變電站避雷針斷裂原因分析及對(duì)策

1、變電站避雷針斷裂原因分析及對(duì)策摘要：變電所是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)防雷的重要部位。變 電所發(fā)生雷擊事故將造成大面積停電，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)造成巨大損失，給人民生活帶 來極大不便，因此，變電所防雷措施必須十分有效可靠。作為一種有效防止直擊 雷危害的保護(hù)設(shè)施，避雷針在變電所的防雷保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。充分重視避雷 針的設(shè)計(jì)將大大提高變電所運(yùn)行的安全可靠性。本文對(duì)變電站避雷針斷裂的原因 進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。關(guān)鍵詞：變電站；避雷針；斷裂；對(duì)策 對(duì)某變電站架構(gòu)避雷針和獨(dú)立避雷針的斷裂事故，采用斷口宏觀和微觀掃描 電鏡檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相組織檢查等方法，找出避雷針斷 裂

2、原因是由于結(jié)構(gòu)因素、交變風(fēng)栽荷和低溫的共同作用致使構(gòu)件最薄弱部位發(fā) 生疲勞斷裂通過檢驗(yàn)結(jié)果分析。提出整改措施和建議變電所避雷針防雷保護(hù)原理避雷針比變電所內(nèi)被保護(hù)物高。雷電先導(dǎo)階段，避雷針頂部聚積電荷，在發(fā) 展先導(dǎo)和避雷針頂端之間的通道中建立了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，避雷針迎面先導(dǎo)的產(chǎn) 生和發(fā)展又大大加強(qiáng)了該通道中的電場(chǎng)強(qiáng)度，最后選定擊中避雷針，雷電從被保 護(hù)物上方引向避雷針并安全泄入大地。由于避雷針的屏蔽和迎面先導(dǎo)作用，被保 護(hù)物遭受雷擊的概率較小。中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)交流電氣裝置的過電 壓保護(hù)和絕緣配合（DL/T620-1997）規(guī)定，避雷針（線）保護(hù)范圍內(nèi)可遭受雷 擊概率為0.1%，即保護(hù)范

3、圍可靠率達(dá)01999。美國推薦性標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd142-1991” 規(guī)定，避雷針擊距（或球半徑）為 30m 時(shí)，保護(hù)范圍內(nèi)遭受雷擊概率（繞擊率） 大約為 0.1%；擊距（或球半徑）為 45m 時(shí)，保護(hù)范圍內(nèi)遭受雷擊概率大約為 0.5%。由此可見，一般情況下，對(duì)于直擊雷保護(hù)，避雷針能提供99.5%99.9%的 有效保護(hù)效果。避雷針的可靠防雷保護(hù)作用除要在保護(hù)范圍內(nèi)有引雷作用外，還要求避雷針 的泄流通道（回路）阻抗（包括引流線電抗和接地電阻）很小。概述2008 年 12 月，該變電站架構(gòu)避雷針和獨(dú)立避雷針先后發(fā)生斷裂事故。 2008 年 12 月 3 日凌晨， 330 kV 區(qū)域 35 構(gòu)架 1

4、6 交 A 軸 41a 架構(gòu)避雷針發(fā)生斷裂避 雷針斷裂部位距構(gòu)架1m。下數(shù)第1個(gè)法蘭上焊幾鋼管側(cè)焊趾（焊縫和母材交界 處）部位。 2008 年 12 月 15 曰凌晨期間， 750 kV 區(qū)域 1 號(hào)獨(dú)立避雷針發(fā)生斷 裂.避雷引斷裂部位距地面17 m.第2個(gè)法蘭下焊口鋼管側(cè)焊趾部位。原因分析3.1 宏觀檢查變電站 330 kV 區(qū)域 35 構(gòu)架 16 交 A 軸 41a 避雷針和 750 kV 區(qū)域 1 號(hào)獨(dú)立避 雷針斷盯進(jìn)行宏觀檢查。斷口上 250 mm 的區(qū)域斷口陳舊齊平。已氧化銹蝕并有 泥土，對(duì)側(cè)斷側(cè)邊緣有近 1mm 深裂紋區(qū)；兩側(cè)斷口分別有 220 mm 和 170 mm 的 區(qū)域呈

5、45角，杯錐狀，表面呈黑灰色。 750 kV 區(qū)域 1 號(hào)獨(dú)豇避雷針在第 2 個(gè)法 蘭下焊口鋼管側(cè)焊趾部位發(fā)生斷裂，宏觀檢查斷口，初開始裂區(qū)長(zhǎng)約560mm，斷 口齊平，有明顯疲勞輝紋；對(duì)稱側(cè)有 270mm 的區(qū)域出現(xiàn)明顯疲勞輝紋，斷口齊 平；左右兩側(cè)斷口分別有 500mm 和 230mm 的區(qū)域呈 45角，杯錐狀，表面黑灰 色。3.2 化學(xué)成分分析選取一塊材質(zhì)為Q235B厚度9 mm的原始鋼板、對(duì)首先斷裂的330 kV區(qū)域 16交A軸避雷針鋼管和法蘭，330 kV區(qū)域13交A軸避雷針下數(shù)第1段鋼管（簡(jiǎn) 稱 13-A-1，規(guī)格彷380mmX6mm、750 kV區(qū)域1號(hào)獨(dú)立避雷針下數(shù)第1段下部（簡(jiǎn)

