寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司 王敬波 張燦江 金 權(quán) 牛文棟 周東杰

分段式避雷針防倒裝置的研究與開發(fā)

寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司 王敬波 張燦江 金 權(quán) 牛文棟 周東杰

避雷針對(duì)于防直擊雷有著重要的作用。文章首先就變電所避雷針運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行描述，提出防止避雷針倒塌的必要性；其次針對(duì)避雷針的結(jié)構(gòu)，提出防倒裝置的開發(fā)思路，并進(jìn)行具體設(shè)計(jì)；再次對(duì)研究成果的應(yīng)用情況進(jìn)行分析；最后從其他角度就加強(qiáng)避雷針安全穩(wěn)定提出見解。文章的研究層次清晰、內(nèi)容詳實(shí)，可作為相關(guān)工作的有效參考。

避雷針；防倒裝置；截面強(qiáng)度；風(fēng)載荷

變電所是電網(wǎng)的中樞，承擔(dān)電力的變換、中轉(zhuǎn)和分配重任[1]。但由于變電所與眾多輸變電線路相連，求一般地處空曠區(qū)域，因此遭受雷擊的可能性比較大。做好變電所防雷工作是實(shí)現(xiàn)“多供電、供好電”目標(biāo)的必要條件之一。避雷針在變電所防雷中承擔(dān)重要角色，它能夠?qū)⒅睋衾椎木薮竽芰坑枰运查g釋放[2]，保護(hù)主變、高壓開關(guān)乃至人身的安全。本章將根據(jù)當(dāng)前變電所避雷針運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對(duì)性研究。

1 問題的提出

當(dāng)前，變電所避雷針布置一般為多支、等高、獨(dú)立設(shè)立的形式，材質(zhì)為鍍鋅鋼管[3]。因避雷針有高度要求，其結(jié)構(gòu)一般為分段組裝(通過法蘭)。應(yīng)該說，新投運(yùn)的避雷針在整體上是比較可靠的。

但由于該設(shè)備不直接參與電力分配，日常運(yùn)維中往往不被充分重視(當(dāng)前的防雷檢查項(xiàng)目多以接地電阻測試、接地網(wǎng)開挖等為主)，導(dǎo)致長久運(yùn)行后法蘭螺栓生銹而不被察覺(特別位于沿海地區(qū)的一些老站)，加上冰凍、臺(tái)風(fēng)的附加作用，最終導(dǎo)致避雷針的風(fēng)化加劇并斷裂。由于現(xiàn)在的變電所以戶外布置為主，倒塌的避雷針很可能會(huì)砸到戶外高壓設(shè)備的帶電部位(如主變引線橋、輸電線進(jìn)戶線)，導(dǎo)致設(shè)備損壞或大面積停電；也可能砸到運(yùn)維或站內(nèi)工作人員，造成安全事故[4]。

綜上，重視避雷針的可靠和穩(wěn)定不但必要，而且迫切。

2 解決思路

鑒于避雷針的薄弱部位在上下桿件間的法蘭部位[5]，因此加強(qiáng)避雷針穩(wěn)定和可靠就要從該處著手。研究思路：①在上下兩層法蘭連接處增加底座法蘭用于二次固定避雷針的上下桿件；②為防止極端情況下避雷針斷裂，采用倒角卡扣設(shè)計(jì)防倒支桿，以使避雷針斷而不倒，給維修人員充足時(shí)間來來搶修避雷針設(shè)備。

3 實(shí)際研發(fā)

根據(jù)以上思路，形成分段式避雷針防倒裝置如圖1、圖2所示。其中圖1是避雷針防斷桿固件主視圖、圖2是避雷針防斷桿固件俯視圖。

避雷針的防斷桿固件由大小不同的鋼管組成，鋼管結(jié)構(gòu)便于加工，運(yùn)輸、成品制作工藝熟練、結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)造簡單、基礎(chǔ)占地面積小、表面易處理、耐久性好。材質(zhì)為避雷針通用的Q235鍍鋅鋼板。

