強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下構(gòu)架避雷針設(shè)計(jì)

姜 巖，李 毅，張玉明，李佳偉，呂圣龍

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

1 概述

為了保護(hù)電氣設(shè)備免受直接雷擊，在變電站(換流站)中通常采用裝設(shè)避雷針的方式將雷電流導(dǎo)入大地，從而保護(hù)附近比它高度低的設(shè)備或建筑物免遭直擊雷破壞。在500 kV及以下的變電構(gòu)架上，避雷針常采用單鋼管的結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖1，它是由幾段變截面的錐形鋼管通過(guò)法蘭盤(pán)連接或直接套接而成。相比于高電壓等級(jí)常采用的格構(gòu)式避雷針，單鋼管避雷針自重輕、外形美觀、擋風(fēng)面小，設(shè)計(jì)、加工、安裝都比較簡(jiǎn)單，在我國(guó)被廣泛使用。但是單鋼管避雷針的剛度較小，在風(fēng)荷載下易產(chǎn)生振動(dòng)且具有較大位移，其根部的連接處易發(fā)生破壞，因此單鋼管避雷針的設(shè)計(jì)和使用應(yīng)引起相關(guān)設(shè)計(jì)、基建及運(yùn)維等部門(mén)的充分重視。

圖1 構(gòu)架上單鋼管避雷針

事實(shí)上，由于風(fēng)致振動(dòng)引起避雷針的破壞并引發(fā)避雷針墜落的擔(dān)心并非多余。自2015年以來(lái)，西北地區(qū)已發(fā)生了3起構(gòu)架上單鋼管避雷針的墜落事故。2015年3月31日在大風(fēng)作用下甘肅敦煌750 kV變電站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)敦煌變)內(nèi)330 kV構(gòu)架上的1號(hào)避雷針(運(yùn)行編號(hào),下同)和新疆煙墩750 kV變電站(煙墩變)內(nèi)220 kV構(gòu)架上的8號(hào)避雷針在同一天內(nèi)先后發(fā)生了傾倒墜落，見(jiàn)圖2～圖5。2015年9月13日新疆達(dá)坂城750 kV變電站(達(dá)坂城變)內(nèi)750 kV主變進(jìn)線構(gòu)架上的避雷針也在大風(fēng)作用下發(fā)生了傾倒墜落，見(jiàn)圖6、圖7。

為了避免避雷針的再次墜落，本文將對(duì)引起避雷針墜落的原因進(jìn)行分析，并比較單鋼管、格構(gòu)式避雷針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鋼材用量，提出強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下構(gòu)架避雷針的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

圖2 大風(fēng)作用下甘肅敦煌750 kV變電站內(nèi)330 kV構(gòu)架避雷針傾倒墜落

圖3 螺栓斷面(敦煌變)

圖4 大風(fēng)作用下新疆煙墩750 kV變電站內(nèi)220 kV構(gòu)架避雷針傾倒墜落

圖6 大風(fēng)作用下新疆達(dá)坂城變電站內(nèi)750 kV主變進(jìn)線構(gòu)架避雷針傾倒墜落

圖7 螺栓斷面(達(dá)坂城)

2 構(gòu)架避雷針墜落原因初步分析

本節(jié)將從以下4個(gè)方面對(duì)引起避雷針墜落的原因進(jìn)行分析，為構(gòu)架避雷針的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。上述3起事故中墜落的單鋼管避雷針的基本信息見(jiàn)表1。

2.1 氣象條件

氣象資料及分析報(bào)告顯示，敦煌變、煙墩變、達(dá)坂城變站址區(qū)域的年平均氣溫分別為8.8℃、10℃、6.9℃；極端最低溫度分別為－29.0℃、－32.0℃、－31.9℃；事故當(dāng)天觀測(cè)到的極大風(fēng)速分別為32.6 m/s、34 m/s、24 m/s，接近于表1所列的設(shè)計(jì)風(fēng)速。另外值得注意的是，3個(gè)變電站所在的甘肅瓜州縣、新疆哈密地區(qū)、達(dá)坂城地區(qū)的風(fēng)能資源十分豐富，是國(guó)家重要的風(fēng)電基地，周邊建設(shè)了眾多的風(fēng)電場(chǎng)。

