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2024年 第44卷 第4期    刊出日期：2024-08-25

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特约专栏：新能源发电与储能技术

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超临界二氧化碳发电储能系统构型优化及性能分析

朱光明, 陈珣, 何洪浩, 孙瑞强, 谢国鸿, 杨奕, 王阳光

2024, 44(4):  1-10.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.001

摘要 ( 37 )   PDF (14511KB) ( 32 )  

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为实现燃煤发电系统效率和灵活性协同提升,促进火电机组转型,提出采用超临界二氧化碳(S-CO₂)工质、构建燃煤发电与热泵储电耦合的系统(“源储一体”系统)方案。基于热力学第一、二定律,建立集成系统的设计及变工况计算模型,进而对系统灵活性提升潜力和储—放热过程的能效进行分析。结果表明:在S-CO₂燃煤发电系统的基础上集成热泵储电技术,可将机组最小输出功率由30%额定负荷降低至0,极大提升了调峰深度和运行灵活性;当选择75%额定负荷为放热工况时,输出功率可增加额定负荷的23.59%,则集成系统的储—释热等效往返效率为78.64%。对储热参数进行敏感性分析,得到熔盐冷罐温度的最佳取值范围为405~420 ℃,常压水热罐温度的取值范围为70~75 ℃。

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基于改进SAC算法的城轨列车混合储能系统动态功率分配策略

贺庆辰, 秦斌

2024, 44(4):  11-19.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.002

摘要 ( 35 )   PDF (9257KB) ( 8 )  

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为平抑城轨列车牵引网电压波动,在采用车载超级电容和地面混合储能系统的基础上,提出一种基于强化学习的柔性动作-评价算法(soft actor-critic, SAC)的功率动态分配策略,用于提高直流牵引网节能稳压特性、实现车载超级电容寿命保护。首先建立城轨列车动力学模型,并针对SAC算法在城轨动态功率分配中训练时间长、收敛慢等问题,提出PEC-SAC算法。该算法结合了优先级经验回放、强调最近经验和余弦退火算法,通过增加最近经验的采样概率和动态调整学习率,提高了训练效率和收敛速度。根据目标设置状态空间、动作空间及奖励函数,使列车在与仿真环境交互中学习到混合储能系统最优能量控制策略。通过MATLAB/Simulink与Python联合搭建仿真平台,仿真结果表明,与SAC算法相比该方法稳压提高了0.36%,能耗降低了4.52%。

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基于贝叶斯决策的电池模型参数辨识方法

张兴伟, 单周平, 刘立洪, 刘璐雨, 周鲲, 冷照进

2024, 44(4):  20-26.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.003

摘要 ( 24 )   PDF (8232KB) ( 4 )  

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为实现储能电池模组(battery module,BM)等效电路模型参数估计精度和复杂度的平衡,考虑BM内单体电池内阻、容量等参数的不一致,结合串/并联电路基本特性,提出一种基于贝叶斯决策理论的BM等效电路模型辨识方法,通过引入贝叶斯信息准则估计最优模型参数。采用简化建模法、整体建模法和组合建模法在MATLAB/Simulink中搭建两并联两串联的BM等效电路模型,在恒流放电和动态应力测试工况中进行仿真与验证,结果表明,基于三阶RC、多项式函数拟合项数为3的组合建模法具有较高精度,在动态应力测试工况中模型误差不超过1.97%,验证了所提BM模型参数辨识方法的有效性和准确性,为解决多类型储能高精度等效电路模型问题提供有效方法。

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动态无功补偿设备支撑高比例新能源系统电压稳定能力分析

张睿琪, 李梦骄, 杨洪明, 赵建, 徐求飞, 张仕杰

2024, 44(4):  27-33.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.004

摘要 ( 19 )   PDF (9695KB) ( 2 )  

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针对高比例新能源接入区域的电压稳定性问题,结合新能源出力间隙性和新能源机组暂态无功电压调节能力弱等特征,从新能源渗透率和新能源接入点电网强度分析高比例新能源接入区域的电压失稳影响机理,阐述SVC、SVG、调相机、分布式调相机动态无功设备输出特性,对比分析高比例新能源场景下4种无功补偿设备的支撑能力。以湘南新能源接入区域为研究场景,分析同一新能源渗透率和不同新能源渗透率故障工况算例下无功补偿设备的支撑效果,验证所提观点的正确性。

