一起架構(gòu)避雷針斷裂故障原因分析

孫 濤

（國網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

一起架構(gòu)避雷針斷裂故障原因分析

孫 濤

（國網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

對一起330 kV設(shè)備區(qū)架構(gòu)鋼管式避雷針斷裂倒塌故障進(jìn)行詳細(xì)分析，介紹了故障發(fā)生的過程及當(dāng)時的氣象條件。從避雷針的結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行深入剖析。通過對作用于避雷針風(fēng)荷載進(jìn)行計算和與設(shè)計值進(jìn)行比對，找到了故障發(fā)生的直接原因：處于風(fēng)場迎風(fēng)側(cè)最上游的鋼管避雷針，在湍流強(qiáng)度較低的流場中和適宜的風(fēng)速條件下，發(fā)生了渦激共振，在渦激共振往復(fù)荷載的持續(xù)作用下，導(dǎo)致鋼管避雷針整體傾倒。

避雷針；風(fēng)荷載；風(fēng)振特性；渦激共振

0 引言

變電站和發(fā)電廠的直擊雷過電壓保護(hù)常采用避雷針和避雷線。近年來，隨著單桿式鋼管避雷針的大量采用，不僅降低了工程造價，也為設(shè)計單位提高了設(shè)計效率。另一方面，單桿式鋼管避雷針不僅有效滿足了直擊雷過電壓保護(hù)要求，由于單桿式鋼管獨(dú)立避雷針由幾根錐形鋼管套接而成,設(shè)計、加工和安裝都比較簡單，大大減少了設(shè)計和施工工作量。還為工程安裝單位裝配工序標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化提供了可能[1-2]。

但是，隨著鋼管避雷針在國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)的避雷針也逐漸暴露出了一些問題，尤其在避雷針結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及風(fēng)荷載作用方式等方面。最近一年來，在西北地區(qū)，因大風(fēng)導(dǎo)致的鋼管結(jié)構(gòu)避雷針斷裂倒塌事故時有發(fā)生。由于，避雷針在超高壓變電站內(nèi)多以鋼架構(gòu)為基礎(chǔ)，距離母線及設(shè)備引線較近，一旦發(fā)生斷裂倒塌故障，將引發(fā)系統(tǒng)短路及硬母線機(jī)械損傷。因此，有必要對鋼管式避雷針斷裂故障原因進(jìn)行分析[3-4]。

1 故障過程

2015-03-31T12:26:48，750 kV某變電站后臺監(jiān)控機(jī)警鈴、喇叭響起。后臺監(jiān)控機(jī)一次接線圖上330 kVⅡ母線邊開關(guān)變位、綠燈閃爍，電流、有功、無功均指示為零。后臺監(jiān)控系統(tǒng)顯示兩套母線保護(hù)裝置動作，發(fā)出330 kVⅡ母線差動保護(hù)動作告警報文。330 kVⅡ母線電壓指示為0，母線失壓。

隨后運(yùn)行人員立即對故障設(shè)備區(qū)進(jìn)行了巡視，發(fā)現(xiàn)330 kV設(shè)備區(qū)內(nèi)位于變電站東北角的1號避雷針（在3145線路進(jìn)線龍門架上）從根部斷裂，朝西南方向倒向330 kVⅡ母線，根部搭在330 kVⅡ母A相管母上，造成A相管母彎曲變形，3145線路C相出線龍門架上跳線斷股，避雷針尖端掉落在地面上彎曲變形，見圖1。

圖1 避雷針斷裂倒塌現(xiàn)場Fig.1 The scene of the lightning rod fracture collapse

2 故障避雷針現(xiàn)場檢查情況

2.1 避雷針結(jié)構(gòu)及布置

本變電站330 kV電氣設(shè)備敞開式布置，防直擊雷過電壓保護(hù)采用架構(gòu)鋼管式避雷針和避雷線。全站750 kV設(shè)備區(qū)設(shè)置架構(gòu)避雷針4根，標(biāo)高60 m；330 kV設(shè)備區(qū)設(shè)置架構(gòu)避雷針13根，故障斷裂倒塌的避雷針標(biāo)高45 m，其中出線構(gòu)架高18.8 m，其上有5 m的地線柱及21.2 m的針管避雷針，型號為DZ-1型針管避雷針。其中，針管避雷針由4根直徑不同的單鋼管分段連接而成，結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖2 1號避雷針（BLZ-1）的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structure size of the lightning rod （BLZ-1）

2.2 故障避雷針斷裂面檢查

1號避雷針為變截面鋼管結(jié)構(gòu)，針頂標(biāo)高45 m；安裝于標(biāo)高23.8 m的地線柱上，與地線柱采用法蘭連接、螺栓6.8級M20共8個，見圖2。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)地線柱柱頂法蘭與避雷針底部法蘭連接螺栓全部斷裂。故障現(xiàn)場已找到7套掉落的螺栓中，有4套完整無拉斷，3套不完整。檢查發(fā)現(xiàn)2套螺栓斷面中超過60%有銹蝕痕跡。