3個(gè)變電站所在區(qū)域的低溫環(huán)境對(duì)鋼材受力性能有一定不利影響，站址區(qū)域特定的地形、地貌使該區(qū)域的自然風(fēng)速較大、風(fēng)向較為恒定、風(fēng)力頻次高，而這將導(dǎo)致構(gòu)架避雷針產(chǎn)生較為頻繁的風(fēng)致振動(dòng)。

表1 墜落避雷針情況

2.2 避雷針頂/底高度、懸臂長(zhǎng)度分析

為了與表1中已墜落避雷針對(duì)比，對(duì)鹽湖220 kV變電站等另外15個(gè)變電站(包括220 kV、330 kV、750 kV)中 220 kV、330 kV構(gòu)架上的18種尺寸的避雷針頂/底高度和懸臂長(zhǎng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：參與統(tǒng)計(jì)的11種220 kV構(gòu)架上避雷針底座常見(jiàn)高度(即出線高度，下同)范圍是14～16 m，針尖常見(jiàn)高度是30 m，避雷針的常見(jiàn)懸臂長(zhǎng)度為14～16 m；參與統(tǒng)計(jì)的7種330 kV構(gòu)架上避雷針底座常見(jiàn)高度是18～20.5 m，針尖的常見(jiàn)高度35～40 m，避雷針的常見(jiàn)懸臂長(zhǎng)度是17～22 m。

表1中，敦煌變330 kV構(gòu)架上的避雷針懸臂長(zhǎng)度21.2 m接近330 kV常見(jiàn)范圍的上限，但其針底座達(dá)到了23.8 m，超過(guò)了常見(jiàn)范圍上限值3.3 m；煙墩變220 kV構(gòu)架上的避雷針底座標(biāo)高較常見(jiàn)范圍低，但其懸臂長(zhǎng)度達(dá)到了28 m，遠(yuǎn)超220 kV常見(jiàn)范圍的上限值12 m；達(dá)坂城變主變進(jìn)線構(gòu)架上的避雷針不僅針底座高為27.1 m，而且懸臂長(zhǎng)度也很長(zhǎng)達(dá)到27.9 m。

對(duì)比分析可見(jiàn)，已墜落的避雷針的高度和懸臂長(zhǎng)度值較大，超過(guò)常見(jiàn)的尺寸范圍。這將增大避雷針的受力，加劇避雷針在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)，其根部的往復(fù)應(yīng)力變幅也將比常見(jiàn)尺寸的避雷針大。

2.3 受力情況

墜落事故發(fā)生后，設(shè)計(jì)院對(duì)墜落避雷針的計(jì)算校核結(jié)果表明，避雷針的內(nèi)力、變形均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的設(shè)計(jì)要求。連接螺栓的受拉應(yīng)力與抗拉應(yīng)力的比值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)力比)最大值為也滿(mǎn)足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5457—2012中應(yīng)力比不應(yīng)超過(guò)0.8的規(guī)范要求?？紤]到設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)荷載的放大系數(shù)、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值較標(biāo)準(zhǔn)值小、應(yīng)力比的富裕等安全儲(chǔ)備，即使事發(fā)當(dāng)天站址處的風(fēng)速略超設(shè)計(jì)風(fēng)速，也不應(yīng)出現(xiàn)避雷針的嚴(yán)重破壞，而這也說(shuō)明避雷針的墜落并不屬于其受力或變形超過(guò)極限狀態(tài)破壞的范疇。

