變電站鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針渦振現(xiàn)象及現(xiàn)場措施分析

摘 要：近幾年，隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針以變電站應(yīng)用越來越廣泛，已取代傳統(tǒng)的桁架式避雷針，但由于西北地區(qū)特殊的地理環(huán)境，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針在變電站運行過程中接連發(fā)生傾倒事件，影響人身電網(wǎng)、設(shè)備安全。文章分析變電站鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針傾倒原因，研究其渦振現(xiàn)象，并提出解決措施，以確保電力系統(tǒng)安全運行。

關(guān)鍵詞：變電站；避雷針；分析

1 概述

2015年，甘肅750kV敦煌變電站和新疆750kV煙墩、達坂城變電站接連發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針傾倒跌落事件，給電網(wǎng)安全運行帶來重大威脅。為舉一反三，防止此類事件發(fā)再次發(fā)生，對鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針傾倒原因進行分析，研究鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針在現(xiàn)場的渦振現(xiàn)象，改進其結(jié)構(gòu)形態(tài)，降低渦振頻次，確保安全運行。

2 鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針傾倒原因分析

通過對避雷針材質(zhì)、螺栓材質(zhì)及化學(xué)成分、硬度進行試驗分析，在平均風(fēng)荷載、脈動風(fēng)荷載以及渦激力的共同作用下，處于風(fēng)場迎風(fēng)側(cè)最上游的鋼管避雷針，在湍流強度較低的流場中和適宜的風(fēng)速條件下，避雷針發(fā)生渦激共振，長期處于擺動狀態(tài)。而在渦激共振往復(fù)荷載的持續(xù)作用下，鋼管避雷針底部法蘭盤連接螺栓發(fā)生疲勞開裂，螺栓有效工作面積不斷減小，法蘭固定螺栓在螺母與墊片結(jié)合處的螺紋根部由于結(jié)構(gòu)和形狀因素會產(chǎn)較為嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)像，并最終導(dǎo)致鋼管避雷針的整體傾倒。

3 渦激振動的起振機理及主要危害

渦激共振是一種非線性的，具有自激、限幅特性的流固耦合現(xiàn)象。目前對渦振這種非線性物理現(xiàn)象的理解是：當(dāng)流體流過浸沒在其中的固體時，會發(fā)生規(guī)律的周期性的旋渦脫落或再附（卡門渦街見圖1），周期性的旋渦脫落或再附產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的周期性作用力；隨著流體流速的增長，此周期性脫落的旋渦頻率會按照Strouhal關(guān)系增大，而當(dāng)旋渦脫落頻率增大到接近結(jié)構(gòu)自身的固有頻率時，就會引起結(jié)構(gòu)的渦激共振；并且，發(fā)生渦激共振的結(jié)構(gòu)會反過來影響氣流的旋渦脫落頻率，當(dāng)結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)渦激共振時，氣流的旋渦脫落頻率被結(jié)構(gòu)的振動所俘獲，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，旋渦脫落頻率不再隨流體流速的增長而增大，但當(dāng)流速進一步增大，旋渦脫落頻率會回到Strouhal頻率，而結(jié)構(gòu)的渦激共振也隨之消失。

由于渦激振動是一種限幅振動，其從氣流中吸收的能量不會無限放大，一般不會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，但在長期往復(fù)荷載作用下，容易引起阻尼較小的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。

4 桁架式避雷針與獨柱式鋼管避雷針發(fā)生渦振可能性的對比

桁架式避雷針與獨柱式鋼管避雷針的主要區(qū)別在于，桁架式避雷針是空間桁架結(jié)構(gòu)，沿高度變化的各個斷面，氣動外形各不相同（如圖2所示），氣流經(jīng)過以后，不易形成如圖1所示的規(guī)則的漩渦脫落，很大程度上避免了渦振的發(fā)生。

