強風低溫環境下構架避雷針設計

姜 巖，李 毅，張玉明，李佳偉，呂圣龍

(1.國網新疆電力公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

1 概述

為了保護電氣設備免受直接雷擊，在變電站(換流站)中通常采用裝設避雷針的方式將雷電流導入大地，從而保護附近比它高度低的設備或建筑物免遭直擊雷破壞。在500 kV及以下的變電構架上，避雷針常采用單鋼管的結構形式，見圖1，它是由幾段變截面的錐形鋼管通過法蘭盤連接或直接套接而成。相比于高電壓等級常采用的格構式避雷針，單鋼管避雷針自重輕、外形美觀、擋風面小，設計、加工、安裝都比較簡單，在我國被廣泛使用。但是單鋼管避雷針的剛度較小，在風荷載下易產生振動且具有較大位移，其根部的連接處易發生破壞，因此單鋼管避雷針的設計和使用應引起相關設計、基建及運維等部門的充分重視。

圖1 構架上單鋼管避雷針

事實上，由于風致振動引起避雷針的破壞并引發避雷針墜落的擔心并非多余。自2015年以來，西北地區已發生了3起構架上單鋼管避雷針的墜落事故。2015年3月31日在大風作用下甘肅敦煌750 kV變電站(以下簡稱敦煌變)內330 kV構架上的1號避雷針(運行編號,下同)和新疆煙墩750 kV變電站(煙墩變)內220 kV構架上的8號避雷針在同一天內先后發生了傾倒墜落，見圖2～圖5。2015年9月13日新疆達坂城750 kV變電站(達坂城變)內750 kV主變進線構架上的避雷針也在大風作用下發生了傾倒墜落，見圖6、圖7。

為了避免避雷針的再次墜落，本文將對引起避雷針墜落的原因進行分析，并比較單鋼管、格構式避雷針的結構特點和鋼材用量，提出強風低溫環境下構架避雷針的設計指導原則用于指導設計。

圖2 大風作用下甘肅敦煌750 kV變電站內330 kV構架避雷針傾倒墜落

圖3 螺栓斷面(敦煌變)

圖4 大風作用下新疆煙墩750 kV變電站內220 kV構架避雷針傾倒墜落

圖6 大風作用下新疆達坂城變電站內750 kV主變進線構架避雷針傾倒墜落

圖7 螺栓斷面(達坂城)

2 構架避雷針墜落原因初步分析

本節將從以下4個方面對引起避雷針墜落的原因進行分析，為構架避雷針的設計提供依據。上述3起事故中墜落的單鋼管避雷針的基本信息見表1。

2.1 氣象條件

氣象資料及分析報告顯示，敦煌變、煙墩變、達坂城變站址區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℃；事故當天觀測到的極大風速分別為32.6 m/s、34 m/s、24 m/s，接近于表1所列的設計風速。另外值得注意的是，3個變電站所在的甘肅瓜州縣、新疆哈密地區、達坂城地區的風能資源十分豐富，是國家重要的風電基地，周邊建設了眾多的風電場。

3個變電站所在區域的低溫環境對鋼材受力性能有一定不利影響，站址區域特定的地形、地貌使該區域的自然風速較大、風向較為恒定、風力頻次高，而這將導致構架避雷針產生較為頻繁的風致振動。

表1 墜落避雷針情況

2.2 避雷針頂/底高度、懸臂長度分析

為了與表1中已墜落避雷針對比，對鹽湖220 kV變電站等另外15個變電站(包括220 kV、330 kV、750 kV)中 220 kV、330 kV構架上的18種尺寸的避雷針頂/底高度和懸臂長度進行了統計，結果表明：參與統計的11種220 kV構架上避雷針底座常見高度(即出線高度，下同)范圍是14～16 m，針尖常見高度是30 m，避雷針的常見懸臂長度為14～16 m；參與統計的7種330 kV構架上避雷針底座常見高度是18～20.5 m，針尖的常見高度35～40 m，避雷針的常見懸臂長度是17～22 m。

表1中，敦煌變330 kV構架上的避雷針懸臂長度21.2 m接近330 kV常見范圍的上限，但其針底座達到了23.8 m，超過了常見范圍上限值3.3 m；煙墩變220 kV構架上的避雷針底座標高較常見范圍低，但其懸臂長度達到了28 m，遠超220 kV常見范圍的上限值12 m；達坂城變主變進線構架上的避雷針不僅針底座高為27.1 m，而且懸臂長度也很長達到27.9 m。