特征導(dǎo)讀：①底座法蘭用于固定避雷針的上下法蘭。②因倒角卡扣的形狀為特殊設(shè)計(jì)，任何角度都可以抓住斷裂的避雷針桿件。③防倒支角在避雷針斷桿，在上面法蘭傾斜時(shí)變形，與避雷針側(cè)面產(chǎn)生巨大的摩擦力，擋住避雷針翻到的趨勢(倒角卡扣可迅速勾住避雷針上法蘭，形成一個(gè)向上的拉力)，使避雷針傾倒在微小的一個(gè)傾斜角度，并處于穩(wěn)定在一個(gè)狀態(tài)，同時(shí)防倒支角可以整排作用，在一根變形后通過力傳導(dǎo)到后面多根防倒支角，形成多根防倒支角一起作用拉緊，整體保證避雷針不斷桿倒下。

圖1 防倒裝置主視圖

圖2 防倒裝置俯視圖

4 測試項(xiàng)目

在分段式避雷針防倒裝置開發(fā)成功后，為了驗(yàn)證其功效，必須進(jìn)行相關(guān)測試。具體如下。

(1)風(fēng)荷載測試

垂直于結(jié)構(gòu)及設(shè)備表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下計(jì)算：

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，避雷針取2；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓值(kN/m2)，不得小于0.35kN/m2。

(2)截面強(qiáng)度驗(yàn)算

式中：σi為第i段底部最大應(yīng)力；Ni為第i段底部軸力(kN)；An為凈截面面積；Mi為第i段底部最大彎矩值(kN·m)；為塑性截面發(fā)展系數(shù)，取1.15；為凈截面抵抗矩；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于避雷針場合，設(shè)計(jì)應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下不應(yīng)超過80N/mm2；fa為受彎構(gòu)件局部穩(wěn)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(取2.52)。

5 應(yīng)用情況

在分段式避雷針防倒裝置研發(fā)成功，經(jīng)過技術(shù)測試及權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測后，國網(wǎng)寧波供電公司將其推廣應(yīng)用到下轄各變電所。

安裝方法：①將原來的避雷針上的兩片法蘭打開，將上半段的防倒支桿插入避雷針的上半段；②將下半段的防倒支桿插入避雷針的下半段；③將上面的法蘭的螺栓孔與下面的法蘭的螺栓孔跟底座法蘭螺栓成一條直線，把螺栓固定緊，即可完成安裝。

經(jīng)過近一年的運(yùn)行，效果統(tǒng)計(jì)見表1所示。注：所謂斷裂隱患，指運(yùn)維人員在臺(tái)風(fēng)期間觀察到的避雷針上下桿段出現(xiàn)移位、劇烈晃動(dòng)等情形。

表1 避雷針防倒裝置使用效果

結(jié)論：①防倒支桿不僅起到支撐作用，還有可以起到一定防傾倒功能；②避雷針防倒部件是一種運(yùn)用在變電站避雷針上的新型產(chǎn)品；③該產(chǎn)品可以運(yùn)用在老的變電站的避雷針改造項(xiàng)目，特別適合沿海地區(qū)老式的變電站(這些變電站中的避雷針往往由于年久、冰凍、酸雨、臺(tái)風(fēng)等因素而不同程度出現(xiàn)避雷針螺栓內(nèi)部斷裂情形，非常有可能造成整枝避雷針的倒塌)；④在新建的變電站避雷針也可以提前預(yù)裝，非常實(shí)用。

6 延伸研究

避雷針為分級(jí)構(gòu)造[6]，除了開發(fā)專門的防倒裝置予以加固外，還可從避雷針的結(jié)構(gòu)更新角度進(jìn)行防翻倒研究。

圖3和圖4所示為一種筆套型垂直套筒安裝的新型避雷針的主視圖和俯視圖設(shè)想。

圖3 新型防倒避雷針主視圖

圖4 新型防倒避雷針俯視圖

制作細(xì)目：①在上避雷針的底部加長一部分喇叭口的套筒管；②下避雷針上部同時(shí)加長了一部分倒著喇叭口的套筒管；③上端避雷針可以套裝進(jìn)下避雷針上端，通過定位卡旋轉(zhuǎn)與法蘭上的螺栓來固定整根避雷針；④上端的避雷針底部法蘭改成圓環(huán)型法蘭，底部鏤空，工廠一次性鑄造成型，可以嵌入下避雷針的法蘭，可以防止寒冷天氣形成兩塊法蘭造成冰裂，穩(wěn)定避雷針。

