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1、引言
110kV变电站是高压配电网的关键节点，其安全稳定运行十分重要。变电站的避雷针是防止变电站架构以及其他设备遭受雷击侵害的重要装置。因为雷击的危害极大，所以必须保证110kV变电站的避雷针正常工作。受到自身的结构特点、交变风载荷以及温度变化等多种因素的影响，变电站避雷针的薄弱部位极易出现疲劳断裂。针对上述问题，在分析避雷针断裂原因的基础之上，本文给出了预防110kV变电站避雷针断裂的方法与措施。
110kV变电站在我国的用量很大，作为城市输变电的关键节点，其安全与稳定运行是城市工业生产与人民幸福生活的重要保障。在我国的一些沿海地区，雷雨天气十分常见，雷电对变电站站内设备的安全运行威胁很大。为了避免雷击，变电站采用避雷针将雷电引入大地，保护变电站的设备安全。变电站的避雷针通常细并且长，在自身结构、材料特点以及交变风力的作用下，久而久之会发生断裂。针对以上问题，本文围绕如何预防110kV变电站避雷针断裂的问题展开研究，给出了预防避雷针断裂的方法与措施。
2、避雷针断裂原因分析
2.1变化的风力载荷
110kV变电站的避雷针不但承受静载荷的作用，而且还受风力载荷的作用。因为避雷针通常细并且长，所以受随时间不断变化的风力作用，避雷针不间断地发生形变，日积月累，避雷针与法兰的连接处的金属构件变脆，甚至在避雷针管与法兰连接处产生裂缝，最终在变化的风力载荷的作用下避雷针在法兰位置处发生断裂。
2.2恶劣的环境温度
避雷针通常由钢质材料制成，随着环境温度的不断变化，钢材的塑性和韧性也随着温度不断变化，随着时间的推移，钢材的塑性和韧性会逐渐下降。特别是在我国东北地区，那里的冬天特别寒冷，白天的平均气温达到零下20℃左右，最冷时甚至达到零下35℃左右；在这样的低温环境下，避雷针的裂纹迅速扩大；特别是在大风天气，断裂类型由塑性断裂变成脆性断裂。
2.3不合理的结构设计
避雷针并不是一体式结构，而是通过法兰螺栓连接的结构。避雷针本体分为多段，段与段之间通过钢板卷焊插入法兰铰接而成。避雷针在外力的作用下，法兰铰接接头对钢管壁产生很大的横向剪切力，特别是在焊缝处更是如此，导致法兰连接会产生装配应力。当长时间使用之后，避雷针在法兰角焊缝处产生弯曲应力，最终引起避雷针钢管在法兰位置处首先开裂；更为严重的是，随着时间的推移，避雷针在最薄弱的部位发生断裂。
2.4材料的力学特性
110kV变电站的避雷针由金属钢管制成，其材料的力学特性是引起避雷针断裂的原因之一。例如，2008年12月我国某变电站的独立避雷针发生断裂，该避雷针高56m，分8段法兰连接，材质为Q235B；经过现场勘查发现，其中一个法兰的焊口上开裂约400mm。通过事后对Q235B的力学特性分析，该种材料在-20℃～0℃之间的韧性大幅下降，抗冲击能力非常低。在恶劣天气外力的作用下，避雷针很容易发生断裂。
3、避雷针防断裂措施
3.1加固避雷针段法兰
通过对断裂的避雷针进行断口分析可知，当避雷针发生断裂时，裂纹通常起源与外壁，扩展区域有杂物萌生，表明避雷针在断裂处受到的是弯曲应力作用，断口属于剪切滑移性质。这表明，避雷针在法兰连接部位最容易发生断裂。为此，必须在避雷针法兰位置均匀地焊接上加强筋，每个法兰的加强筋数目并不一定相同，需要根据法兰与避雷针在不同段上的直径共同决定。
3.2使用高性能材料
采用高性能的金属材料能够大大地降低110kV变电站避雷针断裂的几率。在一些发生断裂的避雷针案例中，金属材料经常选择Q235B。大量的力学试验表明，虽然Q235B的常温力学性能能够保证，但是在低温时其抗冲击能力十分低下。这种材质的避雷针不适合在东北这种严寒气候的地区使用。为了提高在低温环境下避雷针的金属强度，可采用Q345C直缝钢管代替Q235B直缝钢管，此外法兰推荐采用Q345B。
3.3定期检查
受风力载荷、恶劣天气以及自身材料性能降低的影响，避雷针本体的金属强度与结构强度势必不断减弱。为了避免和尽早地发现金属裂纹以便预防避雷针断裂，不但在制造避雷针时实施二级焊缝检查和100%无损检查外，而且还要进行定期现场检查，特别重点检查避雷针的主要受力部位。
4、结语
110kV变电站避雷针的断裂主要来源于变化的风力载荷、恶劣的环境温度、不合理的结构设计以材料的力学特性四个方面。为了提高110kV变电站避雷针的结构强度与刚度从而避免断裂，需要从加固避雷针段法兰、使用高性能材料以及定期检查等方面入手。