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风电场导线经济截面计算方法

叶世顺, 屈俊辉, 舒冬, 樊秋敏, 王统, 方琦淋

2024, 44(4):  34-39.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.005

摘要 ( 20 )   PDF (5982KB) ( 7 )  

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风电场导线经济截面仍延用传统选择方法,没有考虑风电场四季、早晚的风速不同和冬季发电多、夏季发电少、晚上发电多、白天发电少的鲜明特征。鉴于此,提出一种适用于风电场计算最大负荷损耗时间的方法。首先,根据全寿命周期年费用最小法,综合考虑运行损耗费用,重点研究风电场最大负荷损耗时间对风电场导线经济截面的影响。然后通过风电场实际功率数据重新建立最大负荷损耗时间和最大负荷利用时间的对应关系。最后,借助平均值比率和峰谷差比率描述风电场之间的关联性,给出最大负荷损耗时间的量化表达,采用全寿命周期年费用最小法计算出导线经济截面。结合实际数据验证,所提方法能够指导未建风电场选择导线经济截面。

研究与试验

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基于增广递推最小二乘的电网等效惯量在线估计方法

刘永刚, 汪婧文, 吴晋波, 孙铭锐, 廖帮昆, 文云峰

2024, 44(4):  40-46.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.006

摘要 ( 24 )   PDF (7436KB) ( 7 )  

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针对高比例非同步电源接入下电网等效惯量水平感知难题,提出一种基于量测数据的电网等效惯量在线估计方法。首先,利用发电机有功功率变化及节点频率数据,采用带外部输入的自回归滑动平均(auto regression and moving average model with exogenous input,ARMAX)模型对各区域/整个电网有功-频率动态变化进行建模。进而,基于增广递推最小二乘(recursive extended least squares,RELS)算法实现自回归滑动平均模型中未知参数的求解,辨识得到系统或区域惯性常数的估算值。此外,考虑区域间交流联络线提供的惯量支撑,对出现不平衡功率扰动后的区域惯量通过联络线耦合现象进行估计和分析。最后,基于某省级电网实际数据进行仿真测试,验证了所提方法的正确性和有效性,并对互联区域联络线提供的惯量支撑进行了分析。

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电晕老化对纳米复合PI薄膜介电性能的影响

张良, 张舒萌, 陈亦杰, 刘道生

2024, 44(4):  47-51.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.007

摘要 ( 15 )   PDF (5971KB) ( 2 )  

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高温超导非晶合金变压器作为低温运行设备具有节能降耗的功能。选择耐低温的聚酰亚胺(PI)薄膜为高温超导非晶合金变压器主绝缘材料,改进PI薄膜的制备工艺,搭建电晕老化系统,对PI薄膜进行电晕老化预处理。对经电晕老化预处理后的薄膜的介电特性进行研究,发现液氮环境中电晕老化薄膜的介质损耗角正切值要低于常温环境,在质量分数小于或等于5%时纳米粒子填充PI薄膜的介质损耗角正切值小于处理前薄膜的质损耗角正切值。

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汽轮机末级内湿蒸汽凝结流动计算与在线测量研究

韩彦广, 朱光明, 邱应军, 钱江波, 王日成, 吴世杰

2024, 44(4):  52-58.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.008

摘要 ( 15 )   PDF (8573KB) ( 4 )  

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排汽湿度是影响汽轮机效率和安全运行的重要参数。基于国内外研究现状,采用微波谐振腔实现汽轮机排汽湿度的在线监测,随后结合实验数据通过数值模拟,得到汽轮机末级入口参数和出口参数变化对排汽湿度的影响。结果表明:对汽轮机末级后0.2 m处进行微波谐振腔湿度测量,在排除谐振腔振动与温度变化等因素干扰后,测得与光学法相近的结果;入口过冷度越大,湿度就越大,动叶出口平均湿度也越大;随着背压的升高,湿度会不断降低,动叶出口平均湿度同样降低。