對比分析可見，已墜落的避雷針的高度和懸臂長度值較大，超過常見的尺寸范圍。這將增大避雷針的受力，加劇避雷針在風荷載作用下的振動，其根部的往復應力變幅也將比常見尺寸的避雷針大。

2.3 受力情況

墜落事故發生后，設計院對墜落避雷針的計算校核結果表明，避雷針的內力、變形均滿足現行規范、規程的設計要求。連接螺栓的受拉應力與抗拉應力的比值(以下簡稱應力比)最大值為也滿足現行行業標準《變電站建筑結構設計技術規程》DL/T5457—2012中應力比不應超過0.8的規范要求。考慮到設計計算時荷載的放大系數、材料強度設計值較標準值小、應力比的富裕等安全儲備，即使事發當天站址處的風速略超設計風速，也不應出現避雷針的嚴重破壞，而這也說明避雷針的墜落并不屬于其受力或變形超過極限狀態破壞的范疇。

2.4 破壞部位及方式

敦煌變、達坂城變2根墜落避雷針均采用剛性法蘭連接，其中達坂城變避雷針根部法蘭共有20個8.8級M20螺栓，現場發現11個螺栓斷面超過80%存在銹蝕痕跡；敦煌變避雷針根部法蘭共有8個6.8級M20螺栓，有2個螺栓斷面超過60%發生了銹蝕，見前述圖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力和塑性變形對鋼材造成不利影響而在此區域形成了薄弱部位，見圖5。

由破壞部位及方式可以看出，無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件疲勞破壞的現象。

當然，如果僅僅是對著條條框框進行講解，學生認識還不夠深刻.技術人員一般會舉幾個近期發生的實例講給學生們聽，收效明顯，提高了學生的重視程度.另外，技術人員也會通過多媒體的形式講解安全常識.這些多媒體安全宣傳片給學生帶來極大的震憾，安全警示牢記于心.

2.5 構架避雷針墜落原因初步分析

通過對這3起避雷針墜落事故的分析可以發現存在一些共性的現象：(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、懸臂長度超出了常見范圍；(3)站址位于風能資源豐富區域，風力幅值、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域的裂紋；(5)事故發生時的風速接近設計風速。

根據上述共性現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決定了其長細比過大，剛度較小，在脈動風的作用下容易發生順風向的風致振動；又由于避雷針為圓形截面，在風速較低的情況下就容易發生橫風向渦激振動。兩種振動都會在單鋼管避雷針根部都會產生交變往復的應力。

(2)已墜落避雷針底座高度、懸臂長度均較大，將進一步加大避雷針的風致振動響應，即增加了避雷針根部交變應力的幅值。

(3)站址區域的風力頻次較高，加速了避雷針根部應力循環，即在較短的時間內產生較多的循環次數。

交變應力、往復循環是材料發生疲勞破壞的兩個最基本因素，由上述第(2)、(3)條原因可知在這種高循環次數交變往復荷載的作用下，單鋼管避雷針根部法蘭連接部位的焊縫或螺栓會產生風致疲勞破壞，即在低應力水平、高循環次數的情況下萌生疲勞裂紋并產生疲勞破壞(屬于高周疲勞破壞)。

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

因此引起避雷針墜落的原因可歸結為：風致振動引起避雷針根部的疲勞破壞，隨著損傷累計和銹蝕的不斷增加，焊縫或螺栓有效工作面積不斷減小，某次強風作用就會導致已存在疲勞損傷的避雷針墜落。而避雷針的風致疲勞破壞是個相當復雜的物理力學現象，在當前設計規范中幾乎沒有涉及。相關設計院對達坂城墜落避雷針根部法蘭處20個8.8級M20螺栓復核計算也印證了這一結論，即在17 m/s風速作用下，當根部法蘭失效螺栓數量大于12個時即可造成避雷針倒塌；在24 m/s風速作用下，當根部法蘭失效螺栓數量超過10個即可造成避雷針的倒塌。

另外，低溫環境會對鋼材產生不利的影響，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，同時還對材料抵抗疲勞破壞產生有利的影響。

3 構架避雷針型式選擇分析

減小構架避雷針的風致振動是減小避雷針根部的疲勞損傷、防止構架避雷針墜落的最直接有效的途徑。由于構架上方的空間狹小，構架單鋼管避雷針結構形式簡單，目前還沒有針對構架單鋼管避雷針增大剛度、減小振動的合理有效方法，在風力幅值、頻次較大地區單鋼管避雷針的風致振動問題依然突出。

由于格構式避雷針屬于空間桿系結構，結構型式合理，空間剛度較單鋼管避雷針大許多，且風的通過性好，因此在風荷載作用下其變形小，風致振動小，風致振動在避雷針根部引起的交變應力小，不易發生疲勞破壞。

