變電站接地網新型放熱焊裝置設計及開發

張穎，李明，趙世鑫

（國網方城供電公司，南陽473000）

1 引言

變電站接地網是保證電力系統、人身安全的重要環節，由大量金屬構件焊接而成，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。一旦焊接接頭出現腐蝕或斷裂，接地系統泄流不暢可產生高達數萬伏的地電位升，危及設備及人身安全。長期以來，接地網焊接采用電弧焊等方法，焊接設備復雜、施工極其不便，且接頭質量受人為因素影響較大，性能偏差，通常使用3~5年后需對接地網開挖檢修、更換，已經成為困擾電力行業的難題。

近年來，放熱焊接因其高效率、高質量、熔接點截流能力強、永久分子結合等諸多優點[1～4]，開始被廣泛應用于輸變電工程接地裝置的連接。依據現有放熱焊焊接技術規范施工，焊接缺陷率仍達10%以上，調查研究發現焊接裝置為影響焊接質量的主要因素。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構，石墨材質裝置長期使用后易發生高溫變形損壞，壽命短、成本高，個別公司對裝置進行優化，但通用性差，性能提升有限。

針對傳統放熱焊裝置存在的突出問題，本文設計開發了一種新型放熱焊裝置，提高電力工程接地網接頭焊接合格率，保障電網安全穩定運行。

2 裝置結構設計

傳統放熱焊裝置在多次反復使用后，極易產生因人為、外力破壞以及放熱產生的高溫氧化等因素引起磨損、豁邊等現象，造成反應熔接型腔密封性差，影響焊接質量。此外，石墨材質裝置成本高，給電力施工企業帶來巨大的經濟成本壓力。基于上述常規放熱焊裝置的問題，開發設計了新型放熱焊裝置，其結構示意圖如圖1所示。裝置分為3部分：芯部反應型腔（石墨）、芯部熔接型腔（石墨）和外部鋼外殼。在放熱反應過程中，外部鋼殼并不接觸反應生成的高溫熔液，只起到加固及保護內部石墨型腔的作用。

從易損壞程度分析，芯部熔接型腔最易因高溫燒蝕氧化、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，芯部反應型腔主要承受反應高溫，易發生高溫燒蝕氧化，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型腔的破壞影響有限。與內部型腔相比，外部鋼殼與頂部模蓋更不易損傷。

圖1 新型放熱焊裝置結構示意圖

根據裝置損壞情況研究分析，本文把放熱焊裝置內部設計為上下分體式（芯部反應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，可有效節省裝置更換費用。此外，外部鋼殼及上下分體式設計也有效提高了裝置使用壽命，一套常規放熱焊裝置的可焊接頭數量為50個，而新型放熱焊裝置的可焊接頭數量達100個，使用壽命提高一倍。據現場施工統計分析，一座220k V變電站接地工程約2500個接頭，常規放熱焊裝置需要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，外壁鋼殼可重復使用，大幅節省了焊接施工成本。

3 焊接溫度場有限元模擬

焊接過程中母材的焊接質量直接受溫度場的影響，而溫度場的分布情況除與反應放熱量的大小與反應生產的熔體量有關外，還與裝置設計的尺寸有著直接的關系。當反應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計參數所決定。為減少試驗工作量及裝置制造成本，在焊接之前預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的接地網材料設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。當填充銅液溫度為2400℃時，最底部溫度達到約1200℃，接地網材料橫向部分溫度場相對分布均勻，未出現程度較大的溫度梯度，提升了裝置排氣、排渣效果，能夠確保接地網材料的焊接質量，由此確定了裝置的設計參數。

4 電力工程接地網接頭焊接測試驗證

為驗證設計的新型放熱焊裝置操作可靠性，對規格為φ20mm的電力工程接地網材料分別采用傳統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、熔接過程中高溫銅液中氣體的排出，接頭優于傳統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材料截面形貌對比圖

5 結論

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

2）基于裝置溫度場有限元分析模擬，優化了裝置內部型腔結構及尺寸參數，提升了裝置排氣、排渣效果。

3）采用設計的新型電力工程接地網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%，優于傳統放熱焊裝置焊接的接頭質量。