强风低温环境下构架避雷针设计

姜 岩，李 毅，张玉明，李佳伟，吕圣龙

(1.国网新疆电力公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

1 概述

为了保护电气设备免受直接雷击，在变电站(换流站)中通常采用装设避雷针的方式将雷电流导入大地，从而保护附近比它高度低的设备或建筑物免遭直击雷破坏。在500 kV及以下的变电构架上，避雷针常采用单钢管的结构形式，见图1，它是由几段变截面的锥形钢管通过法兰盘连接或直接套接而成。相比于高电压等级常采用的格构式避雷针，单钢管避雷针自重轻、外形美观、挡风面小，设计、加工、安装都比较简单，在我国被广泛使用。但是单钢管避雷针的刚度较小，在风荷载下易产生振动且具有较大位移，其根部的连接处易发生破坏，因此单钢管避雷针的设计和使用应引起相关设计、基建及运维等部门的充分重视。

图1 构架上单钢管避雷针

事实上，由于风致振动引起避雷针的破坏并引发避雷针坠落的担心并非多余。自2015年以来，西北地区已发生了3起构架上单钢管避雷针的坠落事故。2015年3月31日在大风作用下甘肃敦煌750 kV变电站(以下简称敦煌变)内330 kV构架上的1号避雷针(运行编号,下同)和新疆烟墩750 kV变电站(烟墩变)内220 kV构架上的8号避雷针在同一天内先后发生了倾倒坠落，见图2～图5。2015年9月13日新疆达坂城750 kV变电站(达坂城变)内750 kV主变进线构架上的避雷针也在大风作用下发生了倾倒坠落，见图6、图7。

为了避免避雷针的再次坠落，本文将对引起避雷针坠落的原因进行分析，并比较单钢管、格构式避雷针的结构特点和钢材用量，提出强风低温环境下构架避雷针的设计指导原则用于指导设计。

图2 大风作用下甘肃敦煌750 kV变电站内330 kV构架避雷针倾倒坠落

图3 螺栓断面(敦煌变)

图4 大风作用下新疆烟墩750 kV变电站内220 kV构架避雷针倾倒坠落

图6 大风作用下新疆达坂城变电站内750 kV主变进线构架避雷针倾倒坠落

图7 螺栓断面(达坂城)

2 构架避雷针坠落原因初步分析

本节将从以下4个方面对引起避雷针坠落的原因进行分析，为构架避雷针的设计提供依据。上述3起事故中坠落的单钢管避雷针的基本信息见表1。

2.1 气象条件

气象资料及分析报告显示，敦煌变、烟墩变、达坂城变站址区域的年平均气温分别为8.8℃、10℃、6.9℃；极端最低温度分别为－29.0℃、－32.0℃、－31.9℃；事故当天观测到的极大风速分别为32.6 m/s、34 m/s、24 m/s，接近于表1所列的设计风速。另外值得注意的是，3个变电站所在的甘肃瓜州县、新疆哈密地区、达坂城地区的风能资源十分丰富，是国家重要的风电基地，周边建设了众多的风电场。

3个变电站所在区域的低温环境对钢材受力性能有一定不利影响，站址区域特定的地形、地貌使该区域的自然风速较大、风向较为恒定、风力频次高，而这将导致构架避雷针产生较为频繁的风致振动。

表1 坠落避雷针情况

2.2 避雷针顶/底高度、悬臂长度分析

为了与表1中已坠落避雷针对比，对盐湖220 kV变电站等另外15个变电站(包括220 kV、330 kV、750 kV)中 220 kV、330 kV构架上的18种尺寸的避雷针顶/底高度和悬臂长度进行了统计，结果表明：参与统计的11种220 kV构架上避雷针底座常见高度(即出线高度，下同)范围是14～16 m，针尖常见高度是30 m，避雷针的常见悬臂长度为14～16 m；参与统计的7种330 kV构架上避雷针底座常见高度是18～20.5 m，针尖的常见高度35～40 m，避雷针的常见悬臂长度是17～22 m。

表1中，敦煌变330 kV构架上的避雷针悬臂长度21.2 m接近330 kV常见范围的上限，但其针底座达到了23.8 m，超过了常见范围上限值3.3 m；烟墩变220 kV构架上的避雷针底座标高较常见范围低，但其悬臂长度达到了28 m，远超220 kV常见范围的上限值12 m；达坂城变主变进线构架上的避雷针不仅针底座高为27.1 m，而且悬臂长度也很长达到27.9 m。

对比分析可见，已坠落的避雷针的高度和悬臂长度值较大，超过常见的尺寸范围。这将增大避雷针的受力，加剧避雷针在风荷载作用下的振动，其根部的往复应力变幅也将比常见尺寸的避雷针大。