5 鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針防止渦振現(xiàn)象措施分析

渦振控制措施通過改變鋼管避雷針的氣動外形，擾亂漩渦的規(guī)則脫落，從而避免了渦振的發(fā)生，是從根本上解決鋼管避雷針渦振疲勞的有效措施。主要的實現(xiàn)方式包括：在獨立式鋼管避雷針的外表，以一定的角度間隔和間距沿管身布置矩形擾流板（如圖3a所示），纏繞螺旋線（如圖3b所示）或包裹帶有螺旋肋條的外衣（如圖3c所示），以及設(shè)置交錯的魚鰭板（如圖3d所示）。上述渦振控制措施具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)（布置間距、高度、螺旋線徑等），均與鋼管外徑密切相關(guān)，不同尺寸的避雷針，需要設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

6 防止變電站鋼結(jié)構(gòu)避雷針傾倒措施分析

6.1 進一步優(yōu)化避雷針布置，優(yōu)化避雷針懸臂長度

（1）屋外配電裝置采用避雷針保護時，應(yīng)充分利用變電構(gòu)架的高度設(shè)置構(gòu)架避雷針。當(dāng)條件受限時，可采用落地桁架式避雷針。

（2）計算直擊雷保護范圍時，應(yīng)通過避雷針的數(shù)量和位置調(diào)整，優(yōu)化避雷針設(shè)計，盡可能降低避雷針的高度。

（3）避雷針總高度不變的條件下，應(yīng)選擇高度較高的構(gòu)架設(shè)置避雷針，避免避雷針懸臂段長度過長，以增加避雷針剛度，并減小避雷針底部的剪力和彎矩。

6.2 因地制宜選擇避雷針結(jié)構(gòu)型式，降低風(fēng)振影響

（1）避雷針設(shè)計應(yīng)統(tǒng)籌考慮站址環(huán)境條件、配電裝置構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式等，采用桁架式避雷針或圓管型避雷針等結(jié)構(gòu)型式。

（2）對嚴寒大風(fēng)地區(qū)的750kV變電站，避雷針結(jié)構(gòu)形式宜選用桁架式，以降低結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載的敏感度，減少高頻率的風(fēng)振現(xiàn)象。

（3）采用圓管型避雷針時，應(yīng)嚴格控制避雷針針身的長細比，法蘭連接處應(yīng)采用有勁肋板法蘭剛性連接。

（4）避雷針設(shè)計應(yīng)結(jié)合站址的氣象條件、避雷針的結(jié)構(gòu)型式等，充分考慮各種風(fēng)振對結(jié)構(gòu)的影響。

6.3 嚴格控制鋼材材質(zhì)，確保避雷針結(jié)構(gòu)安全

（1）避雷針鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。

當(dāng)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度低于0℃但高于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度低于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有-20℃沖擊韌性的合格保證。

（2）避雷針法蘭連接螺栓應(yīng)采用8.8級高強度螺栓（C級），雙帽雙墊，螺栓規(guī)格不小于M20。

6.4 規(guī)范螺栓安裝要求，避免螺栓松動

（1）螺栓的緊固應(yīng)采用力矩扳手，安裝時的緊固力矩需大于廠家提供的螺栓緊固力矩。

（2）法蘭連接螺栓應(yīng)采用雙帽雙墊。

7 結(jié)束語

變電站鋼結(jié)構(gòu)變截面避雷針雖然具有節(jié)約材料、現(xiàn)場施工簡單等特點，但由于西北地區(qū)獨特的地理環(huán)境，在現(xiàn)場存在一定的安全隱患。只有加強現(xiàn)場運行維護，加強對避雷針渦振現(xiàn)象的監(jiān)測，才能確保變電站安全運行。

參考文獻

[1]DL 5056-2007.變電站總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL 5103-2012.35kV～220kV無人值班變電站設(shè)計規(guī)程[S].

作者簡介：衛(wèi)永鵬（1974，02-），男，甘肅古浪人，大學(xué)學(xué)歷，現(xiàn)工作單位及職務(wù)：國網(wǎng)甘肅檢修公司蘭州分部，高級工程師，高級技師，國網(wǎng)公司高級技能人才。