不同形式的构架上避雷针性能对比分析

徐 帅，张涵宁

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

在变电站和电厂设计中常用的构架上避雷针形式包括变断面单杆式钢管和角钢格构式。角钢格构式避雷针横截面为矩形或三角形，主材一般为角钢或钢管，辅材为角钢，格构式避雷针取材容易，不受加工条件限制，但由于杆件多，螺栓连接或焊接工程量较大，导致加工安装比较复杂;另外，由于格构式避雷针是空间杆系结构，计算和绘图工作量较大。变断面单杆式钢管避雷针优点是杆件较少，与角钢格构式避雷针相比，单杆式钢管避雷针由几根锥形钢管套接而成，设计加工和安装都比较简单，大大减少了设计和施工工作量。构架上的单杆式钢管独立避雷针根据高度不同一般由3～5段组成，受镀锌槽及运输条件等限制，每段钢管杆件的长度一般不超过12 m。避雷针下部由几根锥形管套接而成，采用插接方式连接简单，但为了避免亚临界的微风共振影响，所需杆件的截面较大［1－3］。下面以某500 kV变电站工程为例，对变断面单杆式钢管和角钢格构式两种避雷针的受力性能以及用钢量情况进行对比和分析。

1 工程概况

某500 kV变电站为了满足电气保护需要，需要在站中220 kV过渡构架上设置避雷针。

该变电站站址所在地10 m高度处50年一遇10 min的平均最大风速为29.9 m/s，其相应的基本风压为0.56 kN/m2。避雷针位于15.5 m高的构架之上，假定针尖长度1.5 m，避雷针主体长度为18 m，构架上避雷针示意图见图1，图中单位为m。下面采用MIDAS结构分析软件对2种构架上避雷针的受力性能进行分析。

图1 构架上避雷针示意图

2 避雷针性能对比分析

2.1 避雷针设计参数及计算模型

本研究中避雷针钢材采用Q345B级，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为 200 GPa，泊松比为 0.3。避雷针承受的荷载主要有自重及风荷载。2种形式避雷针模型以及加载示意图分别见图2、图3。

图2 构架上避雷针模型

图3 模型加载示意图

变断面单杆式钢管避雷针顶部管径D1=410 mm，底部管径D2=476 mm。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中第8.5.3条规定计算，变断面单杆式钢管避雷针结构基本自振周期T=0.234 s，按照公式(1)(2)计算临界风速vcr和结构顶部风速vH:

式中:D为结构截面的直径，当结构的截面沿高度缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3结构高度处的直径;Ti为结构第i阵型的自振周期，验算亚临界微风共振时取基本自振周期T1;St为斯托罗哈数，对圆截面结构取0.2;μH为结构顶部风压高度变化系数;w0为基准风压;ρ为空气密度。

计算得到 vcr=9.70 m/s，vH=35.44 m/s。

根据GB 50009—2012，按照公式(3)计算雷诺数Re:

式中:v为计算所用风速，可取临界风速值vcr。

计算得到 Re=300 164.5。雷诺数3×105≤Re≤3×106时，发生超临界范围的风振，可不考虑横向风振作用。

角钢格构式避雷针底部跟开为0.5 m，顶部宽度为0.25 m。自下而上0～6m高度范围内节间尺寸为0.75 m，6～18 m高度范围内节间尺寸为0.5 m。构架上避雷针边界条件假定为铰接。

2.2 性能对比分析

运用MIDAS结构分析软件，依照荷载规范［4］的荷载组合情况，分别得到2种形式避雷针的应力、变形以及用钢量情况，2种形式避雷针的应力比见图4。

图4 避雷针应力比

通过分析可知，2种形式的避雷针在荷载作用下，变断面单杆式钢管避雷针最大应力为65.8 MPa，角钢格构式避雷针杆件最大应力为 105.9 MPa，两者均低于设计应力，结合图4的杆件应力比可以发现，角钢格构式避雷针杆件的使用效能更高。而2种形式避雷针的最大变形出现在结构顶部，变断面单杆式钢管避雷针最大变形为98.5 mm，角钢格构式避雷针最大变形为47.9 mm，前者约为后者的2倍，两者的最大变形均小于结构高度的1/100。

在用钢量方面，变断面单杆式钢管避雷针需用钢材1 507 kg，而角钢格构式避雷针所需钢材为1 115 kg，后者用钢量约为前者的74%。

由于变断面单杆式钢管避雷针为了保证其发生超临界范围的风振，避免受到横向风振作用的影响，杆件截面直径相对较大，从而整体用钢量高于角钢格构式避雷针。在风荷载作用下，由于角钢格构式避雷针的杆件较多，跟开是变断面单杆式钢管避雷针底部直径的2倍以上，前者总的挡风面积大于后者，导致前者承受较大的风荷载，前者的杆件最大应力相应大于后者。同时，角钢格构式避雷针整体刚度优于变断面单杆式钢管避雷针，在荷载作用下的最大变形小于变断面单杆式钢管避雷针，也意味着在实际应用中顶部针尖的摆动更小，给人更高的感观安全性。

对于设计人员而言，采用变断面单杆式钢管避雷针首先需要判断其是否出现跨临界强风共振，如果 Re＜3×105，或 Re≥3.5×106时，还需进一步确定vH值，才能判别横风向风振情况，增加了设计过程的复杂性。

3 结论

a.本文运用MIDAS结构分析软件对变电站构架上2种形式避雷针进行受力分析，分别得到两者的受力和变形情况。2种形式构架上避雷针，在满足规范［4-6］要求的前提下，变断面单杆式钢管避雷针使用效能低于角钢格构式避雷针。在变形方面，变断面单杆式钢管避雷针的高于角钢格构式避雷针。而在用钢量方面，角钢格构式避雷针约为变断面单杆式钢管式的74%。

b.针对2种构架上避雷针的研究，可以看出尽管角钢格构式避雷针的杆件较多，安装相比与变断面单杆式钢管避雷针较为复杂，但从结构性能、安全性和经济性角度综合考虑，角钢格构式避雷针优于变断面单杆式钢管避雷针。