2.3 受力情况

坠落事故发生后，设计院对坠落避雷针的计算校核结果表明，避雷针的内力、变形均满足现行规范、规程的设计要求。连接螺栓的受拉应力与抗拉应力的比值(以下简称应力比)最大值为也满足现行行业标准《变电站建筑结构设计技术规程》DL/T5457—2012中应力比不应超过0.8的规范要求。考虑到设计计算时荷载的放大系数、材料强度设计值较标准值小、应力比的富裕等安全储备，即使事发当天站址处的风速略超设计风速，也不应出现避雷针的严重破坏，而这也说明避雷针的坠落并不属于其受力或变形超过极限状态破坏的范畴。

2.4 破坏部位及方式

敦煌变、达坂城变2根坠落避雷针均采用刚性法兰连接，其中达坂城变避雷针根部法兰共有20个8.8级M20螺栓，现场发现11个螺栓断面超过80%存在锈蚀痕迹；敦煌变避雷针根部法兰共有8个6.8级M20螺栓，有2个螺栓断面超过60%发生了锈蚀，见前述图3、图7。烟墩变采用柔性法兰连接，在法兰焊缝上方由于残余应力和塑性变形对钢材造成不利影响而在此区域形成了薄弱部位，见图5。

由破坏部位及方式可以看出，无论是刚性法兰还是柔性法兰连接，其破坏部位均在根部法兰部位附近，存在材料或者连接构件疲劳破坏的现象。

当然，如果仅仅是对着条条框框进行讲解，学生认识还不够深刻.技术人员一般会举几个近期发生的实例讲给学生们听，收效明显，提高了学生的重视程度.另外，技术人员也会通过多媒体的形式讲解安全常识.这些多媒体安全宣传片给学生带来极大的震憾，安全警示牢记于心.

2.5 构架避雷针坠落原因初步分析

通过对这3起避雷针坠落事故的分析可以发现存在一些共性的现象：(1)已坠落的避雷针均为单钢管避雷针；(2)已坠落的避雷针底座高度、悬臂长度超出了常见范围；(3)站址位于风能资源丰富区域，风力幅值、频次较高；(4)避雷针的破坏部位为根部法兰处的螺栓并伴随有锈蚀或法兰上方管材根部焊缝区域的裂纹；(5)事故发生时的风速接近设计风速。

根据上述共性现象逐一分析引起避雷针坠落的原因如下：

(1)由于单钢管避雷针的型式决定了其长细比过大，刚度较小，在脉动风的作用下容易发生顺风向的风致振动；又由于避雷针为圆形截面，在风速较低的情况下就容易发生横风向涡激振动。两种振动都会在单钢管避雷针根部都会产生交变往复的应力。

(2)已坠落避雷针底座高度、悬臂长度均较大，将进一步加大避雷针的风致振动响应，即增加了避雷针根部交变应力的幅值。

(3)站址区域的风力频次较高，加速了避雷针根部应力循环，即在较短的时间内产生较多的循环次数。

交变应力、往复循环是材料发生疲劳破坏的两个最基本因素，由上述第(2)、(3)条原因可知在这种高循环次数交变往复荷载的作用下，单钢管避雷针根部法兰连接部位的焊缝或螺栓会产生风致疲劳破坏，即在低应力水平、高循环次数的情况下萌生疲劳裂纹并产生疲劳破坏(属于高周疲劳破坏)。

(4)当萌生疲劳裂纹后，裂纹处会伴随有锈蚀，而锈蚀和疲劳破坏将会相互促进，加速材料的破坏。

因此引起避雷针坠落的原因可归结为：风致振动引起避雷针根部的疲劳破坏，随着损伤累计和锈蚀的不断增加，焊缝或螺栓有效工作面积不断减小，某次强风作用就会导致已存在疲劳损伤的避雷针坠落。而避雷针的风致疲劳破坏是个相当复杂的物理力学现象，在当前设计规范中几乎没有涉及。相关设计院对达坂城坠落避雷针根部法兰处20个8.8级M20螺栓复核计算也印证了这一结论，即在17 m/s风速作用下，当根部法兰失效螺栓数量大于12个时即可造成避雷针倒塌；在24 m/s风速作用下，当根部法兰失效螺栓数量超过10个即可造成避雷针的倒塌。

另外，低温环境会对钢材产生不利的影响，增加其脆断的可能。虽然低温脆断与疲劳破坏不属于同一种破坏类型，但选择低温冲击韧性较好的钢材不仅可有效防止低温脆断，同时还对材料抵抗疲劳破坏产生有利的影响。

