆性斷裂（如圖中斷面B點），斷面A點部位金屬顏色與基體金屬顏色不同，可以判斷該部位位于焊縫熱影響區(qū)附近，基體金屬上存在黑色組織，且該位置距焊縫較近，由此判斷黑色組織為焊接時過燒組織。未斷裂的法蘭焊接部位多數(shù)出現(xiàn)裂紋，如圖2A右上圖。

2.1.2 檢驗分析

對連接法蘭進行了元素分析以及屈服強度、抗拉強度分析，如表1和表2，并進行了金屬的金相分析，如圖3。

表1 法蘭元素分析Table 1 Elemental analysis of flange %

表2 法蘭屈服強度、抗拉強度Table 2 Yield and ultimate strength of flange MPa

圖3 法蘭金相組織圖Fig.3 Metallographic structure of flange

從法蘭金屬部分元素分析、屈服強度、抗拉強度來看，均在推薦范圍內(nèi)。從圖3A可以看出斷口位于熱影響區(qū)邊緣的金相組織為鐵素體+珠光體，由于距焊縫較近，故該處組織存在輕微球化跡象，球化等級為2級，屬于正常組織；從圖3B可以看出母材金相組織為鐵素體+珠光體，未見明顯球化，球化等級為1級，屬于正常組織。結(jié)合化學(xué)成分分析，力學(xué)性能分析及金相組織分析可以看出，該避雷針材質(zhì)未見異常。法蘭焊接時的高溫對焊縫上部材質(zhì)造成影響，因沒有采取加強筋結(jié)構(gòu)，法蘭焊接位置為強度薄弱位置。

2.2 法蘭螺栓斷面及裂紋分析

2.2.1 斷面表面形態(tài)

收集了故障法蘭螺栓，進行了斷口宏觀檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有兩種斷裂：銹蝕脆性斷裂（見圖4（a））和沖擊韌性斷裂（見圖4（b））。銹蝕脆性斷裂多數(shù)位于法蘭緊固后螺母與墊片結(jié)合面位置，極少數(shù)位于螺栓桿螺帽根部。螺栓銹蝕斷面明顯分為3種形態(tài)：1）裂紋疲勞擴展區(qū)，表面光滑呈紅褐色，附著一層致密的氧化膜，說明此區(qū)域開裂時間較長；2）裂紋快速擴區(qū)域，表面較為粗糙，也附著有一層暗紅色氧化鐵，具有纖維狀斷口特征；3）邊緣區(qū)域，斷口邊緣部分有一個較小的剪切唇，表面氧化不明顯。整個法蘭螺栓斷口無明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征。

沖擊韌性斷裂的螺栓表面粗糙為纖維狀斷口，斷口表面具有金屬光澤，無氧化銹蝕現(xiàn)象，應(yīng)該是避雷針不均勻受力后脫落前過載及外力沖擊下造成的，斷口形貌見圖4（b），這種斷口受到了典型的沖擊扭力形成的。

圖4 斷裂法蘭螺栓Fig.4 Fracture of flange bolts

2.2.2 檢驗分析

對現(xiàn)場取樣的螺栓進行化學(xué)元素分析 （見表3）、硬度試驗（見表4）、金相組織分析（見圖5）等試驗檢查，其中化學(xué)元素、硬度試驗、金相組織檢查均正常。

從化學(xué)成份分析和螺栓硬度值結(jié)果看，樣品所含C、S、P等主要元素含量以及螺栓硬度均符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能：螺栓、螺釘和螺柱》[10]標(biāo)準要求。

從圖3可以看出，該螺栓顯微組織為回火馬氏體，屬于正常組織。

表3 螺栓元素分析Table 3 Elemental analysis of bolts %

表4 斷裂螺栓硬度Table 4 Hardness of fracture bolt HBW

圖5 法蘭金相組織圖Fig.5 Metallographic structure of flange

2.3 事故分析

結(jié)合化學(xué)成分分析，力學(xué)性能分析及金相組織分析可以看出，避雷針和螺栓材質(zhì)在正常范圍內(nèi)，但是法蘭焊接結(jié)構(gòu)強度不夠，部分法蘭角焊縫存在裂紋，且斷口處存在明顯過燒組織，由此判斷該法蘭角焊縫焊接質(zhì)量不合格，法蘭角焊縫本就是應(yīng)力集中部位，施工過程中法蘭螺栓未能很好地處理，存在松動現(xiàn)象發(fā)展成斷裂。

以哈密地區(qū)變電站B構(gòu)架避雷針為例，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。根據(jù)DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[11]的規(guī)定，變電站避雷針應(yīng)力比滿足上述規(guī)程中要求的鋼材受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值不應(yīng)超過0.8的要求。當(dāng)風(fēng)速已達到34 m/s時，應(yīng)力比加大至0.55，仍低于0.8的要求，但安全裕度將減小，若此時應(yīng)力集中部位材料存在缺陷或不連續(xù)性，則會使應(yīng)力比急劇增大，甚至超出0.8的安全使用要求。變電站B構(gòu)架避雷針的結(jié)構(gòu)型式長細比例過大，最下部管徑為400 mm，上部為83 mm（不包括最上部避雷針尖），剛度較低，與構(gòu)架結(jié)構(gòu)避雷針相比風(fēng)荷載較大，容易在大風(fēng)條件下發(fā)生大幅度風(fēng)致振動。現(xiàn)場人員多次觀察到該構(gòu)架避雷針在大風(fēng)條件下，發(fā)生大幅度擺動的現(xiàn)象，根據(jù)測量發(fā)現(xiàn)，最上端最大擺幅接近1 m，遠大于避雷針頂部允許最大位移328 mm，超出了最初設(shè)計的范圍。

