王 建， 邓鹤鸣， 刘劲松， 刘春翔， 张 伟， 张 龙，赵建平， 李 庚

（1.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011；2.国网电力科学研究院，武汉 430074；3.国网新疆电力公司，乌鲁木齐830011）

风害区域750 kV变电站构架避雷针变形分析及应对措施

王 建1， 邓鹤鸣2， 刘劲松3， 刘春翔2， 张 伟1， 张 龙1，赵建平1， 李 庚2

（1.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011；2.国网电力科学研究院，武汉 430074；3.国网新疆电力公司，乌鲁木齐830011）

我国西北地区风害严重，直接威胁着区域输变电设备的运行安全。在详细调研新疆风害地区750kV变电站构架避雷针变形倾倒事故的基础上，分析了风害区域构架设备变形的原因：1）涡激振动导致避雷针的法兰螺栓断裂或者松动；2）避雷针的法兰焊接质量不合格，风力作用导致局部应力集中，从而产生局部裂纹；3）设备应力集中断裂为疲劳断裂，后期发展为脆性断裂。根据这些分析结果，提出了构架避雷针的抗风措施。

风害区域；750 kV变电站；构架避雷针；形变；现场分析

0 引言

我国西北地区有着丰富的太阳能和风力资源，尤其是新疆地区，是我国的能源大省；但是区域存在的强风和干旱沙尘极端环境，给新疆电网输变电设备的运维和检修造成了极大的障碍，如线路风偏跳闸、绝缘子伞裙撕裂、金具磨损、开关卡涩拒动等故障，这些是疆电外送亟待解决的问题。

国内外研究者主要针对沙尘天气给大气环境、全球变化等方面开展研究工作，这些研究从广域角度揭开了沙尘天气的变化规律[1-3]。随着西北电力建设的迅速推行，特别是跨国电网、跨区域电网建设的展开，这种强风、沙尘天气给输变电设备带来了严重的危害，清华大学和国网新疆电力科学研究院密切合作，在复合绝缘子伞裙的撕裂机理、抗风设计等方面展开了系列研究，为强风区域输变电设备设计提供了大量数据[4-9]。除了伞裙撕裂问题外，还有金具磨损、绝缘子风偏以及构架设备变形等系列问题。笔者详细调研新疆风害地区750 kV变电站构架避雷针变形倾倒事故，分析了风区构架设备变形的原因，并根据这些分析结果，提出了相应的抗风应对措施。

1 现场情况分析

1.1 达坂城地区某750 kV变电站A构架避雷针断裂现场情况

2015年9月13日，达坂城地区某750 kV变电站2号主变进线侧龙门架西侧构架顶部避雷针变形倾倒，造成大面积停电事故，导致结果包括：

1）2号主变750 kV侧进线门型构架西侧避雷针变形脱落，跌至地面后避雷针断为两部分，上部为第1、2节，下部为第3节，如图1A所示；

2）2号主变750 kV侧进线构架横担严重变形，成“V”字状，如图1B所示；

3）2号主变GIS间隔B相出线套管顶部均压环严重变形，如图1B所示；

4）构架东侧的A型立柱根部弯曲，水泥基础出现明显裂痕。

图1 达坂城地区750 kV变电站避雷针事故现场情况Fig.1 Site conditions of frame lightning rod in 750 kV substation of Daban city

1.2 哈密地区某750 kV变电站B构架避雷针现场情况

2015年4月1日，哈密地区某750 kV变电站220 kV设备构架B构架避雷针变形掉落，造成了短时停电事故，导致的结果包括：

1）220 kV侧构架B构架避雷针变形断裂，断处为从下往上第2节下法兰焊接部位上方，断面呈脆性断裂，第4节法兰角焊缝发现明显裂纹，如2A所示；

2）法兰螺栓存在松动现象，从上往下数第1、2节法兰连接处螺栓均断裂，螺栓断面呈脆性断裂，如图2B所示。

图2 哈密地区某750 kV变电站避雷针事故现场情况Fig.2 Site conditions of frame lightning rod in 750 kV substation of Hami city