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基于模糊排序的永磁同步电动机模型预测电流控制

张学毅, 谢钼, 罗朝旭, 程谆

2024, 44(4):  59-67.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.009

摘要 ( 20 )   PDF (9450KB) ( 3 )  

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针对永磁同步电动机模型预测电流控制的成本函数中权重系数不容易确定的问题,提出一种基于模糊排序法的模型预测电流控制策略。首先,通过排序法对不同电压矢量所对应的电流误差及切换时的开关频率进行排序,从而无须再对权重系数进行设计。由于控制目标重要性并不完全等同,设计一种带有变增益系数的排序优化方法,调节控制目标的重要程度。传统的权重系数有着连续的取值范围,而变增益系数的取值范围有着离散性和分段性的特点,相比较之下,后者的调整和设计过程更加的简易。再通过模糊控制,对变增益系数进行动态优化,从而更好地适应电机不断变化的运行状态。最后,仿真和半实物实验结果证明了所提方法的有效性和可行性。

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钙矾石法去除反渗透浓水硫酸根试验研究

程军

2024, 44(4):  68-72.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.010

摘要 ( 18 )   PDF (3911KB) ( 7 )  

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研究钙矾石法对反渗透浓水硫酸根的去除效果,探讨pH、氯化钙投加量n(Ca/S)、偏铝酸钠投加量n(Al/S)、初始硫酸根质量浓度等因素对硫酸根去除效果的影响。结果表明,对于硫酸根质量浓度为1 015 mg/L的反渗透浓水,通过钙矾石法可将其中83.44%硫酸根去除;试验最佳工艺参数为pH=12.0、n(Ca/S)=4、n(Al/S)=0.7;三者对试验影响的排序为pH＞n(Al/S)＞n(Ca/S),其中pH是关键因素,在处理效果中起绝对主导作用,偏铝酸钠投加量次之。对于初始硫酸根质量浓度不同的废水,处理效果有明显差异,在初始硫酸根质量浓度为1 090~1 550 mg/L内,随着硫酸根初始质量浓度增加,硫酸根去除率逐渐增大。该方法的弊端在于残留钙离子质量浓度较大,后续可通过投加碳酸钠将残留钙转化成碳酸钙以实现其资源化利用。

新技术及应用

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基于VAE-Kmeans算法的台区聚类精准画像技术

于宗超, 陈孜孜, 文明, 罗姝晨, 韦东, 辛立杰

2024, 44(4):  73-83.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.011

摘要 ( 19 )   PDF (18102KB) ( 2 )  

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构建起台区用电的精准画像,刻画台区负荷特性及用电模式,对精细化负荷预测、负荷波动分析溯源及台区业务场景能够起到精准指导作用。为此,提出一种基于VAE(变分自编码)-Kmeans算法的台区聚类精准画像技术。采用变分自编码、Kmeans聚类和时间序列相似度算法,从多种维度提取台区和行业负荷的典型曲线,通过综合评估确定最相似的行业负荷,为台区分配相应的画像标签。以占比较大的居民台区为例,构建基于聚类分析和决策树算法的深度挖掘和精准描绘策略,形成了14种城乡居民用电台区精准画像类别,为精细化负荷预测、差异化台区运维管理策略提供了坚实基础。

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基于固定时间滑模控制构网型柔性直流输电系统振荡抑制

朱思睿, 王灿林, 章德, 李勇, 周洋, 文汀

2024, 44(4):  84-92.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.012

摘要 ( 27 )   PDF (10487KB) ( 9 )  

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构网型柔性直流输电系统接入电网,实现对受端电网电压和频率的支撑。针对构网型柔性直流输电系统受端电网引起的振荡问题,提出固定时间滑模控制方法。首先,基于虚拟同步机控制,建立构网型柔性直流输电系统的数学模型。然后,基于滑模控制和固定时间稳定理论,提出非线性固定时间滑模控制方法以抑制系统振荡。通过李雅普诺夫理论证明了所提的非线性固定时间滑模控制能够实现柔性直流输电系统在固定时间内恢复稳定。最后,在MATLAB/Simulink中建立构网型柔性直流输电系统的仿真模型,验证所提方法在振荡抑制方面的有效性和优越性。

