關(guān)于500kV電壓互感器均壓環(huán)連接部脫落原因的探究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修沈陽分公司 吳美萱 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修錦州分公司 雷崇譽

在高壓線路工作中保證高壓均勻分布至關(guān)重要，在實際工作中常使用均壓環(huán)進行均壓，其工作原理是使高壓環(huán)內(nèi)的各點之間無電勢相同，通過形成無電位差狀態(tài)進而實現(xiàn)均壓。通過使用均壓環(huán)可有效促進高壓線路絕緣子中的電壓均勻分布，延長絕緣子壽命，降低其故障發(fā)生風(fēng)險[1]。設(shè)備在氣候條件的變化下，其頂部的均壓環(huán)環(huán)體體重外加上自然界風(fēng)吹振動影響，會產(chǎn)生疲勞開裂，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致環(huán)體脫落、設(shè)備損壞，這對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來重大安全隱患。

目前均壓環(huán)在高壓線路上得到了廣泛應(yīng)用，但是也相繼出現(xiàn)不同原因?qū)е碌木鶋涵h(huán)斷裂事件[2-4]。本文通過分析500kV電容式電壓互感器均壓環(huán)斷裂的原因，得出均壓環(huán)受自身的制造質(zhì)量和運行可靠性至關(guān)重要。同時在大風(fēng)頻繁地區(qū)，更應(yīng)該加強對均壓環(huán)的檢測與維護，這樣才能保證均壓環(huán)能夠正常穩(wěn)定運行。

1 異常事件簡介

1.1 變電站500kV某線C相電壓互感器均壓環(huán)損壞情況

2021年2月25日，某變電站運維人員在巡視過程中發(fā)現(xiàn)該站500kV某線C相線路電壓互感器均壓環(huán)抖動比較嚴(yán)重，檢查發(fā)現(xiàn)均壓環(huán)支撐桿安裝腳2處開焊。均壓環(huán)固定螺栓完好，僅開焊位置明顯，焊口位置無外力撞擊痕跡，無燒灼現(xiàn)象。該均壓環(huán)為鑄鋁材質(zhì)，出廠日期為2008年8月，投運日期為2009年8月18日。

1.2 變電站500kV某線B相電壓互感器均壓環(huán)損壞情況

2021年5月14日下午15點30分，在變電站巡視期間發(fā)現(xiàn)該線路電壓互感器均壓環(huán)隨風(fēng)發(fā)出聲響，檢查后發(fā)現(xiàn)500kV某線B相電壓互感器均壓環(huán)支撐桿安裝腳4處同樣有2處開焊，隨時有掉落的可能，此處斷開脫落位置和上述所示情況相似。兩者為同一型號的均壓環(huán)，均為鋁質(zhì)材質(zhì)，生產(chǎn)廠家也相同。該類別型號的均壓環(huán)，通過檢查發(fā)現(xiàn)其為2011年生產(chǎn)，并于2013年投入使用。

2 脫落原因分析

2.1 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計因素分析

2.1.1 不同結(jié)構(gòu)均壓環(huán)情況分析

目前，各變電站在運的500kV電壓互感器主要有5種不同結(jié)構(gòu)均壓環(huán)，主要區(qū)別在于各自的支撐桿與環(huán)體的焊接工藝上，具體情況如下：

結(jié)構(gòu)一：支撐桿一端通過焊接在均壓環(huán)環(huán)體上表面安裝腳進行固定，此形為上文所述的問題類型。

結(jié)構(gòu)二：焊點位置也是在環(huán)體表面，連接支撐桿一端通過螺栓焊接在均壓環(huán)底側(cè)。

結(jié)構(gòu)三：連接支撐一端焊接在均壓環(huán)上表面。

結(jié)構(gòu)四：連接支撐一端通過螺栓焊接在均壓環(huán)內(nèi)側(cè)中部。

結(jié)構(gòu)五：連接支撐一端焊接在均壓環(huán)內(nèi)側(cè)中部。

通過對比這幾種均壓環(huán)及近年來對電壓互感器的運行狀態(tài)評估，得出結(jié)構(gòu)一式均壓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計不完善，環(huán)體管徑過大，支撐桿的穩(wěn)定性不高。此外，組成該種均壓環(huán)的支撐腳通過焊接的形式與主體環(huán)形結(jié)構(gòu)進行連接，其在連接處所產(chǎn)生焊縫類型為角焊縫。在角焊縫接觸點的承受力明顯大于其他部位，應(yīng)力集中在這些部位，在應(yīng)力的作用下會導(dǎo)致微觀裂紋的出現(xiàn)，上述微觀裂紋會隨著運行時間的增加而逐漸擴大，容易發(fā)生連接部開焊問題。只有在結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足均壓環(huán)正常運行的情況下，焊接工藝更加規(guī)范，在焊接時恰當(dāng)把握好焊接部位產(chǎn)生的熱量，溫度既不能過高也不能過低。經(jīng)過長期觀察除結(jié)構(gòu)一外，其余的四種結(jié)構(gòu)形式的焊接點尚未出現(xiàn)開焊問題。

2.1.2 改進后均壓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

從以上分析得出舊均壓環(huán)的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上環(huán)體中心位置僅依靠支撐桿焊接與環(huán)體相連，如圖1所示。當(dāng)支撐桿損壞斷開時，會使得整個環(huán)體失去支撐點而晃動，甚至導(dǎo)致整個環(huán)體脫落。該結(jié)構(gòu)均壓環(huán)設(shè)計圖紙已于2008年9月作廢，且2012年之后的電壓互感器未再配置該結(jié)構(gòu)均壓環(huán)。

