變電站接地網(wǎng)新型放熱焊裝置設(shè)計及開發(fā)

張穎，李明，趙世鑫

（國網(wǎng)方城供電公司，南陽473000）

1 引言

變電站接地網(wǎng)是保證電力系統(tǒng)、人身安全的重要環(huán)節(jié)，由大量金屬構(gòu)件焊接而成，其可靠性主要取決于接頭的耐蝕性、抗電流沖擊能力、接頭強度等。一旦焊接接頭出現(xiàn)腐蝕或斷裂，接地系統(tǒng)泄流不暢可產(chǎn)生高達數(shù)萬伏的地電位升，危及設(shè)備及人身安全。長期以來，接地網(wǎng)焊接采用電弧焊等方法，焊接設(shè)備復(fù)雜、施工極其不便，且接頭質(zhì)量受人為因素影響較大，性能偏差，通常使用3~5年后需對接地網(wǎng)開挖檢修、更換，已經(jīng)成為困擾電力行業(yè)的難題。

近年來，放熱焊接因其高效率、高質(zhì)量、熔接點截流能力強、永久分子結(jié)合等諸多優(yōu)點[1～4]，開始被廣泛應(yīng)用于輸變電工程接地裝置的連接。依據(jù)現(xiàn)有放熱焊焊接技術(shù)規(guī)范施工，焊接缺陷率仍達10%以上，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)焊接裝置為影響焊接質(zhì)量的主要因素。目前，市場上制作銷售的大部分放熱焊焊接裝置照搬國外的石墨一體化結(jié)構(gòu)，石墨材質(zhì)裝置長期使用后易發(fā)生高溫變形損壞，壽命短、成本高，個別公司對裝置進行優(yōu)化，但通用性差，性能提升有限。

針對傳統(tǒng)放熱焊裝置存在的突出問題，本文設(shè)計開發(fā)了一種新型放熱焊裝置，提高電力工程接地網(wǎng)接頭焊接合格率，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)放熱焊裝置在多次反復(fù)使用后，極易產(chǎn)生因人為、外力破壞以及放熱產(chǎn)生的高溫氧化等因素引起磨損、豁邊等現(xiàn)象，造成反應(yīng)熔接型腔密封性差，影響焊接質(zhì)量。此外，石墨材質(zhì)裝置成本高，給電力施工企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟成本壓力?；谏鲜龀Ｒ?guī)放熱焊裝置的問題，開發(fā)設(shè)計了新型放熱焊裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。裝置分為3部分：芯部反應(yīng)型腔（石墨）、芯部熔接型腔（石墨）和外部鋼外殼。在放熱反應(yīng)過程中，外部鋼殼并不接觸反應(yīng)生成的高溫熔液，只起到加固及保護內(nèi)部石墨型腔的作用。

從易損壞程度分析，芯部熔接型腔最易因高溫?zé)g氧化、外力磨損引起損壞裝置尺寸變大，造成熔接時“漏包”即高溫銅液沿裝置縫隙流失。相對于芯部熔接型腔，芯部反應(yīng)型腔主要承受反應(yīng)高溫，易發(fā)生高溫?zé)g氧化，在脫模過程中可能會因氧化物殘渣粘連造成表面損傷，但這些氧化和損傷對反應(yīng)型腔的破壞影響有限。與內(nèi)部型腔相比，外部鋼殼與頂部模蓋更不易損傷。

圖1 新型放熱焊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)裝置損壞情況研究分析，本文把放熱焊裝置內(nèi)部設(shè)計為上下分體式（芯部反應(yīng)型腔與芯部熔接型腔分開），裝置損壞后只需更換損壞部分，無須全部更換，可有效節(jié)省裝置更換費用。此外，外部鋼殼及上下分體式設(shè)計也有效提高了裝置使用壽命，一套常規(guī)放熱焊裝置的可焊接頭數(shù)量為50個，而新型放熱焊裝置的可焊接頭數(shù)量達100個，使用壽命提高一倍。據(jù)現(xiàn)場施工統(tǒng)計分析，一座220k V變電站接地工程約2500個接頭，常規(guī)放熱焊裝置需要50套，報廢時需要整體更換，而自制新型放熱焊裝置只需25套，且只需更換損壞石墨芯體，外壁鋼殼可重復(fù)使用，大幅節(jié)省了焊接施工成本。

3 焊接溫度場有限元模擬

焊接過程中母材的焊接質(zhì)量直接受溫度場的影響，而溫度場的分布情況除與反應(yīng)放熱量的大小與反應(yīng)生產(chǎn)的熔體量有關(guān)外，還與裝置設(shè)計的尺寸有著直接的關(guān)系。當(dāng)反應(yīng)熔體的放熱量確定后，焊接過程中溫度場的控制基本由裝置的設(shè)計參數(shù)所決定。為減少試驗工作量及裝置制造成本，在焊接之前預(yù)先對焊接過程進行有限元模擬，以確定最終的模型尺寸。

本文針對φ20mm的接地網(wǎng)材料設(shè)計的裝置焊接溫度場分布圖如圖2所示，從圖2中可以看出在焊接過程中頂端溫度最高，底部溫度最低。當(dāng)填充銅液溫度為2400℃時，最底部溫度達到約1200℃，接地網(wǎng)材料橫向部分溫度場相對分布均勻，未出現(xiàn)程度較大的溫度梯度，提升了裝置排氣、排渣效果，能夠確保接地網(wǎng)材料的焊接質(zhì)量，由此確定了裝置的設(shè)計參數(shù)。

4 電力工程接地網(wǎng)接頭焊接測試驗證

為驗證設(shè)計的新型放熱焊裝置操作可靠性，對規(guī)格為φ20mm的電力工程接地網(wǎng)材料分別采用傳統(tǒng)放熱焊裝置和新型放熱焊裝置進行焊接。焊接后沿接頭徑向截開，接頭宏觀截面形貌如圖3所示。從圖3a可以看出，新型放熱焊裝置焊接接頭界面焊合率、致密度均接近100%。在排氣排渣方面，新型放熱焊裝置更有利于反應(yīng)、熔接過程中高溫銅液中氣體的排出，接頭優(yōu)于傳統(tǒng)放熱焊裝置焊接接頭。

圖2 放熱焊焊接溫度場分布圖

圖3 不同放熱焊裝置焊接的接地網(wǎng)材料截面形貌對比圖

5 結(jié)論

1）本文設(shè)計了一種新型電力工程接地網(wǎng)放熱焊裝置，外部鋼模強度高，不易損壞，內(nèi)部分體式型腔可實現(xiàn)單獨更換，通用性強，提高了電力工程接地網(wǎng)焊接質(zhì)量，降低了施工成本。

2）基于裝置溫度場有限元分析模擬，優(yōu)化了裝置內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，提升了裝置排氣、排渣效果。

3）采用設(shè)計的新型電力工程接地網(wǎng)放熱焊裝置進行施工焊接，焊接接頭界面焊合率、致密度均接近100%，優(yōu)于傳統(tǒng)放熱焊裝置焊接的接頭質(zhì)量。