2.4 破壞部位及方式

敦煌變、達(dá)坂城變2根墜落避雷針均采用剛性法蘭連接，其中達(dá)坂城變避雷針根部法蘭共有20個(gè)8.8級(jí)M20螺栓，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)11個(gè)螺栓斷面超過(guò)80%存在銹蝕痕跡；敦煌變避雷針根部法蘭共有8個(gè)6.8級(jí)M20螺栓，有2個(gè)螺栓斷面超過(guò)60%發(fā)生了銹蝕，見(jiàn)前述圖3、圖7。煙墩變采用柔性法蘭連接，在法蘭焊縫上方由于殘余應(yīng)力和塑性變形對(duì)鋼材造成不利影響而在此區(qū)域形成了薄弱部位，見(jiàn)圖5。

由破壞部位及方式可以看出，無(wú)論是剛性法蘭還是柔性法蘭連接，其破壞部位均在根部法蘭部位附近，存在材料或者連接構(gòu)件疲勞破壞的現(xiàn)象。

當(dāng)然，如果僅僅是對(duì)著條條框框進(jìn)行講解，學(xué)生認(rèn)識(shí)還不夠深刻.技術(shù)人員一般會(huì)舉幾個(gè)近期發(fā)生的實(shí)例講給學(xué)生們聽(tīng)，收效明顯，提高了學(xué)生的重視程度.另外，技術(shù)人員也會(huì)通過(guò)多媒體的形式講解安全常識(shí).這些多媒體安全宣傳片給學(xué)生帶來(lái)極大的震憾，安全警示牢記于心.

2.5 構(gòu)架避雷針墜落原因初步分析

通過(guò)對(duì)這3起避雷針墜落事故的分析可以發(fā)現(xiàn)存在一些共性的現(xiàn)象：(1)已墜落的避雷針均為單鋼管避雷針；(2)已墜落的避雷針底座高度、懸臂長(zhǎng)度超出了常見(jiàn)范圍；(3)站址位于風(fēng)能資源豐富區(qū)域，風(fēng)力幅值、頻次較高；(4)避雷針的破壞部位為根部法蘭處的螺栓并伴隨有銹蝕或法蘭上方管材根部焊縫區(qū)域的裂紋；(5)事故發(fā)生時(shí)的風(fēng)速接近設(shè)計(jì)風(fēng)速。

根據(jù)上述共性現(xiàn)象逐一分析引起避雷針墜落的原因如下：

(1)由于單鋼管避雷針的型式?jīng)Q定了其長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大，剛度較小，在脈動(dòng)風(fēng)的作用下容易發(fā)生順風(fēng)向的風(fēng)致振動(dòng)；又由于避雷針為圓形截面，在風(fēng)速較低的情況下就容易發(fā)生橫風(fēng)向渦激振動(dòng)。兩種振動(dòng)都會(huì)在單鋼管避雷針根部都會(huì)產(chǎn)生交變往復(fù)的應(yīng)力。

(2)已墜落避雷針底座高度、懸臂長(zhǎng)度均較大，將進(jìn)一步加大避雷針的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)，即增加了避雷針根部交變應(yīng)力的幅值。

(3)站址區(qū)域的風(fēng)力頻次較高，加速了避雷針根部應(yīng)力循環(huán)，即在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的循環(huán)次數(shù)。

交變應(yīng)力、往復(fù)循環(huán)是材料發(fā)生疲勞破壞的兩個(gè)最基本因素，由上述第(2)、(3)條原因可知在這種高循環(huán)次數(shù)交變往復(fù)荷載的作用下，單鋼管避雷針根部法蘭連接部位的焊縫或螺栓會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致疲勞破壞，即在低應(yīng)力水平、高循環(huán)次數(shù)的情況下萌生疲勞裂紋并產(chǎn)生疲勞破壞(屬于高周疲勞破壞)。