圖1 舊結(jié)構(gòu)均壓環(huán)設(shè)計圖

改進后新型的均壓環(huán)結(jié)構(gòu)其連接支撐一端插入均壓環(huán)內(nèi)側(cè)中部后，再對均壓環(huán)與連接支撐進行焊接，如圖2所示。上述工藝流程所形成的焊縫，可以大幅改善應(yīng)力集中的情況，應(yīng)力的分散提高了焊接連接工藝的可靠性，可有效降低惡劣天候下焊縫開裂等缺陷的發(fā)生概率。此外，均壓環(huán)的外部連接強度增強，避免了點式焊接存在的弊端，提高運行的可靠性。

圖2 新結(jié)構(gòu)均壓環(huán)設(shè)計圖

2.2 風(fēng)力因素影響分析

據(jù)變電運維人員對這兩起電壓互感器均壓環(huán)支撐桿脫落事故的匯報得知，巡視過程中他們均能聽到風(fēng)吹使得均壓環(huán)晃動發(fā)出聲響，而且風(fēng)力越大聲響越大，而檢查分析得出電壓互感器均壓環(huán)整體環(huán)體和其他部位無明顯變形，說明在支撐桿與環(huán)體相連接在能夠滿足均壓環(huán)的正常運行條件下，在風(fēng)力條件的影響下，安裝腳焊縫穩(wěn)定性差再加上受環(huán)體重力和大風(fēng)頻繁沖擊產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴大才會導(dǎo)致環(huán)體支撐桿脫落、電壓互感器均壓環(huán)損壞。

在常年風(fēng)速較大的地區(qū)，高壓輸電線路頂端的均壓環(huán)經(jīng)常發(fā)生支撐桿斷裂和螺栓掉落的現(xiàn)象，均壓環(huán)脫落后，電氣間隙縮短，可見強勢的風(fēng)力會對運行中的均壓環(huán)產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重危害輸電線路的正常運行。

2.3 其他因素分析

從均壓環(huán)支撐位置開焊處的支撐桿材質(zhì)較脆較薄，焊口位置脆性斷開，斷口表面不平整，沒有明顯外力撞斷跡象，開焊處可以看出斷口無灼傷痕跡，所以當(dāng)值人員將上述情況向上匯報，相關(guān)專業(yè)人員進行試驗分析，排除雷擊及外界物體撞擊導(dǎo)致均壓環(huán)環(huán)體脫落。經(jīng)生產(chǎn)此種型號的均壓環(huán)公司反饋得出該公司2012年之前生產(chǎn)此種型號的500kV電容式電壓互感器均壓環(huán)，該結(jié)構(gòu)均壓環(huán)環(huán)體為鑄鋁材質(zhì)，支撐桿一端通過焊接在環(huán)體上表面的3或4個安裝腳（內(nèi)螺紋鋁柱）進行固定；其配置均壓環(huán)材質(zhì)的不合理，使得焊接過程中的高溫導(dǎo)致環(huán)體焊縫部位受損、強度下降；提升材料的強度和韌性這才能防止安裝腳脫焊、均壓環(huán)脫落的安全隱患。

由上述均壓環(huán)脫落原因分析可知，該變電站使用的這種500kV電容式電壓互感器均壓環(huán)屬于早期設(shè)計的均壓環(huán)，受該均壓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計與焊接工藝的不完善、材質(zhì)的不合理，以及處于大風(fēng)環(huán)境下的均壓環(huán)連接部位易產(chǎn)生疲勞斷裂，導(dǎo)致支撐桿從焊縫邊緣處裂開，如果斷面持續(xù)發(fā)展可造成均壓環(huán)全部開焊脫落。

3 防范措施和處理建議

均壓環(huán)在高壓線路中發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)出現(xiàn)裂紋時應(yīng)當(dāng)及時進行處理。為保護均壓環(huán)使其能夠正常運行，針對本文出現(xiàn)的均壓環(huán)異常事件提出以下防范措施和處理建議：加強結(jié)構(gòu)一式均壓環(huán)的日常巡視，檢查均壓環(huán)有無傾斜，使用望遠(yuǎn)鏡檢查有無開焊、損壞等情況，并進行正確的焊補和加固；為及時消除均壓環(huán)因惡劣天候脫落的隱患，需在惡劣天候下加大對線路的巡檢力度；各運維單位應(yīng)排查配置該結(jié)構(gòu)的500kV電壓互感器，盡快儲備適當(dāng)數(shù)量的均壓環(huán)備件，結(jié)合設(shè)備停電檢修，對運行年限長的該結(jié)構(gòu)均壓環(huán)逐步進行更換。

4 結(jié)語

鑒于電壓互感器均壓環(huán)脫落將會嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運行，均壓環(huán)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象是環(huán)境和均壓環(huán)結(jié)構(gòu)本身各方面因素綜合作用的結(jié)果。為防止均壓環(huán)出現(xiàn)脫落故障，不僅要對均壓環(huán)自身材質(zhì)進行改善，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝進行優(yōu)化，還要及時發(fā)現(xiàn)處理均壓環(huán)開裂故障，通過有效的處置方法，確保均壓環(huán)能夠安全穩(wěn)定運行。