王 建， 鄧鶴鳴， 劉勁松， 劉春翔， 張 偉， 張 龍，趙建平， 李 庚

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

我國(guó)西北地區(qū)風(fēng)害嚴(yán)重，直接威脅著區(qū)域輸變電設(shè)備的運(yùn)行安全。在詳細(xì)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(dòng)導(dǎo)致避雷針的法蘭螺栓斷裂或者松動(dòng)；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(chǎng)分析

0 引言

我國(guó)西北地區(qū)有著豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)力資源，尤其是新疆地區(qū)，是我國(guó)的能源大??；但是區(qū)域存在的強(qiáng)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(yùn)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(dòng)等故障，這些是疆電外送亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外研究者主要針對(duì)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(guó)電網(wǎng)、跨區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)的展開，這種強(qiáng)風(fēng)、沙塵天氣給輸變電設(shè)備帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，清華大學(xué)和國(guó)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(jī)理、抗風(fēng)設(shè)計(jì)等方面展開了系列研究，為強(qiáng)風(fēng)區(qū)域輸變電設(shè)備設(shè)計(jì)提供了大量數(shù)據(jù)[4-9]。除了傘裙撕裂問(wèn)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(wèn)題。筆者詳細(xì)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(duì)措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

1.1 達(dá)坂城地區(qū)某750 kV變電站A構(gòu)架避雷針斷裂現(xiàn)場(chǎng)情況

2015年9月13日，達(dá)坂城地區(qū)某750 kV變電站2號(hào)主變進(jìn)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(hào)主變750 kV側(cè)進(jìn)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(hào)主變750 kV側(cè)進(jìn)線構(gòu)架橫擔(dān)嚴(yán)重變形，成“V”字狀，如圖1B所示；

3）2號(hào)主變GIS間隔B相出線套管頂部均壓環(huán)嚴(yán)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(dá)坂城地區(qū)750 kV變電站避雷針事故現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(chǎng)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(duì)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(diǎn)），其他部位斷口呈脆性斷裂（如圖中斷面B點(diǎn)），斷面A點(diǎn)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(shí)過(guò)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(yàn)分析

對(duì)連接法蘭進(jìn)行了元素分析以及屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分析，如表1和表2，并進(jìn)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度來(lái)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(jí)為2級(jí)，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(jí)為1級(jí)，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(shí)的高溫對(duì)焊縫上部材質(zhì)造成影響，因沒(méi)有采取加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，法蘭焊接位置為強(qiáng)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(jìn)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(kuò)展區(qū)，表面光滑呈紅褐色，附著一層致密的氧化膜，說(shuō)明此區(qū)域開裂時(shí)間較長(zhǎng)；2）裂紋快速擴(kuò)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(gè)較小的剪切唇，表面氧化不明顯。整個(gè)法蘭螺栓斷口無(wú)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(wú)氧化銹蝕現(xiàn)象，應(yīng)該是避雷針不均勻受力后脫落前過(guò)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(yàn)分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的螺栓進(jìn)行化學(xué)元素分析 （見表3）、硬度試驗(yàn)（見表4）、金相組織分析（見圖5）等試驗(yàn)檢查，其中化學(xué)元素、硬度試驗(yàn)、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(jī)械性能：螺栓、螺釘和螺柱》[10]標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度不夠，部分法蘭角焊縫存在裂紋，且斷口處存在明顯過(guò)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(guò)程中法蘭螺栓未能很好地處理，存在松動(dòng)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(jì)問(wèn)題。根據(jù)DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)0.8的要求。當(dāng)風(fēng)速已達(dá)到34 m/s時(shí)，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(shí)應(yīng)力集中部位材料存在缺陷或不連續(xù)性，則會(huì)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(zhǎng)細(xì)比例過(guò)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(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)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(dòng)的現(xiàn)象，根據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，最上端最大擺幅接近1 m，遠(yuǎn)大于避雷針頂部允許最大位移328 mm，超出了最初設(shè)計(jì)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(dòng)。根據(jù)渦激振動(dòng)的原理[12-13]，依據(jù)避雷針結(jié)構(gòu)形式結(jié)合經(jīng)驗(yàn)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(dòng)，并且產(chǎn)生的慣性耦合會(huì)進(jìn)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(jìn)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(jì)中考慮不足。

綜合分析認(rèn)為：在平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載以及渦激振動(dòng)的共同作用下，避雷針長(zhǎng)期處于擺動(dòng)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(huì)產(chǎn)生較為集中的應(yīng)力；各節(jié)避雷針連接法蘭處沒(méi)有采用加強(qiáng)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(qiáng)筋的剛性法蘭結(jié)構(gòu)相比，剛性強(qiáng)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(duì)措施

1）加強(qiáng)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(duì)所有在運(yùn)、在建變電站內(nèi)構(gòu)架鋼管式避雷針抗風(fēng)性能重新進(jìn)行全面校核，更改設(shè)計(jì)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(yán)重區(qū)域的站用避雷針設(shè)計(jì)階段，充分考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件，充分考慮長(zhǎng)期持續(xù)風(fēng)力對(duì)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(jì)等方法，減小風(fēng)阻的影響，提高避雷針抗風(fēng)能力；

3）加強(qiáng)變電站避雷針的在線監(jiān)測(cè)和運(yùn)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(diǎn)，必要時(shí)可采用放松動(dòng)螺栓螺帽，對(duì)出現(xiàn)裂紋的法蘭、松動(dòng)的螺栓迅速處理。

3 結(jié)論

1）持續(xù)性強(qiáng)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(dòng)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(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋不斷擴(kuò)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(dòng)是750 kV變電站避雷針斷裂的內(nèi)在原因，應(yīng)加強(qiáng)法蘭焊接質(zhì)量以及現(xiàn)場(chǎng)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(duì)站用避雷針進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，破壞避雷針渦激共振產(chǎn)生的條件。

[1]高慶先，任陣海，張志剛，等.沙塵天氣對(duì)大氣環(huán)境影響[M].北京:科學(xué)出版社，2010.GAO Qingxian， REN Zhenhai， ZHANG Zhigang， et al.Dust events and its impacts on atmospheric environment[M].Beijing:Science Press，2010.