(4)當(dāng)萌生疲勞裂紋后，裂紋處會(huì)伴隨有銹蝕，而銹蝕和疲勞破壞將會(huì)相互促進(jìn)，加速材料的破壞。

因此引起避雷針墜落的原因可歸結(jié)為：風(fēng)致振動(dòng)引起避雷針根部的疲勞破壞，隨著損傷累計(jì)和銹蝕的不斷增加，焊縫或螺栓有效工作面積不斷減小，某次強(qiáng)風(fēng)作用就會(huì)導(dǎo)致已存在疲勞損傷的避雷針墜落。而避雷針的風(fēng)致疲勞破壞是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理力學(xué)現(xiàn)象，在當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范中幾乎沒(méi)有涉及。相關(guān)設(shè)計(jì)院對(duì)達(dá)坂城墜落避雷針根部法蘭處20個(gè)8.8級(jí)M20螺栓復(fù)核計(jì)算也印證了這一結(jié)論，即在17 m/s風(fēng)速作用下，當(dāng)根部法蘭失效螺栓數(shù)量大于12個(gè)時(shí)即可造成避雷針倒塌；在24 m/s風(fēng)速作用下，當(dāng)根部法蘭失效螺栓數(shù)量超過(guò)10個(gè)即可造成避雷針的倒塌。

另外，低溫環(huán)境會(huì)對(duì)鋼材產(chǎn)生不利的影響，增加其脆斷的可能。雖然低溫脆斷與疲勞破壞不屬于同一種破壞類(lèi)型，但選擇低溫沖擊韌性較好的鋼材不僅可有效防止低溫脆斷，同時(shí)還對(duì)材料抵抗疲勞破壞產(chǎn)生有利的影響。

3 構(gòu)架避雷針型式選擇分析

減小構(gòu)架避雷針的風(fēng)致振動(dòng)是減小避雷針根部的疲勞損傷、防止構(gòu)架避雷針墜落的最直接有效的途徑。由于構(gòu)架上方的空間狹小，構(gòu)架單鋼管避雷針結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，目前還沒(méi)有針對(duì)構(gòu)架單鋼管避雷針增大剛度、減小振動(dòng)的合理有效方法，在風(fēng)力幅值、頻次較大地區(qū)單鋼管避雷針的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題依然突出。

由于格構(gòu)式避雷針屬于空間桿系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式合理，空間剛度較單鋼管避雷針大許多，且風(fēng)的通過(guò)性好，因此在風(fēng)荷載作用下其變形小，風(fēng)致振動(dòng)小，風(fēng)致振動(dòng)在避雷針根部引起的交變應(yīng)力小，不易發(fā)生疲勞破壞。

因此在構(gòu)架避雷針型式選擇時(shí)，應(yīng)配合結(jié)構(gòu)布置及電氣防直擊雷保護(hù)計(jì)算，合理確定避雷針的懸臂長(zhǎng)度。為避免再次發(fā)生構(gòu)架避雷針的風(fēng)致墜落，在西北的強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用格構(gòu)式避雷針型式。

需要說(shuō)明的是，推薦采用格構(gòu)式避雷針，并不是否定單鋼管避雷針這種型式。單鋼管避雷針在我國(guó)非強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)應(yīng)用廣泛，且也未出過(guò)墜落事故，只要避雷針高度和懸臂長(zhǎng)度合理，應(yīng)優(yōu)先采用單鋼管式。而在強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)，在未對(duì)單鋼管避雷針進(jìn)行深入細(xì)致地風(fēng)致疲勞破壞研究、規(guī)范未有明確的疲勞破壞計(jì)算方法、未確定出強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下單鋼管避雷針的適用高度前，應(yīng)慎重選用單鋼管避雷針。

4 兩種避雷針?shù)摬挠昧勘容^

為了對(duì)比單鋼管與格構(gòu)式避雷針的鋼材用量，選擇2組(共4根)實(shí)際工程中的構(gòu)架上單鋼管和格構(gòu)式避雷針進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

