基于静风压的独立避雷针横截面优化

张 堃，苗用新，白建辉

（1.国网智能电网研究院，北京市昌平区北七家未来科技城国家电网公司A座 102209；2.中国科学院电子学研究所，北京市北四环中路19号 100190；3.沧州市华油飞达石油装备有限公司，河北省沧州市道东北街41号 061000）

生活中几乎随处都能看到风的存在。风是气压高低不同的两地之间空气流动而形成的一种自然现象，当它流动的过程中遇到障碍物，便会障碍物表面形成气幕并对障碍物施加压力：风速越快，压力越大。受到风的作用，在风中工作的设备会产生不同程度的变形或振动，可能造成设备整体或局部的变形过大、受力过大或共振等现象，使得设备无法正常工作、甚至破坏。因此，对于在风中工作的设备，一般都要进行抗风能力设计［1－3］。设备迎风横截面的设计便是其抗风能力设计的一项重要内容。电力系统中，体积较大的避雷针需要进行抗风能力设计。

避雷针，或称引雷针、镦针，可以称为避雷导线，也可以称富兰克林针（命名来自发明者本杰明·富兰克林），是一种用于牵制闪电的电击到地面的设备，能截引闪电，将闪电的电流导入地下装置，并能在一定的面积范围内保护地面建筑物或电力设备，使受电击物避免受雷电破坏。有些重要的输变电场所中，采用一些体积较大的避雷针（短则十几米，长则几十米）。这类避雷针受风的影响较大，设计不合理，很容易失效。文中针对几种典型的横截面，介绍了避雷针基于静风压的横截面最优方案。

1 建立CAD数字化模型

文中CAD数字模型采用Unigraphics NX三维设计软件设计制作。Unigraphics NX软件作为UGS公司提供的产品全生命周期解决方案中面向产品开发领域的旗舰产品，为用户提供了一套集成的、全面的产品开发解决方案，用于产品设计、分析、制造，帮助用户实现产品创新，缩短产品上市时间、降低成本、提高质量。

下面对几种典型的横截面的单杆式独立避雷针建立CAD数字化模型。为统一基准，设计所有避雷针结构均只有一根焊接管制成；所有被选择避雷针横截面的外接圆直径为Φ380 mm；避雷针结构长度为10 m；组成避雷针的焊接管壁厚为6 mm。

选取避雷针横截面为：正三角形、正方形、正八边形、正十六边形和圆形，建立避雷针CAD数字化模型如图1～图4所示。

2 有限元仿真

ANSYS是一款大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、流体、电磁以及声学等学科的研究。它由美国ANSYS公司开发，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS是第一个通过ISO9001质量认证的大型有限元分析设计软件，是美国机械工程师协会（ASME）及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。

本方法的主要软件工具采用ANSYS，基于以上获得的边界条件，在ANSYS软件的Mechanical模块下对避雷针模型进行有限元仿真。为获得避雷针整体应力分布情况，对焊接部位不做细化处理；假设各组件材料均匀且无瑕疵。本文只为获得最优化截面尺寸，所以将施加于避雷针迎风面上的风压选择一个整数常量：1000 MPa。

将避雷针数字模型导入到ANSYS软件下，并对模型进行仿真前处理：对模型划分网格；设置避雷针结构中最下端面与大地之间为固定连接（即该端面与大地保持相对静止，为避雷针结构仿真提供一个相对静止参考面）；将压力数据施加到避雷针结构中对应的迎风面上，并设置所有压力均沿Y方向。

完成ANSYS前处理后，对不同横截面时的避雷针结构在静风压下的应力分布情况进行求解，获得计算结果如图5～图8所示。

由以上计算结果可知，在静风压作用下，避雷针结构应力分布自下而上呈现逐渐增大趋势，且该趋势与截面形状无关；正三角形截面时最大局部应力值最小（最大迎风面面积也最小），正方形截面时最大局部应力值最大（正方形和圆形最大迎风面面积值最大）；正三角形和正十六边形截面时最大局部应力范围最大，圆形截面时最大局部应力范围最小。

4 结论

综合考虑以上计算结果、生产成本和安装生产等因素：虽然三角形截面时，最大局部应力值最小，但最大应力分布范围较广，不利于加固设计；正方形截面最大局部应力值最大，同样载荷下，最容易失效、破坏；正十六边形截面最大应力值虽然不是最大，但最大应力分布区域相对较广，不利于加固设计，同时该形状截面的材料应用方位较小，增加生产成本；圆形截面最大应力适中，局部应力分布范围小，取材方便，较适合作为常规设计、生产材料使用。因此，选择圆形截面作为避雷针结构设计中的最优方案。

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