6、稱獨(dú)1-1下，規(guī)格 彷750 x12 mm）、發(fā)生斷裂的第2段上部（簡(jiǎn)稱獨(dú)1-2上，規(guī)格彷500mmxl0mm）、 第5段下部（簡(jiǎn)稱獨(dú)1-5下.規(guī)格彷400mmx8mm）進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合 材料牌號(hào)對(duì)Q235B材料的化學(xué)成分要求。金相檢查為了分析避雷針斷裂原因，對(duì)330 kV區(qū)域16-A-1初始斷裂區(qū)焊接接頭、鋼管 母材縱向和終斷區(qū)焊接接頭、45角斷裂區(qū)焊接接頭、16-A-1初始斷口和45角斷 口橫向、未用原始鋼板母材橫向和縱向、750 kV區(qū)域1號(hào)獨(dú)立避雷針斷口橫向、 1 號(hào)獨(dú)立避雷針下數(shù)第 1 段下部、第 5 段下部和 330 kV 區(qū)域 13-A-1 取樣，采用 4% 的硝酸酒精

7、侵蝕，用 Union Versamet-2 金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察分析。（1）330 kV區(qū)域16-A-1初始斷裂部位焊接接頭、終斷區(qū)焊接接頭、母材和13-A-1 金相組織均為鐵素體珠光體，過熱區(qū)呈粗大的魏氏組織，重結(jié)晶區(qū)組織 細(xì)小，不完全結(jié)晶區(qū)組織不均勻；母材有夾雜物，依據(jù)GB1056-1989鋼中非金屬 夾雜物顯微評(píng)定方法評(píng)定，夾雜物達(dá)2.5級(jí)，已發(fā)展成微裂紋，13-A-1截面上存 在不同程度的夾雜物（2）750 kV區(qū)域1號(hào)獨(dú)立避雷針45角斜斷口和初始斷口橫向、下數(shù)第1段 下部、第 5段下部金相組織均為：鐵素體珠光體，組織不均勻，截面上存在不 同程度的夾雜物。 1 號(hào)獨(dú)立避雷針 45

8、角斜斷口和初始斷口位于角接頭的熱影響區(qū)， 截面上有周向裂紋。（3）原始鋼板金相組織：鐵素體珠光體，呈帶狀分布，截面上有夾雜物， 依據(jù)GB10561-1989鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法評(píng)定，夾雜物達(dá)C類4級(jí)； 橫向截面上有 0.15 mm 寬的過熱帶，呈魏氏組織。力學(xué)性能試驗(yàn) 從斷裂的鋼管梁取樣，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括室溫拉伸、室溫彎曲、夏比沖擊等試驗(yàn)。所取試樣力學(xué)性能滿足GB/T1591-2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中 對(duì) Q345B 的力學(xué)性能指標(biāo)要求。折斷原因分析避雷針采用法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)，法蘭角接接頭部位受力比較復(fù)雜，330 kV區(qū) 域避雷針本身高達(dá)19.5 m （架構(gòu)20.5 m），7

9、50 kV區(qū)域避雷針高達(dá)56 m，自重產(chǎn) 生的應(yīng)力；避雷針整體是分段通過法蘭螺栓連接，每一段由鋼板卷焊插入法蘭角 接而成，法蘭與鋼管壁厚相差很大，由于結(jié)構(gòu)原因，法蘭角焊縫焊接時(shí)產(chǎn)生很大 的焊接應(yīng)力；避雷針組裝時(shí)，法蘭連接會(huì)產(chǎn)生裝配應(yīng)力。避雷針除了承受靜載荷的作用外，由于該變電站的地域特點(diǎn)，還承受風(fēng)載荷 的作用，過去認(rèn)為風(fēng)載荷不是動(dòng)載荷，由于風(fēng)載荷是隨時(shí)間變化的可變載荷，現(xiàn) 在認(rèn)為風(fēng)載荷是動(dòng)態(tài)載荷，風(fēng)載荷對(duì)避雷針結(jié)構(gòu)的影響是巨大的。鋼材的塑性和 韌性隨溫度的降低而下降，低溫條件下，裂紋的擴(kuò)展速度加快，斷裂形式由塑性 斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。建議及改進(jìn)措施（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮風(fēng)載荷的作用，在計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí)，動(dòng)力荷載設(shè) 計(jì)值乘以相應(yīng)動(dòng)力系數(shù)，進(jìn)行疲勞計(jì)算。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮角接接頭對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的減弱，增加相應(yīng)安全系數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)選材時(shí)，鋼材應(yīng)具有0 C沖擊韌性的合格保證。( 4 )避雷針主管與法蘭角焊縫設(shè)計(jì)和制造檢驗(yàn)為外觀二級(jí)焊縫檢查要求，建 議為二級(jí)焊縫，進(jìn)行 100 %外觀檢查， 100 %無損檢測(cè)，增加設(shè)備監(jiān)造，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)