[發明專利]避免渦激共振對鋼管避雷針機械強度影響的方法

在審

• 申請號: 201811346715.7
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109768474A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 孫濤
• 申請（專利權）人: 國網甘肅省電力公司電力科學研究院
• 主分類號: H01T19/04
• 分類號: H01T19/04;G06F17/10
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 談杰

本發提出一種卡門渦街現象對鋼管避雷針機械強度的影響計算方法；以及提出避免卡門渦街作用形成的渦激共振現象對鋼管避雷針強度影響的方法。該方法包括以下步驟：一、計算避雷針渦振疲勞壽命；步驟為：(1)估算起振臨界風速；(2)計算渦激力；(3)計算渦激疲勞應力；(4)計算鋼管避雷針基頻；(5)估算渦激疲勞壽命；二、依據現有220kV、330kV、500kV、750kV變電站構架避雷針結構參數，利用上述計算方法對可能的一階、二階起振臨界風速進行估算；三、根據計算結果，在獨立式鋼管避雷針的外表，布置矩形擾流板，纏繞螺旋線或包裹帶有螺旋肋條的外衣，以及設置交錯的魚鰭板。

技術領域

本發明屬于電學領域，具體涉及一種避免渦激共振對鋼管避雷針機械強度影響的方法。

背景技術

避雷針作為電力系統和工農業生產的一種重要直擊雷防護設備，其結構多樣、規格不一。在電力系統的超、特高壓變電站中，為防止雷電過電壓損壞變電設備及其附屬設施，一種普遍的方法是利用避雷針和避雷線防止直擊雷過電壓。

進幾年來，隨著電網規模的不斷擴大，大量的鋼管式架構避雷針被大量用到變電站和發電廠中，這種鋼管避雷針以其設計簡單、安裝方便、運行維護工作量小等諸多優勢迅速在新建超、特高壓變電工程普及使用。

隨著運行經驗的不斷積累，人們對這種結構的避雷針的特定也有了相當程度的了解，但自 2015年5月以來，西北地區的新疆和甘肅境內750kV變電站接連發生兩起鋼管架構避雷針在大風天氣時從底部法蘭連接處斷裂跌落事故，事故調查分析得認為：在事故當日的大風氣候下，這種變截面的鋼管避雷針的設計機械強度完全能夠滿足要求，還留有適當裕度，但是從現場的斷裂避雷針法連連接螺栓斷裂截面觀察，發現8個螺栓中有3個斷裂面有超過60％銹蝕，剩余螺栓無法滿足大風天氣內避雷針強度要求。因此，初步排除設計原因。

另一方面，設計時考慮的風速為100年一遇的極限風速，通過極值I型分布模型換算后得出最大的平均風速，再通過公式折算到相應高度處，求出不同高度的最大風速，作為設計依據。這種方法一直是國內各大電力勘測設計單位的通用做法。但為什么通過這種方法設計出來的鋼管避雷針在國內其他地未發生故障，卻僅在西北地區發生呢，通過流體力學內容和事故分析，最終發現，在設計避雷針時忽略了卡門渦街對避雷針的影響，卡門渦街作用在鋼管避雷針上，在一定風速作用時，引起避雷針渦激共振，此時避雷針振蕩最為劇烈，振幅最大，共振引起螺栓橫截面部分剪斷，機械強度降低，然后在故障日斷裂，因此，必須采取措施消除卡門渦街引起的渦激共振對避雷針機械強度的影響，才能保證按原有設計方法設計的避雷針強度滿足要求。

但目前，避雷針設計還未考慮這種影響，本專利將考慮這種影響，并展開相應工作。

發明內容

本發明的目的在于，提出一種卡門渦街現象對鋼管避雷針機械強度的影響計算方法；以及提出避免卡門渦街作用形成的渦激共振現象對鋼管避雷針強度影響的方法。

該方法包括以下步驟：

一、計算避雷針渦振疲勞壽命；步驟為：(1)估算起振臨界風速；(2)計算渦激力；(3) 計算渦激疲勞應力；(4)計算鋼管避雷針基頻；(5)估算渦激疲勞壽命；

二、依據現有220kV、330kV、500kV、750kV變電站構架避雷針結構參數，利用上述計算方法對可能的一階、二階起振臨界風速進行估算；

三、根據計算結果，在獨立式鋼管避雷針的外表，布置矩形擾流板，纏繞螺旋線或包裹帶有螺旋肋條的外衣，以及設置交錯的魚鰭板。

進一步的，步驟一中計算步驟為：

(1)起振臨界風速估算

取鋼管避雷針長度l為27m，以中間截面表征整個結構的計算截面，外徑D為0.47m，回轉半徑i_x為0.164m，避雷針長細比λ＝l/i_x為164，懸臂約束，其一階起振臨界風速為：