分段式避雷针防倒装置的研究与开发

宁波市电力设计院有限公司 王敬波 张灿江 金 权 牛文栋 周东杰

分段式避雷针防倒装置的研究与开发

宁波市电力设计院有限公司 王敬波 张灿江 金 权 牛文栋 周东杰

避雷针对于防直击雷有着重要的作用。文章首先就变电所避雷针运行现状进行描述，提出防止避雷针倒塌的必要性；其次针对避雷针的结构，提出防倒装置的开发思路，并进行具体设计；再次对研究成果的应用情况进行分析；最后从其他角度就加强避雷针安全稳定提出见解。文章的研究层次清晰、内容详实，可作为相关工作的有效参考。

避雷针；防倒装置；截面强度；风载荷

变电所是电网的中枢，承担电力的变换、中转和分配重任[1]。但由于变电所与众多输变电线路相连，求一般地处空旷区域，因此遭受雷击的可能性比较大。做好变电所防雷工作是实现“多供电、供好电”目标的必要条件之一。避雷针在变电所防雷中承担重要角色，它能够将直击雷的巨大能量予以瞬间释放[2]，保护主变、高压开关乃至人身的安全。本章将根据当前变电所避雷针运行中出现的问题进行针对性研究。

1 问题的提出

当前，变电所避雷针布置一般为多支、等高、独立设立的形式，材质为镀锌钢管[3]。因避雷针有高度要求，其结构一般为分段组装(通过法兰)。应该说，新投运的避雷针在整体上是比较可靠的。

但由于该设备不直接参与电力分配，日常运维中往往不被充分重视(当前的防雷检查项目多以接地电阻测试、接地网开挖等为主)，导致长久运行后法兰螺栓生锈而不被察觉(特别位于沿海地区的一些老站)，加上冰冻、台风的附加作用，最终导致避雷针的风化加剧并断裂。由于现在的变电所以户外布置为主，倒塌的避雷针很可能会砸到户外高压设备的带电部位(如主变引线桥、输电线进户线)，导致设备损坏或大面积停电；也可能砸到运维或站内工作人员，造成安全事故[4]。

综上，重视避雷针的可靠和稳定不但必要，而且迫切。

2 解决思路

鉴于避雷针的薄弱部位在上下杆件间的法兰部位[5]，因此加强避雷针稳定和可靠就要从该处着手。研究思路：①在上下两层法兰连接处增加底座法兰用于二次固定避雷针的上下杆件；②为防止极端情况下避雷针断裂，采用倒角卡扣设计防倒支杆，以使避雷针断而不倒，给维修人员充足时间来来抢修避雷针设备。

3 实际研发

根据以上思路，形成分段式避雷针防倒装置如图1、图2所示。其中图1是避雷针防断杆固件主视图、图2是避雷针防断杆固件俯视图。

避雷针的防断杆固件由大小不同的钢管组成，钢管结构便于加工，运输、成品制作工艺熟练、结构合理、构造简单、基础占地面积小、表面易处理、耐久性好。材质为避雷针通用的Q235镀锌钢板。

特征导读：①底座法兰用于固定避雷针的上下法兰。②因倒角卡扣的形状为特殊设计，任何角度都可以抓住断裂的避雷针杆件。③防倒支角在避雷针断杆，在上面法兰倾斜时变形，与避雷针侧面产生巨大的摩擦力，挡住避雷针翻到的趋势(倒角卡扣可迅速勾住避雷针上法兰，形成一个向上的拉力)，使避雷针倾倒在微小的一个倾斜角度，并处于稳定在一个状态，同时防倒支角可以整排作用，在一根变形后通过力传导到后面多根防倒支角，形成多根防倒支角一起作用拉紧，整体保证避雷针不断杆倒下。

图1 防倒装置主视图

图2 防倒装置俯视图

4 测试项目

在分段式避雷针防倒装置开发成功后，为了验证其功效，必须进行相关测试。具体如下。

(1)风荷载测试

垂直于结构及设备表面上的风荷载标准值按下计算：

式中：Wk为风荷载标准值(kN/m2)；βz为高度Z处的风振系数，避雷针取2；uz为风压高度变化系数；W0为基本风压值(kN/m2)，不得小于0.35kN/m2。

(2)截面强度验算

式中：σi为第i段底部最大应力；Ni为第i段底部轴力(kN)；An为净截面面积；Mi为第i段底部最大弯矩值(kN·m)；为塑性截面发展系数，取1.15；为净截面抵抗矩；f为钢材强度设计值，对于避雷针场合，设计应力在标准荷载作用下不应超过80N/mm2；fa为受弯构件局部稳定的强度设计值(取2.52)。

5 应用情况

在分段式避雷针防倒装置研发成功，经过技术测试及权威机构的检测后，国网宁波供电公司将其推广应用到下辖各变电所。

安装方法：①将原来的避雷针上的两片法兰打开，将上半段的防倒支杆插入避雷针的上半段；②将下半段的防倒支杆插入避雷针的下半段；③将上面的法兰的螺栓孔与下面的法兰的螺栓孔跟底座法兰螺栓成一条直线，把螺栓固定紧，即可完成安装。