[2]李娟.中亞地區(qū)沙塵氣溶膠的理化特性、來(lái)源、長(zhǎng)途傳輸及其對(duì)全球變化的可能性[D].上海，復(fù)旦大學(xué)，2009.LI Juan.Characteristics， source， long-rang transport of dust aerosol over the central Asia and its potential effect on global change[D].Shang， Fudan University， 2003.

[3]李紅軍，楊興華，趙勇，等.塔里木盆地春季沙塵暴頻次與大氣環(huán)流的關(guān)系[J].中國(guó)沙漠，2012，32（4）:1077-1081.LI Hongjun， YANG Xinhua， ZHAO Yong， et al.Relationship between spring sandstorm frequency in the Tarim Basin and atmospheric circulation[J].Journal of Desert Research，2012， 32（4）:1077-1081.

[4]王希林，朱正一，馬國(guó)祥，等.強(qiáng)風(fēng)區(qū)復(fù)合絕緣子傘裙撕裂研究[J].電網(wǎng)技術(shù)， 2013， 37（10）:2843-2849.WANG Xilin， ZHU Zhengyi， MA Guoxiang， et al.Research on shed crack of composite insulators used in strong wind area[J].Power System Technology， 2013， 37 （10）:2843-2849.

[5]朱正一，賈志東，馬國(guó)祥，等.強(qiáng)風(fēng)區(qū)750kV復(fù)合絕緣子傘裙破壞機(jī)制分析研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（6）:947-954.ZHU Zhengyi， JIA Zhidong， MA Guoxiang， et al.Analysis on fracture failure mechanism of 750 kV composite insulator sheds utilized in a storm-hit region[J].Proceedings of the CSEE， 2014， 34（6）:947-954.

[6]朱正一，賈志東，馬國(guó)祥，等.強(qiáng)風(fēng)區(qū)750kV復(fù)合絕緣子抗風(fēng)性能研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（21）:5648-5655.ZHU Zhengyi， JIA Zhidong， MA Guoxiang， et al.Study on wind resistance performance of 750 kV composite insulators utilized in storm-wind region[J].Proceedings of the CSEE，2015， 35（21）:5648-5655.

[7]賈志東，馬國(guó)祥，朱正一，等.復(fù)合絕緣子在強(qiáng)風(fēng)下的形變及應(yīng)力集中程度 [J]，高電壓技術(shù)，2015，41（2）:602-607.JIA Zhidong， MA Guoxiang， ZHU Zhengyi， et al.Deformation and stress concentration of composite insulator in strong wind[J].High Voltage Engineering， 2015， 41（2）:602-607.

[8]王言，賈志東，朱正一，等.基于流固耦合方法的強(qiáng)風(fēng)區(qū)復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（1）:316-321.WANG Yan， JIA Zhidong， ZHU Zhengyi， et al.Research on the structure of composite insulators used in strong wind area based on fluid-structure interaction method[J].Power System Technology， 2016， 40（1）:316-321.

[9]雷云澤，賈志東，趙莉華，等.復(fù)合絕緣子風(fēng)壓分布研究及抗風(fēng)性能檢測(cè)方法 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（9）:2545-2553.LEI Yunze， JIA Zhidong， ZHAO Lihua， et al.Study on the distribution of wind pressure of composite insulators and the testing method of anti-wind performance[J].Proceedings of the CSEE， 2016， 36（9）:2545-2553.

[10]GB/T 3098.1-2010.緊固件機(jī)械性能：螺栓、螺釘和螺柱[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.GB/T 3098.1-2010.Mechanical properties of fasteners:Bolts， screws and studs[S].Beijing:China Standards Press，2010.

[11]DL/T 5457-2012.變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國(guó)電力出版社，2012.DL/T 5457-2012.Technical code for r he design of substation buildings and structures[S].Beijing:China Electric Power Press，2012.

[12]夏瑩沛.輸電線路渦致振動(dòng)與尾流效應(yīng)的數(shù)值仿真 [J].碩士學(xué)位論文，保定:華北電力大學(xué)，2014.XIA Yingpei.Numerical simulation of transmission line vortex-induced vibration and wake effects[D].Master Thesis，Baoding:North China Electric Power University，2014.

[13]周國(guó)成，柳貢民，馬俊，等.圓柱渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究[J].噪聲與振動(dòng)控制， 2010， 30（5）:51-55， 59.ZHOU Guocheng， LIU Gongmin， MA Jun， et al.Numerical simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder[J].Noise and Vibration Control， 2010， 30（5）:51-55， 59.

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(jí)工程師，從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究。

國(guó)網(wǎng)新疆電力公司科技項(xiàng)目 （5230DK15009L）；國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃 （863計(jì)劃） （2013AA030701）。