3 故障原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場勘查及分析表明，造成1號避雷針斷裂倒塌故障的直接原因是地線接地柱法蘭與針管避雷針法蘭連接處的螺栓承受大風(fēng)荷載斷裂導(dǎo)致的。根據(jù)現(xiàn)場檢查螺栓斷裂的情況，將從以下方面分析此次故障原因。

3.1 設(shè)計參數(shù)的配合

3.1.1 設(shè)計條件下受力狀況校核

1）初始設(shè)計參數(shù)：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳?971年至2007年共37年的歷年觀測資料，采用極值Ⅰ型算法計算，10m高50年一遇10min平均最大風(fēng)速為27.4m/s，結(jié)合周圍地區(qū)氣象站統(tǒng)計結(jié)果，求得變電站10 m高五十年一遇10 min平均最大風(fēng)速31.8 m/s。因此，變電站避雷針設(shè)計風(fēng)速取31.8 m/s。

2）理論設(shè)計受力校核：設(shè)計資料表明，在設(shè)計條件下（風(fēng)速31.8 m/s），構(gòu)架避雷針與地線柱連接的螺栓受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值最大值為0.72，滿足 《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T5457—2012）中規(guī)定鋼材受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值不應(yīng)超過0.8的規(guī)范要求。理論設(shè)計值滿足初始設(shè)計要求。

3.1.2 實(shí)際運(yùn)行條件下受力分析

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶謿庀髮I(yè)人員分析計算，1號避雷針故障當(dāng)日的極大風(fēng)速為27 m/s，受地形影響，風(fēng)口地帶風(fēng)力可達(dá)12級以上。蒲氏風(fēng)速表12級大風(fēng)對應(yīng)32.6 m/s，實(shí)際運(yùn)行條件下風(fēng)速按33 m/s計算。

1）避雷針?biāo)茱L(fēng)荷載計算：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算見式（1）：

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)取值，根據(jù)《DL/T5457—2012變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》4.4.2.5.2條規(guī)定[5]：單鋼管柱（h＞8 m）βz=2.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)《DL/T5457—2012變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》4.4.2.4.條中表4.4.2-4取值，按照地面粗糙程度為A類取值，在地線柱上部的BLZ-1柱的頂部為31.3 m，μz=1.816；μs為體型系數(shù)，根據(jù)《DL/T5457—2012 變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》4.4.2.3.1條中表4.4.2-1中第 3 條規(guī)定，其中 μs≥0.015，因此 μs取 0.6；wo為基本風(fēng)壓，計算值為0.681 kN/m2。

作用于避雷針管上的風(fēng)荷均布荷載計算見式（2）：

式中：q為避雷針管上的風(fēng)荷均布荷載，d為避雷針管直徑。經(jīng)過計算，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.487 kN/m，1號避雷針地線柱上部各段均布風(fēng)荷載及風(fēng)荷載作用于地線柱頂端的力結(jié)果見表1。表中q1至q4是避雷針各段上的風(fēng)荷均布荷載，單位是kN/m。M1是風(fēng)荷載作用于地線柱頂端處的彎矩，單位是kN·m，N和V是風(fēng)荷載作用于地線柱頂端處的軸力和剪力，單位為kN。

表1 避雷針均布風(fēng)荷載及地線柱頂端受力計算Table 1 The stress calculation of uniform wind load and the top of the ground column

2）連接法蘭處螺栓強(qiáng)度計算：由于此處法蘭為8個φ20的螺栓，其外徑為314 mm，內(nèi)徑為196 mm，螺柱作用中心線間距為254 mm。

受力見表1計算結(jié)果：剪力V=4.5 kN、軸力N=6.87 kN、彎矩 M=36.6 kN·m。

當(dāng)M/N≥r時，取管外壁為旋轉(zhuǎn)軸，M/N＜r時，取管中心為旋轉(zhuǎn)軸。

由于 M/N=5.328＞r=0.210 m

根據(jù)1號避雷針故障時的氣象條件，單個螺栓的最大受拉力計算見式（3）

式中：Yi為螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，N為風(fēng)荷載作用于地線柱頂端處螺栓的軸力，n為法蘭連接處螺栓總數(shù)。故障避雷針的法蘭螺栓連接見圖3。

圖3 BLZ－1與地線法蘭連接結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Connection structure of BLZ－1with ground flange