经过近一年的运行，效果统计见表1所示。注：所谓断裂隐患，指运维人员在台风期间观察到的避雷针上下杆段出现移位、剧烈晃动等情形。

表1 避雷针防倒装置使用效果

结论：①防倒支杆不仅起到支撑作用，还有可以起到一定防倾倒功能；②避雷针防倒部件是一种运用在变电站避雷针上的新型产品；③该产品可以运用在老的变电站的避雷针改造项目，特别适合沿海地区老式的变电站(这些变电站中的避雷针往往由于年久、冰冻、酸雨、台风等因素而不同程度出现避雷针螺栓内部断裂情形，非常有可能造成整枝避雷针的倒塌)；④在新建的变电站避雷针也可以提前预装，非常实用。

6 延伸研究

避雷针为分级构造[6]，除了开发专门的防倒装置予以加固外，还可从避雷针的结构更新角度进行防翻倒研究。

图3和图4所示为一种笔套型垂直套筒安装的新型避雷针的主视图和俯视图设想。

图3 新型防倒避雷针主视图

图4 新型防倒避雷针俯视图

制作细目：①在上避雷针的底部加长一部分喇叭口的套筒管；②下避雷针上部同时加长了一部分倒着喇叭口的套筒管；③上端避雷针可以套装进下避雷针上端，通过定位卡旋转与法兰上的螺栓来固定整根避雷针；④上端的避雷针底部法兰改成圆环型法兰，底部镂空，工厂一次性铸造成型，可以嵌入下避雷针的法兰，可以防止寒冷天气形成两块法兰造成冰裂，稳定避雷针。

特征导读：①每段避雷针都是笔套型，可以自由组合尺寸。②每个连接部的法兰都是覆盖安装，可以防止冰裂现象。③加长的受力支点，可以加强侧面的受力程度，避免撞击，台风使得避雷针倒塌引起的事故。④避雷针安装方便，在地面组装部件，直接吊起组装好的部件，吊入底部基座，自动套入套筒，不在需要吊装器械长期保持一定姿势完成安装老式避雷针安装方法。

笔套型垂直套筒安装的新型避雷针一种运用在变电站，高铁线路上的新型避雷针产品。使用方法：在工厂制作好多段避雷针部件，设备运至现场后，将第一段的避雷针固定在水泥基座上，做好接地部件，用起吊设备将第二段避雷针吊起，将第二段避雷针下套筒套入第一段上套筒，然后用螺栓固定法兰，依次逐个安装。

7 结语

本文针对避雷针防倒进行了细致的研究，主要成果为：

(1)针对老旧避雷针的改造，提出一种基于防断裂后倾倒考量的避雷针防倒装置设计。

该装置依托加强底座和倒角卡扣来避免避雷针因断裂而坠落。具体为：在避雷针上下两层法兰连接处用底座法兰来二次固定避雷针的上下杆件，用于在避雷针断裂时，迅速勾住避雷针上法兰，形成一个向上的拉力，防倒支角迅速向避雷针侧壁延伸，整排防倒支角勾住避雷针，依靠防倒支杆的强大韧性拉力，保证避雷针法兰在发生连接处断裂时保证避雷针不断杆倒下。

(2)针对新避雷针的建设，提出一种笔套型垂直套筒安装的新产品。该产品兼顾安装方便和防倒考量，抗风性能好。由于采用套式安装使用，每个避雷针的受力支点上升，加大避雷针侧面受力力矩距离，侧面受力可以得到加强，对避雷针抗击大型台风起到稳定的作用，防止因避雷针倒塌引起的事故。该产品可以运用在老的变电站的避雷针改造项目，特别适合沿海地区老式的变电站避雷针由于年久后，由于冰冻，台风时，由于避雷针螺栓在风化下断裂，会导致整个塔体的倒塌形成事故。在新建的变电站避雷针也可以提前预装，非常实用。

[1]吴江,刘成鹏．浅谈变电所避雷针设计要点[J]．大众科技, 2014,33(9):48-50．

[2]张宗九．220kV元江变电所避雷针倒下事故分析[J]．江苏电力技术,2009,20(1):26-28．

[3]中华人民共和国能源部．35-110kV变电所设计规范(GB50059-92)[S]．北京:中国计划出版社,1992．

[4]中华人民共和国机械工业部．建筑物防雷设计规范(GB 50057-94)[S]．北京:中国计划出版社,2001．

[5]张遂平．变电所的防雷措施[J]．甘肃科技,2013,22(1):45-46．

[6]贺体龙,钟建民,杨军起, 等．变电所防雷保护的探讨[J]．甘肃科技,2014,20(3):125-127．

王敬波（1962—），男，河北邯郸人，大学本科，高级人力资源管理师，宁波市电力设计院有限公司院长，主要从事电力设计管理工作。

张灿江（1973—），男，浙江余姚人，硕士，工程师，宁波市电力设计院有限公司主管院长，主要从事电力工程设计管理工作。

金权（1976—），男，浙江宁波人，硕士，高级工程师，土建室主任，现供职于宁波市电力设计院有限公司，主要从事电力工程变电站土建设计工作。

牛文栋（1986—），男，浙江宁波人，大学本科，助理工程师，现供职于宁波市电力设计院有限公司，主要从事电力工程变电站土建设计工作。

周东杰（1987—），男，浙江宁波人，大学本科，助理工程师，现供职于宁波市电力设计院有限公司，主要从事电力工程变电站土建设计工作。