3 构架避雷针型式选择分析

减小构架避雷针的风致振动是减小避雷针根部的疲劳损伤、防止构架避雷针坠落的最直接有效的途径。由于构架上方的空间狭小，构架单钢管避雷针结构形式简单，目前还没有针对构架单钢管避雷针增大刚度、减小振动的合理有效方法，在风力幅值、频次较大地区单钢管避雷针的风致振动问题依然突出。

由于格构式避雷针属于空间杆系结构，结构型式合理，空间刚度较单钢管避雷针大许多，且风的通过性好，因此在风荷载作用下其变形小，风致振动小，风致振动在避雷针根部引起的交变应力小，不易发生疲劳破坏。

因此在构架避雷针型式选择时，应配合结构布置及电气防直击雷保护计算，合理确定避雷针的悬臂长度。为避免再次发生构架避雷针的风致坠落，在西北的强风低温地区应优先采用格构式避雷针型式。

需要说明的是，推荐采用格构式避雷针，并不是否定单钢管避雷针这种型式。单钢管避雷针在我国非强风低温地区应用广泛，且也未出过坠落事故，只要避雷针高度和悬臂长度合理，应优先采用单钢管式。而在强风低温地区，在未对单钢管避雷针进行深入细致地风致疲劳破坏研究、规范未有明确的疲劳破坏计算方法、未确定出强风低温环境下单钢管避雷针的适用高度前，应慎重选用单钢管避雷针。

4 两种避雷针钢材用量比较

为了对比单钢管与格构式避雷针的钢材用量，选择2组(共4根)实际工程中的构架上单钢管和格构式避雷针进行分析，见表2。

表2 变电工程中的2组避雷针信息

由表2可以看出，近似条件下的格构式避雷针方案虽然比单钢管方案在钢材用量大，但随着基本风压的增加，格构式避雷针比单钢管避雷针每米钢材用钢量平均提高百分比在明显减少(表中显示由51.3%减小至16.6%)，即两者的差距在逐渐减小，因此在风压较高地区采用格构式避雷针方案不会造成用钢量的明显增加，然而由于前述格构式避雷针的优点，从减小避雷针根部的疲劳破坏、避免避雷针坠落角度看，在强风低温地区构架上避雷针采用格构式方案是合理的。

5 设计原则

根据上述构架避雷针坠落原因初步分析结论，在强风低温环境下进行构架避雷针设计应从优化避雷针布置、避雷针结构型式选择、钢材材质控制、规范螺栓紧固要求等方面遵循以下原则：

(1)设置构架避雷针时应充分利用变电构架的高度，选择高度较高的构架设置避雷针，以减小避雷针的悬臂长度。当条件受限时，可采用落地独立避雷针。

(2)电气专业在计算直击雷保护范围时，应通过避雷针的位置和数量调整，优化避雷针设计。尤其是强风低温环境，应以增加避雷针个数、减小避雷针高度为原则。

(3)避雷针设计应结合站址的气象条件、配电装置构架结构型式等，充分考虑各种风振对结构的影响。在强风低温地区应优先采用格构式避雷针，以降低结构对风荷载的敏感度，减少高频率的风振现象。

(4)当采用单钢管避雷针时，应严格控制避雷针针身的长细比，法兰连接处应采用有劲板刚性法兰连接。

(5)一般地区避雷针钢材应具有常温冲击韧性的合格保证；在强风低温地区，应根据避雷针结构的工作环境温度，在确保特殊钢材供应的前提下合理选择具有不同低温冲击韧性的钢材。

(6)避雷针法兰连接螺栓应采用8.8级高强度螺栓(C级)，双帽双垫，螺栓规格不小于M20。螺栓的紧固应采用力矩扳手，安装时的紧固力矩需大于厂家提供的螺栓紧固力矩。

6 结论

(1)单钢管避雷针的刚度较小，在风荷载作用下容易产生振动，风致振动引起的根部损伤累计是引起避雷针坠落的根本原因。

(2)应选用合理的避雷针结构型式，在强风低温地区，推荐采用格构式避雷针。

(3)格构式避雷针设计方案较单钢管避雷针设计方案的用钢量稍大，但随着站址基本风压的增大，两者的差异明显减小。

(4)从引起避雷针坠落的原因出发，本文从构架避雷针的高度、悬臂长度、型式、法兰形式、材料质量等级选择及螺栓要求等方法提出的设计原则，可供设计时参考。

本文仅初步定性地分析了避雷针坠落的原因并提出了相应的设计指导原则。对于强风低温环境下的避雷针设计研究，在今后的工作中应开展深入细致的风致疲劳破坏研究，为规范提出避雷针疲劳破坏的计算方法、明确强风低温环境下单钢管避雷针的适用高度及构造要求提供依据。

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