避免涡激共振对钢管避雷针机械强度影响的方法与流程

本发明属于电学领域，具体涉及一种避免涡激共振对钢管避雷针机械强度影响的方法。

背景技术：

避雷针作为电力系统和工农业生产的一种重要直击雷防护设备，其结构多样、规格不一。在电力系统的超、特高压变电站中，为防止雷电过电压损坏变电设备及其附属设施，一种普遍的方法是利用避雷针和避雷线防止直击雷过电压。

进几年来，随着电网规模的不断扩大，大量的钢管式架构避雷针被大量用到变电站和发电厂中，这种钢管避雷针以其设计简单、安装方便、运行维护工作量小等诸多优势迅速在新建超、特高压变电工程普及使用。

随着运行经验的不断积累，人们对这种结构的避雷针的特定也有了相当程度的了解，但自2015年5月以来，西北地区的新疆和甘肃境内750kv变电站接连发生两起钢管架构避雷针在大风天气时从底部法兰连接处断裂跌落事故，事故调查分析得认为：在事故当日的大风气候下，这种变截面的钢管避雷针的设计机械强度完全能够满足要求，还留有适当裕度，但是从现场的断裂避雷针法连连接螺栓断裂截面观察，发现8个螺栓中有3个断裂面有超过60％锈蚀，剩余螺栓无法满足大风天气内避雷针强度要求。因此，初步排除设计原因。

另一方面，设计时考虑的风速为100年一遇的极限风速，通过极值i型分布模型换算后得出最大的平均风速，再通过公式折算到相应高度处，求出不同高度的最大风速，作为设计依据。这种方法一直是国内各大电力勘测设计单位的通用做法。但为什么通过这种方法设计出来的钢管避雷针在国内其他地未发生故障，却仅在西北地区发生呢，通过流体力学内容和事故分析，最终发现，在设计避雷针时忽略了卡门涡街对避雷针的影响，卡门涡街作用在钢管避雷针上，在一定风速作用时，引起避雷针涡激共振，此时避雷针振荡最为剧烈，振幅最大，共振引起螺栓横截面部分剪断，机械强度降低，然后在故障日断裂，因此，必须采取措施消除卡门涡街引起的涡激共振对避雷针机械强度的影响，才能保证按原有设计方法设计的避雷针强度满足要求。

但目前，避雷针设计还未考虑这种影响，本专利将考虑这种影响，并展开相应工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种卡门涡街现象对钢管避雷针机械强度的影响计算方法；以及提出避免卡门涡街作用形成的涡激共振现象对钢管避雷针强度影响的方法。

该方法包括以下步骤：

一、计算避雷针涡振疲劳寿命；步骤为：(1)估算起振临界风速；(2)计算涡激力；(3)计算涡激疲劳应力；(4)计算钢管避雷针基频；(5)估算涡激疲劳寿命；

二、依据现有220kv、330kv、500kv、750kv变电站构架避雷针结构参数，利用上述计算方法对可能的一阶、二阶起振临界风速进行估算；

三、根据计算结果，在独立式钢管避雷针的外表，布置矩形扰流板，缠绕螺旋线或包裹带有螺旋肋条的外衣，以及设置交错的鱼鳍板。

进一步的，步骤一中计算步骤为：

(1)起振临界风速估算

取钢管避雷针长度l为27m，以中间截面表征整个结构的计算截面，外径d为0.47m，回转半径ix为0.164m，避雷针长细比λ＝l/ix为164，悬臂约束，其一阶起振临界风速为：

vα1＝0.41×10⁵λ^-2

二阶起振临界风速

vα1＝2.54×10⁵λ^-2

(2)涡激力计算

假定涡激力以集中力作用于27m长避雷针的中间部位，其一阶涡激力和涡激力矩：

二阶涡激力和涡激力矩：

(3)涡激疲劳应力计算

采用套接方式后，基底整个环形截面共同承受涡激力作用下的弯剪应力，基底截面外径为0.8m，内径0.78m，环形截面面积a为0.0992m2，环形截面抗弯截面系数

各阶涡振弯剪应力计算

(4)钢管避雷针基频计算

在自然条件下，涡振发生时，多与结构的一阶及二阶基频发生锁定，即涡振频率与结构的一阶、二阶基频相一致；估算涡振累积频次，需要首先对结构的一、二阶基频进行计算；考虑到分析对象为变截面钢管结构，一般的简化计算公式无法获取准确的频率，故建立有限元模型，进行模态分析得到了钢管避雷针的一阶频率和二阶频率；

