变电站接地网新型放热焊装置设计及开发

2020-03-30张颖李明赵世鑫

工程建设与设计 2020年2期

张颖，李明，赵世鑫

（国网方城供电公司，南阳473000）

1 引言

变电站接地网是保证电力系统、人身安全的重要环节，由大量金属构件焊接而成，其可靠性主要取决于接头的耐蚀性、抗电流冲击能力、接头强度等。一旦焊接接头出现腐蚀或断裂，接地系统泄流不畅可产生高达数万伏的地电位升，危及设备及人身安全。长期以来，接地网焊接采用电弧焊等方法，焊接设备复杂、施工极其不便，且接头质量受人为因素影响较大，性能偏差，通常使用3~5年后需对接地网开挖检修、更换，已经成为困扰电力行业的难题。

近年来，放热焊接因其高效率、高质量、熔接点截流能力强、永久分子结合等诸多优点[1～4]，开始被广泛应用于输变电工程接地装置的连接。依据现有放热焊焊接技术规范施工，焊接缺陷率仍达10%以上，调查研究发现焊接装置为影响焊接质量的主要因素。目前，市场上制作销售的大部分放热焊焊接装置照搬国外的石墨一体化结构，石墨材质装置长期使用后易发生高温变形损坏，寿命短、成本高，个别公司对装置进行优化，但通用性差，性能提升有限。

针对传统放热焊装置存在的突出问题，本文设计开发了一种新型放热焊装置，提高电力工程接地网接头焊接合格率，保障电网安全稳定运行。

2 装置结构设计

传统放热焊装置在多次反复使用后，极易产生因人为、外力破坏以及放热产生的高温氧化等因素引起磨损、豁边等现象，造成反应熔接型腔密封性差，影响焊接质量。此外，石墨材质装置成本高，给电力施工企业带来巨大的经济成本压力。基于上述常规放热焊装置的问题，开发设计了新型放热焊装置，其结构示意图如图1所示。装置分为3部分：芯部反应型腔（石墨）、芯部熔接型腔（石墨）和外部钢外壳。在放热反应过程中，外部钢壳并不接触反应生成的高温熔液，只起到加固及保护内部石墨型腔的作用。

从易损坏程度分析，芯部熔接型腔最易因高温烧蚀氧化、外力磨损引起损坏装置尺寸变大，造成熔接时“漏包”即高温铜液沿装置缝隙流失。相对于芯部熔接型腔，芯部反应型腔主要承受反应高温，易发生高温烧蚀氧化，在脱模过程中可能会因氧化物残渣粘连造成表面损伤，但这些氧化和损伤对反应型腔的破坏影响有限。与内部型腔相比，外部钢壳与顶部模盖更不易损伤。

图1 新型放热焊装置结构示意图

根据装置损坏情况研究分析，本文把放热焊装置内部设计为上下分体式（芯部反应型腔与芯部熔接型腔分开），装置损坏后只需更换损坏部分，无须全部更换，可有效节省装置更换费用。此外，外部钢壳及上下分体式设计也有效提高了装置使用寿命，一套常规放热焊装置的可焊接头数量为50个，而新型放热焊装置的可焊接头数量达100个，使用寿命提高一倍。据现场施工统计分析，一座220k V变电站接地工程约2500个接头，常规放热焊装置需要50套，报废时需要整体更换，而自制新型放热焊装置只需25套，且只需更换损坏石墨芯体，外壁钢壳可重复使用，大幅节省了焊接施工成本。

3 焊接温度场有限元模拟

焊接过程中母材的焊接质量直接受温度场的影响，而温度场的分布情况除与反应放热量的大小与反应生产的熔体量有关外，还与装置设计的尺寸有着直接的关系。当反应熔体的放热量确定后，焊接过程中温度场的控制基本由装置的设计参数所决定。为减少试验工作量及装置制造成本，在焊接之前预先对焊接过程进行有限元模拟，以确定最终的模型尺寸。

本文针对φ20mm的接地网材料设计的装置焊接温度场分布图如图2所示，从图2中可以看出在焊接过程中顶端温度最高，底部温度最低。当填充铜液温度为2400℃时，最底部温度达到约1200℃，接地网材料横向部分温度场相对分布均匀，未出现程度较大的温度梯度，提升了装置排气、排渣效果，能够确保接地网材料的焊接质量，由此确定了装置的设计参数。

4 电力工程接地网接头焊接测试验证

为验证设计的新型放热焊装置操作可靠性，对规格为φ20mm的电力工程接地网材料分别采用传统放热焊装置和新型放热焊装置进行焊接。焊接后沿接头径向截开，接头宏观截面形貌如图3所示。从图3a可以看出，新型放热焊装置焊接接头界面焊合率、致密度均接近100%。在排气排渣方面，新型放热焊装置更有利于反应、熔接过程中高温铜液中气体的排出，接头优于传统放热焊装置焊接接头。