（作者单位：国网博兴县供电公司）
110kV变电站是高压配电网的关键节点，其安全稳定运行十分重要。变电站的避雷针是防止变电站架构以及其他设备遭受雷击侵害的重要装置。因为雷击的危害极大，所以必须保证110kV变电站的避雷针正常工作。受到自身的结构特点、交变风载荷以及温度变化等多种因素的影响，变电站避雷针的薄弱部位极易出现疲劳断裂。针对上述问题，在分析避雷针断裂原因的基础之上，本文给出了预防110kV变电站避雷针断裂的方法与措施。
110kV变电站在我国的用量很大，作为城市输变电的关键节点，其安全与稳定运行是城市工业生产与人民幸福生活的重要保障。在我国的一些沿海地区，雷雨天气十分常见，雷电对变电站站内设备的安全运行威胁很大。为了避免雷击，变电站采用避雷针将雷电引入大地，保护变电站的设备安全。变电站的避雷针通常细并且长，在自身结构、材料特点以及交变风力的作用下，久而久之会发生断裂。针对以上问题，本文围绕如何预防110kV变电站避雷针断裂的问题展开研究，给出了预防避雷针断裂的方法与措施。
2、避雷针断裂原因分析
2.1变化的风力载荷
110kV变电站的避雷针不但承受静载荷的作用，而且还受风力载荷的作用。因为避雷针通常细并且长，所以受随时间不断变化的风力作用，避雷针不间断地发生形变，日积月累，避雷针与法兰的连接处的金属构件变脆，甚至在避雷针管与法兰连接处产生裂缝，最终在变化的风力载荷的作用下避雷针在法兰位置处发生断裂。
2.2恶劣的环境温度
避雷针通常由钢质材料制成，随着环境温度的不断变化，钢材的塑性和韧性也随着温度不断变化，随着时间的推移，钢材的塑性和韧性会逐渐下降。特别是在我国东北地区，那里的冬天特别寒冷，白天的平均气温达到零下20℃左右，最冷时甚至达到零下35℃左右；在这样的低温环境下，避雷针的裂纹迅速扩大；特别是在大风天气，断裂类型由塑性断裂变成脆性断裂。
2.3不合理的结构设计
避雷针并不是一体式结构，而是通过法兰螺栓连接的结构。避雷针本体分为多段，段与段之间通过钢板卷焊插入法兰铰接而成。避雷针在外力的作用下，法兰铰接接头对钢管壁产生很大的横向剪切力，特别是在焊缝处更是如此，导致法兰连接会产生装配应力。当长时间使用之后，避雷针在法兰角焊缝处产生弯曲应力，最终引起避雷针钢管在法兰位置处首先开裂；更为严重的是，随着时间的推移，避雷针在最薄弱的部位发生断裂。
2.4材料的力学特性
110kV变电站的避雷针由金属钢管制成，其材料的力学特性是引起避雷针断裂的原因之一。例如，2008年12月我国某变电站的独立避雷针发生断裂，该避雷针高56m，分8段法兰连接，材质为Q235B；经过现场勘查发现，其中一个法兰的焊口上开裂约400mm。通过事后对Q235B的力学特性分析，该种材料在-20℃～0℃之间的韧性大幅下降，抗冲击能力非常低。在恶劣天气外力的作用下，避雷针很容易发生断裂。
3、避雷针防断裂措施
3.1加固避雷针段法兰
通过对断裂的避雷针进行断口分析可知，当避雷针发生断裂时，裂纹通常起源与外壁，扩展区域有杂物萌生，表明避雷针在断裂处受到的是弯曲应力作用，断口属于剪切滑移性质。这表明，避雷针在法兰连接部位最容易发生断裂。为此，必须在避雷针法兰位置均匀地焊接上加强筋，每个法兰的加强筋数目并不一定相同，需要根据法兰与避雷针在不同段上的直径共同决定。
3.2使用高性能材料
采用高性能的金属材料能够大大地降低110kV变电站避雷针断裂的几率。在一些发生断裂的避雷针案例中，金属材料经常选择Q235B。大量的力学试验表明，虽然Q235B的常温力学性能能够保证，但是在低温时其抗冲击能力十分低下。这种材质的避雷针不适合在东北这种严寒气候的地区使用。为了提高在低温环境下避雷针的金属强度，可采用Q345C直缝钢管代替Q235B直缝钢管，此外法兰推荐采用Q345B。
3.3定期检查
受风力载荷、恶劣天气以及自身材料性能降低的影响，避雷针本体的金属强度与结构强度势必不断减弱。为了避免和尽早地发现金属裂纹以便预防避雷针断裂，不但在制造避雷针时实施二级焊缝检查和100%无损检查外，而且还要进行定期现场检查，特别重点检查避雷针的主要受力部位。
4、结语
110kV变电站避雷针的断裂主要来源于变化的风力载荷、恶劣的环境温度、不合理的结构设计以材料的力学特性四个方面。为了提高110kV变电站避雷针的结构强度与刚度从而避免断裂，需要从加固避雷针段法兰、使用高性能材料以及定期检查等方面入手。
（作者单位：国网博兴县供电公司）