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任何电力设备在它的工作寿命内都会遇到许多意外事件,包括电力方面的事件,如穿越故障、开关浪涌和雷击等,也包括严重的机械事件,如汽车撞击设备(电杆或底座安装型设备)、冬季在导线上的特大冰负荷等类似情况。
“汽车事故和暴风雨”是造成木制电杆和金属结构损坏的主要原因,如果这些结构物安装在公共道路两侧,这种损坏甚至是不可避免的。大多数此类事件都是上报的(许多事件会在事故中撞坏电杆或杆上设备),因此,电力企业会及时了解到事件,并检查和修复受损设施。
“覆冰载荷”是另一种产生应力的机械事件,但是,这种事件较难以跟踪到。在严寒的冬季,架空导线上会有积冰,而且,如果异常寒冷的话,结冰可能厚达数英寸,每跨间的重量可高达数百磅,使导线和冰的总重量超过导线的强度,最终压断导线、甚至倒塔。但另一种情况是,绝大多数冬季暴风雪造成的结冰都不会导致线路故障,导线完全可以承受住导线自重和积冰荷载,不会造成任何损坏或劣化 ,当冰雪融化后,导线依然完好如初。
还有一种情况介于两者之间,即一方面发生了一定程度的劣化,而另一方面又没有损坏,这种情况会令电力企业感到非常棘手。例如,某跨架空导线在覆冰载荷的作用下到了一定的劣化程度,同时又没有立即断裂,但覆冰载荷足以将导线拉伸到了它的弹性极限或使电缆夹和接头等产生过应力。在这种情况下,导线虽然没有立即断裂但会在此后不久彻底断裂。对于这种情况,电力企业无法知道导线是否出现了这种情况,即使知道有这种情况,也无法确定到底是那段架空线出现了这种情况。
“穿越故障”是使变压器产生强应力的常见事件,它会使变压器逐渐劣化,并最终导致变压器故障。当变压器下游的一台设备发生故障时,断路器会立即切断故障。这时,会有超过正常最大电流三至五十倍的电流流过变压器。该电流产生的热量通常并不是主要的影响因素,因为大多数情况下,故障电流只持续几个周期,产生的热能很小。
其实,穿越故障的最大破坏效应来自超强故障电流形成的电磁场,它会对变压器内部的零部件带来不利影响。变压器,包括电机和调压器,其工作原理都是设计流过电流时产生一个强磁场,以便于它们的正常工作,但穿越故障产生的强大电流大大加大了原有场强,致使电磁场异常强,并使周围的零部件受到压缩或撕开。
严重穿越故障产生的磁力非常大,甚至可以撕裂零部件之间的连接,造成变压器立即停运,甚至造成灾难性的事故。但是,在一个设计良好的电力系统内,故障电流通常被限制在一定的范围内,不会造成这样严重的问题。此外,故障电流还会产生机械脉冲,它会使一台重达数吨的大型电力变压器不停摇摆并发出嗡嗡响声,就好象被从数英尺高的地方扔下来一样。在一台变压器的工作年限内会遭遇到多次这样的严重冲击,它们的累积效应会使变压器的迭片磁心松散,并使绕组和连接点受到拉伸和扭曲,这些都会削弱设备的机械整体性。
许多电力设备专家认为,穿越故障的累积效应是导致电力变压器故障的主要原因。许多记录资料表明,变压器(包括电机和调压器)是在一次穿越故障时损坏的,而且,这些穿越故障多发生在尖峰负荷工况下(这时,变压器因高负荷而非常热,处于强应力作用下)。其实,发生损坏之前的一次次穿越故障已经削弱了设备的总体完整性,直到最后一次穿越故障使设备彻底损坏。
设备损坏通常不是在穿越故障期间或之后立即发生的。按发生概率说,峰荷的发生时间少于5%,大多数穿越故障发生在非峰荷期间或者在变压器处于低应力水平时,结果,设备并没有被立即损坏,但受到了一定劣化,并在随后几个小时、几天或几周后设备受到峰荷产生的应力作用时,造成设备彻底损坏。
几乎还没有电力企业拥有变压器在运行期间经历穿越故障方面的详实记录,因此,电力工程师和规划者还无法得到最有效的积累应力方面的资料来确定设备当前的状态,并评估设备的老化程度和剩余寿命。
“雷击”可产生强大的应力,常常导致电力设备立即损坏,尤其当设备直接遭到雷击时,肯定会造成设备故障。雷电是一个纯电流源,它产生的电流可以是电力系统正常故障电流水平的十至一百倍。雷击可造成严重的穿越故障,或导致电压闪络,引起其他问题。
雷击造成的故障模式非常复杂,甚至是无法完全搞明白的,但主要还是由雷击产生的热量造成的。虽然雷击过程非常短暂,但雷电电流的强度是惊人的,常常在500000安培以上,因此,产生了大量的热能。当树木遭到雷击时,由于树木内部的水分被雷击产生的热能瞬间蒸发,从而使树木发生爆炸,同样,可想而知电力设备遭到雷击时的状况。此外,强电流引起的电磁冲击也会造成一定的损坏。
大量证据表明,间接雷击也可造成电气设备严重损坏。例如,变电站附近地面遭到雷击可引起高电压或使地面受到侵蚀,而且,击到地面的雷电可能串入附近的地下电缆或接地棒,将它们烧毁。
雷击可造成架空线路立即损坏,并在断路器跳开后,引起闪络,停止输电,不会使设备停运,但设备可能已受到一定程度的损坏,而在接下来的几周或几月后发生故障。统计数字表明,每年的雷电季节过后,有些电力系统的变压器和线路的故障大大增加。
在电力设备的工作期限内,产生非正常应力的事件会随时发生。有些情况下,一次严重事件可立即造成设备故障,但设备故障通常是几年或几十年中无数次事件累积效应的结果,它使设备逐渐劣化,并最终发生故障。有时,这种产生“非正常应力”的事件造成的损坏与“随时间劣化”或“积累应力引起的劣化”很相似,但大多数情况下,损坏形式是不一样的。例如,穿越故障会使变压器铁心变松,并使内部零件扭曲,而积累应力不会造成这样的损坏。
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