2 事故分析和应对措施

2.1 法兰断面及裂纹分析

2.1.1 断面表面形态

从图2A可以看出，法兰断口存在明显疲劳纹（如图中断面A点），其他部位断口呈脆性断裂（如图中断面B点），断面A点部位金属颜色与基体金属颜色不同，可以判断该部位位于焊缝热影响区附近，基体金属上存在黑色组织，且该位置距焊缝较近，由此判断黑色组织为焊接时过烧组织。未断裂的法兰焊接部位多数出现裂纹，如图2A右上图。

2.1.2 检验分析

对连接法兰进行了元素分析以及屈服强度、抗拉强度分析，如表1和表2，并进行了金属的金相分析，如图3。

表1 法兰元素分析Table 1 Elemental analysis of flange %

表2 法兰屈服强度、抗拉强度Table 2 Yield and ultimate strength of flange MPa

图3 法兰金相组织图Fig.3 Metallographic structure of flange

从法兰金属部分元素分析、屈服强度、抗拉强度来看，均在推荐范围内。从图3A可以看出断口位于热影响区边缘的金相组织为铁素体+珠光体，由于距焊缝较近，故该处组织存在轻微球化迹象，球化等级为2级，属于正常组织；从图3B可以看出母材金相组织为铁素体+珠光体，未见明显球化，球化等级为1级，属于正常组织。结合化学成分分析，力学性能分析及金相组织分析可以看出，该避雷针材质未见异常。法兰焊接时的高温对焊缝上部材质造成影响，因没有采取加强筋结构，法兰焊接位置为强度薄弱位置。

2.2 法兰螺栓断面及裂纹分析

2.2.1 断面表面形态

收集了故障法兰螺栓，进行了断口宏观检查。结果发现，有两种断裂：锈蚀脆性断裂（见图4（a））和冲击韧性断裂（见图4（b））。锈蚀脆性断裂多数位于法兰紧固后螺母与垫片结合面位置，极少数位于螺栓杆螺帽根部。螺栓锈蚀断面明显分为3种形态：1）裂纹疲劳扩展区，表面光滑呈红褐色，附着一层致密的氧化膜，说明此区域开裂时间较长；2）裂纹快速扩区域，表面较为粗糙，也附着有一层暗红色氧化铁，具有纤维状断口特征；3）边缘区域，断口边缘部分有一个较小的剪切唇，表面氧化不明显。整个法兰螺栓断口无明显塑性变形，具有脆性断裂特征。

冲击韧性断裂的螺栓表面粗糙为纤维状断口，断口表面具有金属光泽，无氧化锈蚀现象，应该是避雷针不均匀受力后脱落前过载及外力冲击下造成的，断口形貌见图4（b），这种断口受到了典型的冲击扭力形成的。

图4 断裂法兰螺栓Fig.4 Fracture of flange bolts

2.2.2 检验分析

对现场取样的螺栓进行化学元素分析 （见表3）、硬度试验（见表4）、金相组织分析（见图5）等试验检查，其中化学元素、硬度试验、金相组织检查均正常。

从化学成份分析和螺栓硬度值结果看，样品所含C、S、P等主要元素含量以及螺栓硬度均符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能：螺栓、螺钉和螺柱》[10]标准要求。

从图3可以看出，该螺栓显微组织为回火马氏体，属于正常组织。

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

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

图5 法兰金相组织图Fig.5 Metallographic structure of flange

2.3 事故分析

结合化学成分分析，力学性能分析及金相组织分析可以看出，避雷针和螺栓材质在正常范围内，但是法兰焊接结构强度不够，部分法兰角焊缝存在裂纹，且断口处存在明显过烧组织，由此判断该法兰角焊缝焊接质量不合格，法兰角焊缝本就是应力集中部位，施工过程中法兰螺栓未能很好地处理，存在松动现象发展成断裂。