從圖3可看到，對8根螺栓的BLZ－1與地線法蘭連接處，各Yi值分別為Y1=225 mm，Y2=188 mm，Y3=98 mm，Y4=8 mm，Y5=29 mm。通過計算，單個螺栓的最大受力為59.1 kN，受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值為0.8，即在所有螺栓截面完好的情況下，實(shí)際風(fēng)速達(dá)到33 m/s時，螺栓強(qiáng)度依然滿足設(shè)計要求。

3）兩個螺栓失效時的強(qiáng)度計算：根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，避雷針與地線柱連接的螺栓有2套發(fā)生了腐蝕，有效受力面積大大減小，減小近60%以上。分別按照2套螺栓部分失效（40%有效受力面積）和2套螺栓全部失效進(jìn)行了受力計算分析，分析結(jié)果表明：①兩套螺栓部分失效情況下，連接螺栓受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值最大值為1.4，不滿足設(shè)計要求。②在兩套螺栓完全失效情況下，連接螺栓受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值最大值為1.8，顯然不滿足設(shè)計要求，已突破螺栓強(qiáng)度極限。

綜上所述，在全部螺栓截面完好的情況下，故障氣象條件無法造成螺栓斷裂，但部分螺栓截面局部失效會造成螺栓斷裂。

3.2 安裝情況分析

1）現(xiàn)場安裝情況：按設(shè)計單位設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場安裝時地線柱柱頂法蘭與避雷針底部法蘭連接采用強(qiáng)度6.8級8個M20×85 mm的熱鍍鋅螺栓，配雙螺母雙墊片。根據(jù)現(xiàn)場勘察，螺栓型號、規(guī)格及安裝時的工藝完全符合設(shè)計要求。安裝過程記錄完成，安裝工序質(zhì)量滿足《110 kV～1 000 kV變電（換流）站土建工程施工質(zhì)量驗(yàn)收及評定規(guī)程》要求。因此，故障與現(xiàn)場安裝工序無關(guān)。

2）現(xiàn)場環(huán)境分析：由于1號避雷針位于變電站東北角，在東風(fēng)作用下處于上風(fēng)側(cè)，受力最為不利，理論上會先于其他避雷針發(fā)生破壞。因此，避雷針?biāo)幉焕恢靡彩窃斐蓴嗔训顾收系囊粋€直接原因。

3.3 避雷針風(fēng)振特性分析

從避雷針的結(jié)構(gòu)尺寸來看，避雷針長細(xì)比過大，剛度較低，容易在強(qiáng)風(fēng)條件下發(fā)生大幅風(fēng)致振動。且避雷針為圓形鋼管斷面，容易在低風(fēng)速下發(fā)生渦激共振。以上分析主要是基于渦激共振的特點(diǎn)及危害得到的。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[6－7]。目前對渦振這種非線性物理現(xiàn)象的理解是[8－10]：當(dāng)流體流過浸沒在其中的固體時，會發(fā)生有規(guī)律周期性的旋渦脫落或再附，卡門渦街見圖4。

周期性的旋渦脫落或再附作用在管式避雷針結(jié)構(gòu)上的周期性力，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(jìn)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。

圖4 不同雷諾系數(shù)下的卡門渦街Fig.4 Karman vortex street of Under different Re

以上兩種振動都會進(jìn)一步加大作用在避雷針上的風(fēng)荷載，而當(dāng)前的設(shè)計規(guī)范中并未考慮避雷針在風(fēng)季中的渦激振動長期作用時對螺栓的疲勞性損傷累計。

4 結(jié)論

根據(jù)對設(shè)計、安裝及風(fēng)振特性等方面的綜合分析，造成本次故障的原因?yàn)樘幱陲L(fēng)場迎風(fēng)側(cè)最上游的鋼管避雷針，在湍流強(qiáng)度較低的流場中和適宜的風(fēng)速條件下，發(fā)生了渦激共振；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，直至故障大風(fēng)天氣過程發(fā)生時，帶傷工作螺栓徹底斷裂，并最終導(dǎo)致鋼管避雷針的整體傾倒。

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A Cause Analysis of Fracture Failure with Architecture Type Lightning Rod

SUN Tao
（Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050， China）

The detail analysis is carried out on a fracture collapsed accident of 330 kV Equipment area architecture lightning rod，the process of failure and the meteorological conditions at that time are introduced.The deep research is carried out starting from the structure of the lightning rod.In the process of calculation of wind load acting on the lightning rod and comparing with the design value，the direct cause of the failure is found.The Vortex-induced resonance is happened for the steel lightning rod in the upstream of the wind field windward in low turbulence intensity of flow field and appropriate wind speed conditions， and under the sustained effect of vortex-induced resonance reciprocating load，the steel lightning rod is whole collapsed.

lightning rod； wind load； wind vibration characteristics； vortex-induced resonance

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.010

2015-12-12

孫濤 （1982—），男，工程師，主要從事輸變電設(shè)備的狀態(tài)檢修技術(shù)研究。