站用避雷針為圓形鋼管斷面，容易在低風(fēng)速下發(fā)生渦激振動。根據(jù)渦激振動的原理[12-13]，依據(jù)避雷針結(jié)構(gòu)形式結(jié)合經(jīng)驗公式可大致估算出該臨界風(fēng)速不大于4 m/s，因此避雷針極易產(chǎn)生振動，并且產(chǎn)生的慣性耦合會進一步加大應(yīng)力集中處交變應(yīng)力的幅值，造成該處發(fā)生疲勞損傷。這些均進一步加大作用在避雷針上的風(fēng)荷載，而這在最初的設(shè)計中考慮不足。

綜合分析認為：在平均風(fēng)荷載、脈動風(fēng)荷載以及渦激振動的共同作用下，避雷針長期處于擺動狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)剛度的影響導(dǎo)致斷裂法蘭處受到的交變彎曲應(yīng)力的作用最為明顯，引起疲勞損傷；而法蘭角焊縫處由于結(jié)構(gòu)和形狀的因素影響會產(chǎn)生較為集中的應(yīng)力；各節(jié)避雷針連接法蘭處沒有采用加強筋結(jié)構(gòu)，法蘭螺栓未能很好處理，即柔性法蘭連接結(jié)構(gòu)，與有加強筋的剛性法蘭結(jié)構(gòu)相比，剛性強度及承載力不足，也是在風(fēng)載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要原因之一。

2.4 應(yīng)對措施

1）加強風(fēng)害區(qū)域氣象特征的收集，根據(jù)風(fēng)害區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，對所有在運、在建變電站內(nèi)構(gòu)架鋼管式避雷針抗風(fēng)性能重新進行全面校核，更改設(shè)計方案，采取破壞渦激共振條件的構(gòu)架鋼管避雷針，如剛性法蘭連接更改為套裝連接型式等方式；

2）在風(fēng)害嚴重區(qū)域的站用避雷針設(shè)計階段，充分考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件，充分考慮長期持續(xù)風(fēng)力對金屬構(gòu)件的疲勞影響，采取差異化布置，采取格構(gòu)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法，減小風(fēng)阻的影響，提高避雷針抗風(fēng)能力；

3）加強變電站避雷針的在線監(jiān)測和運維檢修工作，定期檢查構(gòu)架避雷針的固定螺栓以及法蘭焊接部位等薄弱點，必要時可采用放松動螺栓螺帽，對出現(xiàn)裂紋的法蘭、松動的螺栓迅速處理。

3 結(jié)論

1）持續(xù)性強風(fēng)環(huán)境下，法蘭焊接部位和法蘭螺栓在平均風(fēng)荷載、脈動風(fēng)荷載以及渦激力的共同作用，螺紋根部應(yīng)力集中部位和法蘭焊接部位材料微觀缺陷部位產(chǎn)生疲勞損傷的積累，并形成疲勞源；

2）在長期交變應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋不斷擴展直至螺栓或者法蘭導(dǎo)致斷裂，法蘭連接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而避雷針變形傾倒；

3）法蘭焊接質(zhì)量不合格及螺栓松動是750 kV變電站避雷針斷裂的內(nèi)在原因，應(yīng)加強法蘭焊接質(zhì)量以及現(xiàn)場施工工藝，采用防松螺栓螺帽，提高站用避雷針的抗風(fēng)能力；

4）根據(jù)風(fēng)害區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，對站用避雷針進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，破壞避雷針渦激共振產(chǎn)生的條件。

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The Deformation Analysis and Countermeasures on the Frame Lightning Rod of 750 kV Substation in the Wind Damage Areas

WANG Jian1， DENG Heming2， LIU Jinsong3， LIU Chunxiang2， ZHANG Wei1，ZHANG Long1， ZHAO Jianping1， LI Geng2
（1.State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumqi 830011,China;2.State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China； 3.State Grid Xinjiang Electric Power Company， Urumqi 830011,China）

In northwest regions of China,severe storm brings the threat to the safety operation of regional transmission and transformation equipment.Based on deformation accident site conditions of frame lightning rod in 750 kV substation in the Wind Damage Areas,this paper analyzed the deformation of the frame lightning rod in the wind damage areas.The reasons include that fracture or looseness of lightning rod flange bolts is caused by vortex-induced vibration,the wind induces vibration on welding disqualification of lightning rod flange brought about part of the fracture,and fatigue fracture,brittle fracture are produced increases later.,According to the deformation analysis,the paper has proposed some corresponding countermeasures on wind resistance of the frame lightning rod.

wind damage areas；750 kV substation； frame lightning rod； deformation； sandstorm；field analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.003

2016-10-10

王建 （1986—），男，高級工程師，從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測與評價技術(shù)研究。

國網(wǎng)新疆電力公司科技項目 （5230DK15009L）；國家高技術(shù)發(fā)展計劃 （863計劃） （2013AA030701）。