以哈密地区变电站B构架避雷针为例，分析结构设计问题。根据DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计技术规程》[11]的规定，变电站避雷针应力比满足上述规程中要求的钢材受拉应力与抗拉应力的比值不应超过0.8的要求。当风速已达到34 m/s时，应力比加大至0.55，仍低于0.8的要求，但安全裕度将减小，若此时应力集中部位材料存在缺陷或不连续性，则会使应力比急剧增大，甚至超出0.8的安全使用要求。变电站B构架避雷针的结构型式长细比例过大，最下部管径为400 mm，上部为83 mm（不包括最上部避雷针尖），刚度较低，与构架结构避雷针相比风荷载较大，容易在大风条件下发生大幅度风致振动。现场人员多次观察到该构架避雷针在大风条件下，发生大幅度摆动的现象，根据测量发现，最上端最大摆幅接近1 m，远大于避雷针顶部允许最大位移328 mm，超出了最初设计的范围。

站用避雷针为圆形钢管断面，容易在低风速下发生涡激振动。根据涡激振动的原理[12-13]，依据避雷针结构形式结合经验公式可大致估算出该临界风速不大于4 m/s，因此避雷针极易产生振动，并且产生的惯性耦合会进一步加大应力集中处交变应力的幅值，造成该处发生疲劳损伤。这些均进一步加大作用在避雷针上的风荷载，而这在最初的设计中考虑不足。

综合分析认为：在平均风荷载、脉动风荷载以及涡激振动的共同作用下，避雷针长期处于摆动状态。由于结构刚度的影响导致断裂法兰处受到的交变弯曲应力的作用最为明显，引起疲劳损伤；而法兰角焊缝处由于结构和形状的因素影响会产生较为集中的应力；各节避雷针连接法兰处没有采用加强筋结构，法兰螺栓未能很好处理，即柔性法兰连接结构，与有加强筋的刚性法兰结构相比，刚性强度及承载力不足，也是在风载作用下产生应力集中的重要原因之一。

2.4 应对措施

1）加强风害区域气象特征的收集，根据风害区域的气象数据，对所有在运、在建变电站内构架钢管式避雷针抗风性能重新进行全面校核，更改设计方案，采取破坏涡激共振条件的构架钢管避雷针，如刚性法兰连接更改为套装连接型式等方式；

2）在风害严重区域的站用避雷针设计阶段，充分考虑当地气象条件，充分考虑长期持续风力对金属构件的疲劳影响，采取差异化布置，采取格构式的结构设计等方法，减小风阻的影响，提高避雷针抗风能力；

3）加强变电站避雷针的在线监测和运维检修工作，定期检查构架避雷针的固定螺栓以及法兰焊接部位等薄弱点，必要时可采用放松动螺栓螺帽，对出现裂纹的法兰、松动的螺栓迅速处理。

3 结论

1）持续性强风环境下，法兰焊接部位和法兰螺栓在平均风荷载、脉动风荷载以及涡激力的共同作用，螺纹根部应力集中部位和法兰焊接部位材料微观缺陷部位产生疲劳损伤的积累，并形成疲劳源；

2）在长期交变应力的作用下，疲劳裂纹不断扩展直至螺栓或者法兰导致断裂，法兰连接结构失稳，从而避雷针变形倾倒；

3）法兰焊接质量不合格及螺栓松动是750 kV变电站避雷针断裂的内在原因，应加强法兰焊接质量以及现场施工工艺，采用防松螺栓螺帽，提高站用避雷针的抗风能力；

4）根据风害区域的气象数据，对站用避雷针进行合理的结构设计，破坏避雷针涡激共振产生的条件。

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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，高级工程师，从事输变电设备状态检测与评价技术研究。

国网新疆电力公司科技项目 （5230DK15009L）；国家高技术发展计划 （863计划） （2013AA030701）。