因此在構架避雷針型式選擇時，應配合結構布置及電氣防直擊雷保護計算，合理確定避雷針的懸臂長度。為避免再次發生構架避雷針的風致墜落，在西北的強風低溫地區應優先采用格構式避雷針型式。

需要說明的是，推薦采用格構式避雷針，并不是否定單鋼管避雷針這種型式。單鋼管避雷針在我國非強風低溫地區應用廣泛，且也未出過墜落事故，只要避雷針高度和懸臂長度合理，應優先采用單鋼管式。而在強風低溫地區，在未對單鋼管避雷針進行深入細致地風致疲勞破壞研究、規范未有明確的疲勞破壞計算方法、未確定出強風低溫環境下單鋼管避雷針的適用高度前，應慎重選用單鋼管避雷針。

4 兩種避雷針鋼材用量比較

為了對比單鋼管與格構式避雷針的鋼材用量，選擇2組(共4根)實際工程中的構架上單鋼管和格構式避雷針進行分析，見表2。

表2 變電工程中的2組避雷針信息

由表2可以看出，近似條件下的格構式避雷針方案雖然比單鋼管方案在鋼材用量大，但隨著基本風壓的增加，格構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，因此在風壓較高地區采用格構式避雷針方案不會造成用鋼量的明顯增加，然而由于前述格構式避雷針的優點，從減小避雷針根部的疲勞破壞、避免避雷針墜落角度看，在強風低溫地區構架上避雷針采用格構式方案是合理的。

5 設計原則

根據上述構架避雷針墜落原因初步分析結論，在強風低溫環境下進行構架避雷針設計應從優化避雷針布置、避雷針結構型式選擇、鋼材材質控制、規范螺栓緊固要求等方面遵循以下原則：

(1)設置構架避雷針時應充分利用變電構架的高度，選擇高度較高的構架設置避雷針，以減小避雷針的懸臂長度。當條件受限時，可采用落地獨立避雷針。

(2)電氣專業在計算直擊雷保護范圍時，應通過避雷針的位置和數量調整，優化避雷針設計。尤其是強風低溫環境，應以增加避雷針個數、減小避雷針高度為原則。

(3)避雷針設計應結合站址的氣象條件、配電裝置構架結構型式等，充分考慮各種風振對結構的影響。在強風低溫地區應優先采用格構式避雷針，以降低結構對風荷載的敏感度，減少高頻率的風振現象。

(4)當采用單鋼管避雷針時，應嚴格控制避雷針針身的長細比，法蘭連接處應采用有勁板剛性法蘭連接。

(5)一般地區避雷針鋼材應具有常溫沖擊韌性的合格保證；在強風低溫地區，應根據避雷針結構的工作環境溫度，在確保特殊鋼材供應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。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。

6 結論

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

(2)應選用合理的避雷針結構型式，在強風低溫地區，推薦采用格構式避雷針。

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

(4)從引起避雷針墜落的原因出發，本文從構架避雷針的高度、懸臂長度、型式、法蘭形式、材料質量等級選擇及螺栓要求等方法提出的設計原則，可供設計時參考。

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的設計指導原則。對于強風低溫環境下的避雷針設計研究，在今后的工作中應開展深入細致的風致疲勞破壞研究，為規范提出避雷針疲勞破壞的計算方法、明確強風低溫環境下單鋼管避雷針的適用高度及構造要求提供依據。

[1]王錫凡.電力工程基礎[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

[2]國家電網公司.750千伏敦煌、煙墩變電站構架避雷針故障分析報告[R].北京：國家電網公司，2015.

[3]王曉，曹華，郭良才.瓜州風電場建設中環境氣象要素對比分析[J].安徽農學通報，2016，22(2).

[4]DL/T 5457—2012，變電站建筑結構設計技術規程[S].

[5]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[6]Giosan I，Eng P.Vortex shedding induced loads on free standing structures[J].Structural Vortex Shedding Response Esti mation Methodology and Finite Ele ment Si mulation，2013.

[7]高東方.避雷鋼管塔結構風振特性與控制研究[D].鄭州：鄭州大學，2011.

[8]王欽華，顧明.結構系統風致疲勞壽命可靠性分析[J].土木工程學報，2011，44(8).

[9]Kacin J A.Fatigue life esti mation of a highway sign structure[D].Pittsburgh:University of Pittsburgh，2009.

[10]Chen tao，et al.A boundary ele ment analysis of fatigue crack growth for welded connections under bending[J].Engineering Fracture Mechanics，2013，(98).