特征導(dǎo)讀：①每段避雷針都是筆套型，可以自由組合尺寸。②每個(gè)連接部的法蘭都是覆蓋安裝，可以防止冰裂現(xiàn)象。③加長的受力支點(diǎn)，可以加強(qiáng)側(cè)面的受力程度，避免撞擊，臺(tái)風(fēng)使得避雷針倒塌引起的事故。④避雷針安裝方便，在地面組裝部件，直接吊起組裝好的部件，吊入底部基座，自動(dòng)套入套筒，不在需要吊裝器械長期保持一定姿勢完成安裝老式避雷針安裝方法。

筆套型垂直套筒安裝的新型避雷針一種運(yùn)用在變電站，高鐵線路上的新型避雷針產(chǎn)品。使用方法：在工廠制作好多段避雷針部件，設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場后，將第一段的避雷針固定在水泥基座上，做好接地部件，用起吊設(shè)備將第二段避雷針吊起，將第二段避雷針下套筒套入第一段上套筒，然后用螺栓固定法蘭，依次逐個(gè)安裝。

7 結(jié)語

本文針對(duì)避雷針防倒進(jìn)行了細(xì)致的研究，主要成果為：

(1)針對(duì)老舊避雷針的改造，提出一種基于防斷裂后傾倒考量的避雷針防倒裝置設(shè)計(jì)。

該裝置依托加強(qiáng)底座和倒角卡扣來避免避雷針因斷裂而墜落。具體為：在避雷針上下兩層法蘭連接處用底座法蘭來二次固定避雷針的上下桿件，用于在避雷針斷裂時(shí)，迅速勾住避雷針上法蘭，形成一個(gè)向上的拉力，防倒支角迅速向避雷針側(cè)壁延伸，整排防倒支角勾住避雷針，依靠防倒支桿的強(qiáng)大韌性拉力，保證避雷針法蘭在發(fā)生連接處斷裂時(shí)保證避雷針不斷桿倒下。

(2)針對(duì)新避雷針的建設(shè)，提出一種筆套型垂直套筒安裝的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品兼顧安裝方便和防倒考量，抗風(fēng)性能好。由于采用套式安裝使用，每個(gè)避雷針的受力支點(diǎn)上升，加大避雷針側(cè)面受力力矩距離，側(cè)面受力可以得到加強(qiáng)，對(duì)避雷針抗擊大型臺(tái)風(fēng)起到穩(wěn)定的作用，防止因避雷針倒塌引起的事故。該產(chǎn)品可以運(yùn)用在老的變電站的避雷針改造項(xiàng)目，特別適合沿海地區(qū)老式的變電站避雷針由于年久后，由于冰凍，臺(tái)風(fēng)時(shí)，由于避雷針螺栓在風(fēng)化下斷裂，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)塔體的倒塌形成事故。在新建的變電站避雷針也可以提前預(yù)裝，非常實(shí)用。

[1]吳江,劉成鵬．淺談變電所避雷針設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]．大眾科技, 2014,33(9):48-50．

[2]張宗九．220kV元江變電所避雷針倒下事故分析[J]．江蘇電力技術(shù),2009,20(1):26-28．

[3]中華人民共和國能源部．35-110kV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50059-92)[S]．北京:中國計(jì)劃出版社,1992．

[4]中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部．建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50057-94)[S]．北京:中國計(jì)劃出版社,2001．

[5]張遂平．變電所的防雷措施[J]．甘肅科技,2013,22(1):45-46．

[6]賀體龍,鐘建民,楊軍起, 等．變電所防雷保護(hù)的探討[J]．甘肅科技,2014,20(3):125-127．

王敬波（1962—），男，河北邯鄲人，大學(xué)本科，高級(jí)人力資源管理師，寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司院長，主要從事電力設(shè)計(jì)管理工作。

張燦江（1973—），男，浙江余姚人，碩士，工程師，寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司主管院長，主要從事電力工程設(shè)計(jì)管理工作。

金權(quán)（1976—），男，浙江寧波人，碩士，高級(jí)工程師，土建室主任，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設(shè)計(jì)工作。

牛文棟（1986—），男，浙江寧波人，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設(shè)計(jì)工作。

周東杰（1987—），男，浙江寧波人，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)供職于寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設(shè)計(jì)工作。