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换流站机械式直流断路器的无源化改造方法

文翌铖, 李洪, 陈刚, 张超峰, 文中华

2024, 44(4):  93-99.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.013

摘要 ( 15 )   PDF (9379KB) ( 5 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对机械式有源型直流断路器存在控制保护逻辑执行过程复杂、器件维护成本高的问题,提出一种换流站机械式直流断路器无源化改造方法,简化控制保护系统中与直流断路器相关的逻辑,取消辅助隔离开关和充电装置,不需要搭建电感器,由转移回路导线上的杂散电感提供所需的电感值,按照无源系统设计对电容器进行升级改造,不仅缩短了开关电流转化时间,减少了避雷器转换能量,同时提高了电容器的使用寿命,降低了直流断路器的故障率。最后,利用MATLAB/Simulink搭建了直流系统仿真平台,仿真结果与理论分析一致,进一步验证了所提直流断路器无源化改造方法的正确性和有效性。

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缆式线型感温火灾探测器特性分析及参数调整方法研究

谭风雷, 张军, 郭杨, 汪海洋, 徐鹏

2024, 44(4):  100-104.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.014

摘要 ( 18 )   PDF (5427KB) ( 7 )  

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为判别缆式线型感温火灾探测器性能状态,提出了一种缆式线型感温火灾探测器特性分析及参数调整方法。首先在充分研究缆式线型感温火灾探测器等效电路的基础上,分析缆式线型感温火灾探测器绝缘电阻随温度和湿度的变化特性。然后建立了缆式线型感温火灾探测器温阻特性模型,提出一种性能判别方法,将缆式线型感温火灾探测器分为优秀、良好和不合格三种状态,并给出三种状态的处理方法。最后研制一套缆式线型感温火灾探测器温阻特性分析装置,并在某1 000 kV特高压变电站现场进行应用,结果表明该装置能够正确判别性能状态,实际使用过程中发生的误报警显著减少。

经验与探讨

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考虑输电线路弧垂变化的自适应无人机巡检航线规划研究

张力, 周学明, 沈煜, 姚尧, 冯志强

2024, 44(4):  105-111.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.015

摘要 ( 18 )   PDF (8180KB) ( 6 )  

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当前基于无人机的精细化巡检未考虑温度对导地线弧垂的影响,外出作业操作难度高、巡检效率低。针对上述问题,提出考虑输电线路弧垂变化的自适应性无人机巡检航线规划技术,基于悬链线方程,对已分类处理的导地线点云数据进行矢量化分析计算,得到矢量化导地线;研究导地线温度与矢量化导地线的对应关系,基于插值生成的离散化点云数据,根据巡检无人机的相机参数、拍照距离、重叠率等参数计算出航点间距,生成自适应性无人机巡检航线。自适应导地线弧垂变化的巡检航线飞行试验结果表明:充分考虑由温度变化引起的导地线弧垂变化进行自主巡检航线规划,设置恰当的拍照距离和照片重叠率,可以清晰识别导地线纹理和缺陷故障,自主、完整、高效采集架空导地线图像。

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对称岔管结构与水力特性优化设计研究

申艳, 唐昌昌, 郭苗, 吴昊

2024, 44(4):  112-117.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.016

摘要 ( 16 )   PDF (7734KB) ( 5 )  

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岔管结构广泛应用于各类水利工程中,其结构安全和水力性能都是优化设计的关键,两者之间相互影响,又会对水利工程的综合性能和运行安全产生重要的影响。对某抽水蓄能电站对称岔管结构与水力特性进行优化设计,采用三维有限元法对岔管结构初设方案和优化方案进行了应力分析,计算结果表明优化后岔管腰线一侧应力分布情况相较初设方案得到有效改善。在岔管体型结构优化的基础上,分别对不同分岔角与肋宽比岔管的水力模型进行发电和抽水工况下的三维流场计算分析,通过正交优化策略确定了所有工况下内部流动分布较优、水头损失较小的分岔角与岔管肋宽比。研究发现,结构受力与水力特性之间并不是单纯的正相关关系,最终基于正交优化思想确定了满足结构安全与水力性能的最佳分岔角为75°、肋宽比为0.30。

