變電站鋼結構變截面避雷針渦振現象及現場措施分析

摘 要：近幾年，隨著電力系統的快速發展，鋼結構變截面避雷針以變電站應用越來越廣泛，已取代傳統的桁架式避雷針，但由于西北地區特殊的地理環境，導致鋼結構變截面避雷針在變電站運行過程中接連發生傾倒事件，影響人身電網、設備安全。文章分析變電站鋼結構變截面避雷針傾倒原因，研究其渦振現象，并提出解決措施，以確保電力系統安全運行。

關鍵詞：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生鋼結構變截面避雷針傾倒跌落事件，給電網安全運行帶來重大威脅。為舉一反三，防止此類事件發再次發生，對鋼結構變截面避雷針傾倒原因進行分析，研究鋼結構變截面避雷針在現場的渦振現象，改進其結構形態，降低渦振頻次，確保安全運行。

2 鋼結構變截面避雷針傾倒原因分析

通過對避雷針材質、螺栓材質及化學成分、硬度進行試驗分析，在平均風荷載、脈動風荷載以及渦激力的共同作用下，處于風場迎風側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速條件下，避雷針發生渦激共振，長期處于擺動狀態。而在渦激共振往復荷載的持續作用下，鋼管避雷針底部法蘭盤連接螺栓發生疲勞開裂，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合處的螺紋根部由于結構和形狀因素會產較為嚴重的應力集中現像，并最終導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象。目前對渦振這種非線性物理現象的理解是：當流體流過浸沒在其中的固體時，會發生規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生作用在結構上的周期性作用力；隨著流體流速的增長，此周期性脫落的旋渦頻率會按照Strouhal關系增大，而當旋渦脫落頻率增大到接近結構自身的固有頻率時，就會引起結構的渦激共振；并且，發生渦激共振的結構會反過來影響氣流的旋渦脫落頻率，當結構開始出現渦激共振時，氣流的旋渦脫落頻率被結構的振動所俘獲，在一定風速范圍內，旋渦脫落頻率不再隨流體流速的增長而增大，但當流速進一步增大，旋渦脫落頻率會回到Strouhal頻率，而結構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，一般不會直接導致結構的損壞，但在長期往復荷載作用下，容易引起阻尼較小的鋼結構發生疲勞破壞。

4 桁架式避雷針與獨柱式鋼管避雷針發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別在于，桁架式避雷針是空間桁架結構，沿高度變化的各個斷面，氣動外形各不相同（如圖2所示），氣流經過以后，不易形成如圖1所示的規則的漩渦脫落，很大程度上避免了渦振的發生。

5 鋼結構變截面避雷針防止渦振現象措施分析

渦振控制措施通過改變鋼管避雷針的氣動外形，擾亂漩渦的規則脫落，從而避免了渦振的發生，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），以及設置交錯的魚鰭板（如圖3d所示）。上述渦振控制措施具體的結構參數（布置間距、高度、螺旋線徑等），均與鋼管外徑密切相關，不同尺寸的避雷針，需要設計不同的結構參數。

6 防止變電站鋼結構避雷針傾倒措施分析

6.1 進一步優化避雷針布置，優化避雷針懸臂長度

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

（2）計算直擊雷保護范圍時，應通過避雷針的數量和位置調整，優化避雷針設計，盡可能降低避雷針的高度。

（3）避雷針總高度不變的條件下，應選擇高度較高的構架設置避雷針，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構型式，降低風振影響

（1）避雷針設計應統籌考慮站址環境條件、配電裝置構架結構型式等，采用桁架式避雷針或圓管型避雷針等結構型式。

（2）對嚴寒大風地區的750kV變電站，避雷針結構形式宜選用桁架式，以降低結構對風荷載的敏感度，減少高頻率的風振現象。

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

（4）避雷針設計應結合站址的氣象條件、避雷針的結構型式等，充分考慮各種風振對結構的影響。

6.3 嚴格控制鋼材材質，確保避雷針結構安全

（1）避雷針鋼材應具有常溫沖擊韌性的合格保證。

當結構工作環境溫度低于0℃但高于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；當結構工作環境溫度低于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有-20℃沖擊韌性的合格保證。

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

6.4 規范螺栓安裝要求，避免螺栓松動

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

（2）法蘭連接螺栓應采用雙帽雙墊。

7 結束語

變電站鋼結構變截面避雷針雖然具有節約材料、現場施工簡單等特點，但由于西北地區獨特的地理環境，在現場存在一定的安全隱患。只有加強現場運行維護，加強對避雷針渦振現象的監測，才能確保變電站安全運行。

參考文獻

[1]DL 5056-2007.變電站總布置設計技術規程[S].

[2]DL 5103-2012.35kV～220kV無人值班變電站設計規程[S].

作者簡介：衛永鵬（1974，02-），男，甘肅古浪人，大學學歷，現工作單位及職務：國網甘肅檢修公司蘭州分部，高級工程師，高級技師，國網公司高級技能人才。