变电站避雷针断裂原因分析及对策

变电站避雷针断裂原因分析及对策

韩冰

（国网山东省肥城市供电公司山东泰安271600）

摘要：变电所是电力系统的重要组成部分，也是电力系统防雷的重要部位。变电所发生雷击事故将造成大面积停电，对社会生产造成巨大损失，给人民生活带来极大不便，因此，变电所防雷措施必须十分有效可靠。作为一种有效防止直击雷危害的保护设施，避雷针在变电所的防雷保护中得到广泛应用。充分重视避雷针的设计将大大提高变电所运行的安全可靠性。本文对变电站避雷针断裂的原因进行分析，并提出了相应的解决措施。

关键词：变电站；避雷针；断裂；对策

对某变电站架构避雷针和独立避雷针的断裂事故，采用断口宏观和微观扫描电镜检查、化学成分分析、力学性能试验、金相组织检查等方法，找出避雷针断裂原因是由于结构因素、交变风栽荷和低温的共同作用．致使构件最薄弱部位发生疲劳断裂通过检验结果分析。提出整改措施和建议

1变电所避雷针防雷保护原理

避雷针比变电所内被保护物高。雷电先导阶段，避雷针顶部聚积电荷，在发展先导和避雷针顶端之间的通道中建立了很大的电场强度，避雷针迎面先导的产生和发展又大大加强了该通道中的电场强度，最后选定击中避雷针，雷电从被保护物上方引向避雷针并安全泄入大地。由于避雷针的屏蔽和迎面先导作用，被保护物遭受雷击的概率较小。中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）规定，避雷针（线）保护范围内可遭受雷击概率为0.1%，即保护范围可靠率达01999。美国推荐性标准“IEEEStd142-1991”规定，避雷针击距（或球半径）为30m时，保护范围内遭受雷击概率（绕击率）大约为0.1%；击距（或球半径）为45m时，保护范围内遭受雷击概率大约为0.5%。由此可见，一般情况下，对于直击雷保护，避雷针能提供99.5%～99.9%的有效保护效果。

避雷针的可靠防雷保护作用除要在保护范围内有引雷作用外，还要求避雷针的泄流通道（回路）阻抗（包括引流线电抗和接地电阻）很小。

2概述

2008年12月，该变电站架构避雷针和独立避雷针先后发生断裂事故。2008年12月3日凌晨，330kV区域35构架16交A轴41a架构避雷针发生断裂．避雷针断裂部位距构架1m。下数第1个法兰上焊几钢管侧焊趾（焊缝和母材交界处）部位。2008年12月15曰凌晨期间，750kV区域1号独立避雷针发生断裂．避雷引断裂部位距地面17m．第2个法兰下焊口钢管侧焊趾部位。

3原因分析

3.1宏观检查

变电站330kV区域35构架16交A轴41a避雷针和750kV区域1号独立避雷针断盯进行宏观检查。断口上250mm的区域断口陈旧齐平。已氧化锈蚀并有泥土，对侧断侧边缘有近1mm深裂纹区；两侧断口分别有220mm和170mm的区域呈45°角，杯锥状，表面呈黑灰色。750kV区域1号独豇避雷针在第2个法兰下焊口钢管侧焊趾部位发生断裂，宏观检查断口，初开始裂区长约560mm，断口齐平，有明显疲劳辉纹；对称侧有270mm的区域出现明显疲劳辉纹，断口齐平；左右两侧断口分别有500mm和230mm的区域呈45°角，杯锥状，表面黑灰色。

3.2化学成分分析

选取一块材质为Q235B厚度9mm的原始钢板、对首先断裂的330kV区域16交A轴避雷针钢管和法兰，330kV区域13交A轴避雷针下数第1段钢管（简称13-A-1，规格φ380mmX6

mm、750kV区域1号独立避雷针下数第1段下部（简称独1-1下，规格φ750×12mm）、发生断裂的第2段上部（简称独l-2上，规格φ500mmxl0mm）、第5段下部（简称独1-5下．规格φ400mmx8mm）进行化学成分分析，结果符合材料牌号对Q235B材料的化学成分要求。

3.3金相检查

为了分析避雷针断裂原因，对330kV区域16-A-1初始断裂区焊接接头、钢管母材纵向和终断区焊接接头、45°角断裂区焊接接头、16-A-1初始断口和45°角断口横向、未用原始钢板母材横向和纵向、750kV区域1号独立避雷针断口横向、1号独立避雷针下数第1段下部、第5段下部和330kV区域13-A-1取样，采用4%的硝酸酒精侵蚀，用UnionVersamet-2金相显微镜进行金相组织观察分析。

（1）330kV区域16-A-1初始断裂部位焊接接头、终断区焊接接头、母材和13-A-1金相组织均为铁素体＋珠光体，过热区呈粗大的魏氏组织，重结晶区组织细小，不完全结晶区组织不均匀；母材有夹杂物，依据GB1056-1989钢中非金属夹杂物显微评定方法评定，夹杂物达2.5级，已发展成微裂纹，13-A-1截面上存在不同程度的夹杂物

（2）750kV区域1号独立避雷针45°角斜断口和初始断口横向、下数第1段下部、第5段下部金相组织均为：铁素体＋珠光体，组织不均匀，截面上存在不同程度的夹杂物。1号独立避雷针45°角斜断口和初始断口位于角接头的热影响区，截面上有周向裂纹。

（3）原始钢板金相组织：铁素体＋珠光体，呈带状分布，截面上有夹杂物，依据GB10561-1989钢中非金属夹杂物显微评定方法评定，夹杂物达C类4级；横向截面上有0.15mm宽的过热带，呈魏氏组织。

3.4力学性能试验

从断裂的钢管梁取样，进行力学性能试验，包括室温拉伸、室温弯曲、夏比冲击等试验。所取试样力学性能满足GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》中对Q345B的力学性能指标要求。

4折断原因分析

避雷针采用法兰螺栓连接结构，法兰角接接头部位受力比较复杂，330kV区域避雷针本身高达19.5m（架构20.5m），750kV区域避雷针高达56m，自重产生的应力；避雷针整体是分段通过法兰螺栓连接，每一段由钢板卷焊插入法兰角接而成，法兰与钢管壁厚相差很大，由于结构原因，法兰角焊缝焊接时产生很大的焊接应力；避雷针组装时，法兰连接会产生装配应力。

避雷针除了承受静载荷的作用外，由于该变电站的地域特点，还承受风载荷的作用，过去认为风载荷不是动载荷，由于风载荷是随时间变化的可变载荷，现在认为风载荷是动态载荷，风载荷对避雷针结构的影响是巨大的。钢材的塑性和韧性随温度的降低而下降，低温条件下，裂纹的扩展速度加快，断裂形式由塑性断裂转变为脆性断裂。

5建议及改进措施

（1）结构设计时，考虑风载荷的作用，在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值乘以相应动力系数，进行疲劳计算。

（2）结构设计时，考虑角接接头对结构承载能力的减弱，增加相应安全系数。

（3）钢结构选材时，钢材应具有0℃冲击韧性的合格保证。

（4）避雷针主管与法兰角焊缝设计和制造检验为外观二级焊缝检查要求，建议为二级焊缝，进行100%外观检查，100%无损检测，增加设备监造，进行现场质量监控。

（5）对已改造更换在役的避雷针进行定期检查，加强避雷针主要受力部位的检查。

参考文献：

[1]徐贤，吴国忠，李岩等.变电站避雷针断裂原因分析及对策[J].宁夏电力增刊，2010：94-99.

[2]DL/T5457-2012.变电站建筑结构设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2012.