表2 變電工程中的2組避雷針信息

由表2可以看出，近似條件下的格構(gòu)式避雷針?lè)桨鸽m然比單鋼管方案在鋼材用量大，但隨著基本風(fēng)壓的增加，格構(gòu)式避雷針比單鋼管避雷針每米鋼材用鋼量平均提高百分比在明顯減少(表中顯示由51.3%減小至16.6%)，即兩者的差距在逐漸減小，因此在風(fēng)壓較高地區(qū)采用格構(gòu)式避雷針?lè)桨覆粫?huì)造成用鋼量的明顯增加，然而由于前述格構(gòu)式避雷針的優(yōu)點(diǎn)，從減小避雷針根部的疲勞破壞、避免避雷針墜落角度看，在強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)構(gòu)架上避雷針采用格構(gòu)式方案是合理的。

5 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)上述構(gòu)架避雷針墜落原因初步分析結(jié)論，在強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下進(jìn)行構(gòu)架避雷針設(shè)計(jì)應(yīng)從優(yōu)化避雷針布置、避雷針結(jié)構(gòu)型式選擇、鋼材材質(zhì)控制、規(guī)范螺栓緊固要求等方面遵循以下原則：

(1)設(shè)置構(gòu)架避雷針時(shí)應(yīng)充分利用變電構(gòu)架的高度，選擇高度較高的構(gòu)架設(shè)置避雷針，以減小避雷針的懸臂長(zhǎng)度。當(dāng)條件受限時(shí)，可采用落地獨(dú)立避雷針。

(2)電氣專(zhuān)業(yè)在計(jì)算直擊雷保護(hù)范圍時(shí)，應(yīng)通過(guò)避雷針的位置和數(shù)量調(diào)整，優(yōu)化避雷針設(shè)計(jì)。尤其是強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境，應(yīng)以增加避雷針個(gè)數(shù)、減小避雷針高度為原則。

(3)避雷針設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合站址的氣象條件、配電裝置構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式等，充分考慮各種風(fēng)振對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用格構(gòu)式避雷針，以降低結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的敏感度，減少高頻率的風(fēng)振現(xiàn)象。

(4)當(dāng)采用單鋼管避雷針時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制避雷針針身的長(zhǎng)細(xì)比，法蘭連接處應(yīng)采用有勁板剛性法蘭連接。

(5)一般地區(qū)避雷針?shù)摬膽?yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證；在強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)，應(yīng)根據(jù)避雷針結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度，在確保特殊鋼材供應(yīng)的前提下合理選擇具有不同低溫沖擊韌性的鋼材。

(6)避雷針?lè)ㄌm連接螺栓應(yīng)采用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓(C級(jí))，雙帽雙墊，螺栓規(guī)格不小于M20。螺栓的緊固應(yīng)采用力矩扳手，安裝時(shí)的緊固力矩需大于廠家提供的螺栓緊固力矩。

6 結(jié)論

(1)單鋼管避雷針的剛度較小，在風(fēng)荷載作用下容易產(chǎn)生振動(dòng)，風(fēng)致振動(dòng)引起的根部損傷累計(jì)是引起避雷針墜落的根本原因。

(2)應(yīng)選用合理的避雷針結(jié)構(gòu)型式，在強(qiáng)風(fēng)低溫地區(qū)，推薦采用格構(gòu)式避雷針。

(3)格構(gòu)式避雷針設(shè)計(jì)方案較單鋼管避雷針設(shè)計(jì)方案的用鋼量稍大，但隨著站址基本風(fēng)壓的增大，兩者的差異明顯減小。

(4)從引起避雷針墜落的原因出發(fā)，本文從構(gòu)架避雷針的高度、懸臂長(zhǎng)度、型式、法蘭形式、材料質(zhì)量等級(jí)選擇及螺栓要求等方法提出的設(shè)計(jì)原則，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

本文僅初步定性地分析了避雷針墜落的原因并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。對(duì)于強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下的避雷針設(shè)計(jì)研究，在今后的工作中應(yīng)開(kāi)展深入細(xì)致的風(fēng)致疲勞破壞研究，為規(guī)范提出避雷針疲勞破壞的計(jì)算方法、明確強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下單鋼管避雷針的適用高度及構(gòu)造要求提供依據(jù)。

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