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电容式电压互感器二次接线板劣化对预试数据的影响及对策分析

罗赞琛, 卢英俊, 宋云祥, 覃言

2024, 44(4):  118-125.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.017

摘要 ( 19 )   PDF (7003KB) ( 10 )  

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电容式电压互感器(CVT)二次接线板绝缘劣化会导致电容分压器介质损耗试验数据误差偏大,还会造成中间变压器绝缘电阻试验不合格。针对此问题,分析介质损耗的基本原理及数字式自动介质损耗仪的测量原理,构建介质损耗测量等效分析电路模型,分析计算正接法、反接法、自激法三种CVT介质损耗试验的误差数据,得到正接法、自激法误差较大,反接法误差较小的结论,据此可指导现场采用最优方法。分析CVT中间变压器绝缘结构特点,提出采用屏蔽法测量二次接线板绝缘电阻或介质损耗,以判断二次接线板绝缘状况,再通过测量中间变压器一次绕组对二次绕组的介质损耗,同时结合二次接线板的电容及介质损耗数据,计算中间变压器绕组介质损耗值,由此可正确诊断中间变压器的绝缘状态。

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GIS运输振动与冲击分析研究

陈宇, 许猛, 高洋, 沈丰慧, 刘耘彤, 刘东阳

2024, 44(4):  126-131.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.018

摘要 ( 18 )   PDF (7286KB) ( 10 )  

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以某126 kV GIS为研究对象,对其运输振动与冲击特性进行分析研究。首先建立GIS运输单元三维实体结构模型并进行合理的简化,使用ANSYS Workbench软件对GIS运输单元进行振动工况下带有预应力的模态分析与随机振动分析,得到固有频率和各部件的机械强度。分析结果显示:各部件均满足机械强度要求,其中底座的最大等效应力为153.5 MPa,对应的安全系数最小为1.53;其次对GIS运输单元进行异常冲击工况下的试验及仿真分析。结果显示:在瞬时冲击加速度达到6.7g时, GIS设备仍能保证性能完好,抗冲击性能高于产品要求(加速度值3g)的标准。通过对GIS在振动工况和冲击工况下的分析研究,较全面地考核了GIS的运输性能,对确保GIS的运输安全具有非常重要的现实意义。

故障与分析

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量子计算与蚁群算法相结合的配电网故障定位

杨海林, 黄存强, 田旭, 安娟, 张舜祯, 毕忠勤

2024, 44(4):  132-137.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.019

摘要 ( 17 )   PDF (5023KB) ( 11 )  

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针对智能优化算法在处理配电网故障定位问题时存在后期收敛速度慢、成功率低的缺点,提出基于量子计算与蚁群算法相结合的量子蚁群算法进行配电网故障定位。首先,鉴于馈线终端单元(feeder terminal unit,FTU)上传信息会发生畸变与缺失的情况,提出计及FTU漏报误报信息的分级定位数学模型;其次,介绍量子蚁群算法的基本原理及应用方案;最后,在MATLAB上进行仿真,验证量子蚁群算法及计及FTU漏报误报信息的分级定位数学模型的有效性。

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1 000 MW机组锅炉水冷壁焊接接头失效分析

龙会国, 景雪潮, 谢阿萌

2024, 44(4):  138-142.  doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2024.04.020

摘要 ( 17 )   PDF (9036KB) ( 6 )  

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通过观察并分析裂纹宏观和微观形态、金相、硬度、扫描电镜、能谱及接头结构,研究了1 000 MW超超临界机组锅炉水冷壁安装焊缝裂纹失效原因。结果表明:焊缝根部间隙、焊缝根部凸出及其硬度超标;焊缝组织粗大及低熔点碳化物相偏析,弱化晶界;焊缝存在微裂纹,根据焊缝内部微裂纹氧化物相分析可确定为焊接热裂纹。在运行高温高压应力作用下,裂纹扩展最终导致开裂失效,焊接热裂纹是造成接头失效的主要原因。