分段式避雷針防倒裝置的研究與開發(fā)

寧波市電力設計院有限公司 王敬波 張燦江 金 權 牛文棟 周東杰

分段式避雷針防倒裝置的研究與開發(fā)

寧波市電力設計院有限公司 王敬波 張燦江 金 權 牛文棟 周東杰

避雷針對于防直擊雷有著重要的作用。文章首先就變電所避雷針運行現狀進行描述，提出防止避雷針倒塌的必要性；其次針對避雷針的結構，提出防倒裝置的開發(fā)思路，并進行具體設計；再次對研究成果的應用情況進行分析；最后從其他角度就加強避雷針安全穩(wěn)定提出見解。文章的研究層次清晰、內容詳實，可作為相關工作的有效參考。

避雷針；防倒裝置；截面強度；風載荷

變電所是電網的中樞，承擔電力的變換、中轉和分配重任[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現“多供電、供好電”目標的必要條件之一。避雷針在變電所防雷中承擔重要角色，它能夠將直擊雷的巨大能量予以瞬間釋放[2]，保護主變、高壓開關乃至人身的安全。本章將根據當前變電所避雷針運行中出現的問題進行針對性研究。

1 問題的提出

當前，變電所避雷針布置一般為多支、等高、獨立設立的形式，材質為鍍鋅鋼管[3]。因避雷針有高度要求，其結構一般為分段組裝(通過法蘭)。應該說，新投運的避雷針在整體上是比較可靠的。

但由于該設備不直接參與電力分配，日常運維中往往不被充分重視(當前的防雷檢查項目多以接地電阻測試、接地網開挖等為主)，導致長久運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、臺風的附加作用，最終導致避雷針的風化加劇并斷裂。由于現在的變電所以戶外布置為主，倒塌的避雷針很可能會砸到戶外高壓設備的帶電部位(如主變引線橋、輸電線進戶線)，導致設備損壞或大面積停電；也可能砸到運維或站內工作人員，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，采用倒角卡扣設計防倒支桿，以使避雷針斷而不倒，給維修人員充足時間來來搶修避雷針設備。

3 實際研發(fā)

根據以上思路，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，鋼管結構便于加工，運輸、成品制作工藝熟練、結構合理、構造簡單、基礎占地面積小、表面易處理、耐久性好。材質為避雷針通用的Q235鍍鋅鋼板。

特征導讀：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計，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，在上面法蘭傾斜時變形，與避雷針側面產生巨大的摩擦力，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，形成一個向上的拉力)，使避雷針傾倒在微小的一個傾斜角度，并處于穩(wěn)定在一個狀態(tài)，同時防倒支角可以整排作用，在一根變形后通過力傳導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 測試項目

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

(1)風荷載測試

垂直于結構及設備表面上的風荷載標準值按下計算：

式中：Wk為風荷載標準值(kN/m2)；βz為高度Z處的風振系數，避雷針取2；uz為風壓高度變化系數；W0為基本風壓值(kN/m2)，不得小于0.35kN/m2。

(2)截面強度驗算

式中：σi為第i段底部最大應力；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，取1.15；為凈截面抵抗矩；f為鋼材強度設計值，對于避雷針場合，設計應力在標準荷載作用下不應超過80N/mm2；fa為受彎構件局部穩(wěn)定的強度設計值(取2.52)。

5 應用情況

在分段式避雷針防倒裝置研發(fā)成功，經過技術測試及權威機構的檢測后，國網寧波供電公司將其推廣應用到下轄各變電所。

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。

經過近一年的運行，效果統計見表1所示。注：所謂斷裂隱患，指運維人員在臺風期間觀察到的避雷針上下桿段出現移位、劇烈晃動等情形。

表1 避雷針防倒裝置使用效果

結論：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用在變電站避雷針上的新型產品；③該產品可以運用在老的變電站的避雷針改造項目，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、臺風等因素而不同程度出現避雷針螺栓內部斷裂情形，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裝，非常實用。

6 延伸研究

避雷針為分級構造[6]，除了開發(fā)專門的防倒裝置予以加固外，還可從避雷針的結構更新角度進行防翻倒研究。

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下避雷針上端，通過定位卡旋轉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。

特征導讀：①每段避雷針都是筆套型，可以自由組合尺寸。②每個連接部的法蘭都是覆蓋安裝，可以防止冰裂現象。③加長的受力支點，可以加強側面的受力程度，避免撞擊，臺風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用在變電站，高鐵線路上的新型避雷針產品。使用方法：在工廠制作好多段避雷針部件，設備運至現場后，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，依次逐個安裝。

7 結語

本文針對避雷針防倒進行了細致的研究，主要成果為：

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

該裝置依托加強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，迅速勾住避雷針上法蘭，形成一個向上的拉力，防倒支角迅速向避雷針側壁延伸，整排防倒支角勾住避雷針，依靠防倒支桿的強大韌性拉力，保證避雷針法蘭在發(fā)生連接處斷裂時保證避雷針不斷桿倒下。

(2)針對新避雷針的建設，提出一種筆套型垂直套筒安裝的新產品。該產品兼顧安裝方便和防倒考量，抗風性能好。由于采用套式安裝使用，每個避雷針的受力支點上升，加大避雷針側面受力力矩距離，側面受力可以得到加強，對避雷針抗擊大型臺風起到穩(wěn)定的作用，防止因避雷針倒塌引起的事故。該產品可以運用在老的變電站的避雷針改造項目，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，臺風時，由于避雷針螺栓在風化下斷裂，會導致整個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裝，非常實用。

[1]吳江,劉成鵬．淺談變電所避雷針設計要點[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,2009,20(1):26-28．

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

[4]中華人民共和國機械工業(yè)部．建筑物防雷設計規(guī)范(GB 50057-94)[S]．北京:中國計劃出版社,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，大學本科，高級人力資源管理師，寧波市電力設計院有限公司院長，主要從事電力設計管理工作。

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

金權（1976—），男，浙江寧波人，碩士，高級工程師，土建室主任，現供職于寧波市電力設計院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設計工作。

牛文棟（1986—），男，浙江寧波人，大學本科，助理工程師，現供職于寧波市電力設計院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設計工作。

周東杰（1987—），男，浙江寧波人，大學本科，助理工程師，現供職于寧波市電力設計院有限公司，主要從事電力工程變電站土建設計工作。