不同形式的構架上避雷針性能對比分析

徐 帥，張涵寧

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

在變電站和電廠設計中常用的構架上避雷針形式包括變斷面單桿式鋼管和角鋼格構式。角鋼格構式避雷針橫截面為矩形或三角形，主材一般為角鋼或鋼管，輔材為角鋼，格構式避雷針取材容易，不受加工條件限制，但由于桿件多，螺栓連接或焊接工程量較大，導致加工安裝比較復雜;另外，由于格構式避雷針是空間桿系結構，計算和繪圖工作量較大。變斷面單桿式鋼管避雷針優(yōu)點是桿件較少，與角鋼格構式避雷針相比，單桿式鋼管避雷針由幾根錐形鋼管套接而成，設計加工和安裝都比較簡單，大大減少了設計和施工工作量。構架上的單桿式鋼管獨立避雷針根據高度不同一般由3～5段組成，受鍍鋅槽及運輸條件等限制，每段鋼管桿件的長度一般不超過12 m。避雷針下部由幾根錐形管套接而成，采用插接方式連接簡單，但為了避免亞臨界的微風共振影響，所需桿件的截面較大［1－3］。下面以某500 kV變電站工程為例，對變斷面單桿式鋼管和角鋼格構式兩種避雷針的受力性能以及用鋼量情況進行對比和分析。

1 工程概況

某500 kV變電站為了滿足電氣保護需要，需要在站中220 kV過渡構架上設置避雷針。

該變電站站址所在地10 m高度處50年一遇10 min的平均最大風速為29.9 m/s，其相應的基本風壓為0.56 kN/m2。避雷針位于15.5 m高的構架之上，假定針尖長度1.5 m，避雷針主體長度為18 m，構架上避雷針示意圖見圖1，圖中單位為m。下面采用MIDAS結構分析軟件對2種構架上避雷針的受力性能進行分析。

圖1 構架上避雷針示意圖

2 避雷針性能對比分析

2.1 避雷針設計參數及計算模型

本研究中避雷針鋼材采用Q345B級，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為 200 GPa，泊松比為 0.3。避雷針承受的荷載主要有自重及風荷載。2種形式避雷針模型以及加載示意圖分別見圖2、圖3。

圖2 構架上避雷針模型

圖3 模型加載示意圖

變斷面單桿式鋼管避雷針頂部管徑D1=410 mm，底部管徑D2=476 mm。根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》中第8.5.3條規(guī)定計算，變斷面單桿式鋼管避雷針結構基本自振周期T=0.234 s，按照公式(1)(2)計算臨界風速vcr和結構頂部風速vH:

式中:D為結構截面的直徑，當結構的截面沿高度縮小時(傾斜度不大于0.02)，可近似取2/3結構高度處的直徑;Ti為結構第i陣型的自振周期，驗算亞臨界微風共振時取基本自振周期T1;St為斯托羅哈數，對圓截面結構取0.2;μH為結構頂部風壓高度變化系數;w0為基準風壓;ρ為空氣密度。

計算得到 vcr=9.70 m/s，vH=35.44 m/s。

根據GB 50009—2012，按照公式(3)計算雷諾數Re:

式中:v為計算所用風速，可取臨界風速值vcr。

計算得到 Re=300 164.5。雷諾數3×105≤Re≤3×106時，發(fā)生超臨界范圍的風振，可不考慮橫向風振作用。

角鋼格構式避雷針底部跟開為0.5 m，頂部寬度為0.25 m。自下而上0～6m高度范圍內節(jié)間尺寸為0.75 m，6～18 m高度范圍內節(jié)間尺寸為0.5 m。構架上避雷針邊界條件假定為鉸接。

2.2 性能對比分析

運用MIDAS結構分析軟件，依照荷載規(guī)范［4］的荷載組合情況，分別得到2種形式避雷針的應力、變形以及用鋼量情況，2種形式避雷針的應力比見圖4。

圖4 避雷針應力比

通過分析可知，2種形式的避雷針在荷載作用下，變斷面單桿式鋼管避雷針最大應力為65.8 MPa，角鋼格構式避雷針桿件最大應力為 105.9 MPa，兩者均低于設計應力，結合圖4的桿件應力比可以發(fā)現，角鋼格構式避雷針桿件的使用效能更高。而2種形式避雷針的最大變形出現在結構頂部，變斷面單桿式鋼管避雷針最大變形為98.5 mm，角鋼格構式避雷針最大變形為47.9 mm，前者約為后者的2倍，兩者的最大變形均小于結構高度的1/100。

在用鋼量方面，變斷面單桿式鋼管避雷針需用鋼材1 507 kg，而角鋼格構式避雷針所需鋼材為1 115 kg，后者用鋼量約為前者的74%。

由于變斷面單桿式鋼管避雷針為了保證其發(fā)生超臨界范圍的風振，避免受到橫向風振作用的影響，桿件截面直徑相對較大，從而整體用鋼量高于角鋼格構式避雷針。在風荷載作用下，由于角鋼格構式避雷針的桿件較多，跟開是變斷面單桿式鋼管避雷針底部直徑的2倍以上，前者總的擋風面積大于后者，導致前者承受較大的風荷載，前者的桿件最大應力相應大于后者。同時，角鋼格構式避雷針整體剛度優(yōu)于變斷面單桿式鋼管避雷針，在荷載作用下的最大變形小于變斷面單桿式鋼管避雷針，也意味著在實際應用中頂部針尖的擺動更小，給人更高的感觀安全性。

對于設計人員而言，采用變斷面單桿式鋼管避雷針首先需要判斷其是否出現跨臨界強風共振，如果 Re＜3×105，或 Re≥3.5×106時，還需進一步確定vH值，才能判別橫風向風振情況，增加了設計過程的復雜性。

3 結論

a.本文運用MIDAS結構分析軟件對變電站構架上2種形式避雷針進行受力分析，分別得到兩者的受力和變形情況。2種形式構架上避雷針，在滿足規(guī)范［4-6］要求的前提下，變斷面單桿式鋼管避雷針使用效能低于角鋼格構式避雷針。在變形方面，變斷面單桿式鋼管避雷針的高于角鋼格構式避雷針。而在用鋼量方面，角鋼格構式避雷針約為變斷面單桿式鋼管式的74%。

b.針對2種構架上避雷針的研究，可以看出盡管角鋼格構式避雷針的桿件較多，安裝相比與變斷面單桿式鋼管避雷針較為復雜，但從結構性能、安全性和經濟性角度綜合考慮，角鋼格構式避雷針優(yōu)于變斷面單桿式鋼管避雷針。