(5)涡激疲劳寿命估算

根据钢结构设计规范，微风振动钢管构件疲劳容许应力幅值计算

按第5类连接考虑，c的值为1.47x10¹²，β为3；大于一阶起振临界风速1.52m/s的风速几乎每时每刻都在发生，则一阶涡振的发生次数可按下式计算：

n1＝365×24×3600×1.04＝3.27×10⁷

对于二阶涡振，计算在二阶疲劳应力最大值的往复作用下，结构的最大耐受疲劳次数如下：

其中σ2max为二阶疲劳应力最大值，通过初试设计资料可以查询；假定全天24小时不间断发生涡振的情况下，最大耐受天数为：

附图说明

图1不同雷诺数下的卡门涡街；

图2交错鱼鳍板。

具体实施方式

卡门涡街现象是指在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街，不同雷诺数下的卡门涡街见图1。卡门涡街作用在钢管避雷针上，在一定风速作用时，引起避雷针涡激共振，此时避雷针振荡最为剧烈，振幅最大，共振引起避雷针固定螺栓横截面部分剪断，机械强度降低，最终断裂。

因此，为保证避雷针在各种气候条件尤其是在有风天气时机械强度满足设计要求，有必要对这种作用在避雷针上的卡门涡街现象进行研究，以确定涡激共振发生的条件，在设计时加以考虑，避免故障发生。

针对卡门涡街现象对钢管避雷针机械强度的影响计算方法

一、避雷针涡振疲劳寿命计算

鉴于疲劳开裂的随机性和非线性较强，准确的疲劳寿命预测还与真正发生涡振的次数密切相关，且现有的理论计算仅能针对等截面钢管涡激力进行计算，变截面钢管避雷针涡振研究不足，故当前仅能对套接钢管避雷针的涡振疲劳寿命进行估算，以下为具体的计算过程。

(1)起振临界风速估算

取钢管避雷针长度l为27m，以中间截面表征整个结构的计算截面，外径d为0.47m，回转半径ix为0.164m，避雷针长细比λ＝l/ix为164，悬臂约束，其一阶起振临界风速为：

vα1＝0.41×10⁵λ^-2(1)

二阶起振临界风速见式(2)。

vα1＝2.54×10⁵λ^-2(2)

经过计算，一阶起振临界风速为1.52m/s，二阶起振临界风速为9.41m/s。

(2)涡激力计算

假定涡激力以集中力作用于27m长避雷针的中间部位，其一阶涡激力和涡激力矩分别见式(3)、(4)。

二阶涡激力和涡激力矩分别见式(5)、(6)：

经过计算，一阶涡激力和涡激力矩为140.43n、1895n.m，二阶涡激力和涡激力矩为3337n、45053n.m。

(3)涡激疲劳应力计算

采用套接方式后，基底整个环形截面共同承受涡激力作用下的弯剪应力，基底截面外径为0.8m，内径0.78m，环形截面面积a为0.0992m2，环形截面抗弯截面系数见式(7)。

各阶涡振弯剪应力计算见式(8)。

经过计算，一阶和二阶涡振弯剪应力分别为0.394mpa、9.3mpa。

(4)钢管避雷针基频计算

在自然条件下，涡振发生时，多与结构的一阶及二阶基频发生锁定，即涡振频率与结构的一阶、二阶基频相一致。估算涡振累积频次，需要首先对结构的一、二阶基频进行计算。考虑到分析对象为变截面钢管结构，一般的简化计算公式无法获取准确的频率，故建立有限元模型，进行模态分析得到了钢管避雷针的一阶频率为1.04hz，二阶频率为4.94hz。

(5)涡激疲劳寿命估算

根据钢结构设计规范，微风振动钢管构件疲劳容许应力幅值计算见式(9)。

按第5类连接考虑，c的值为1.47x10¹²，β为3。大于一阶起振临界风速1.52m/s的风速几乎每时每刻都在发生，则一阶涡振的发生次数可按下式计算：

n1＝365×24×3600×1.04＝3.27×10⁷

则通过式(9)计算的一阶涡振容许应力幅值为35.5mpa。根据避雷针的初始设计资料中相关内容可知钢管避雷针的疲劳应力最大值低于上式计算结果，说明一阶涡振不会引起避雷针的疲劳破坏。

对于二阶涡振，计算在二阶疲劳应力最大值的往复作用下，结构的最大耐受疲劳次数如下：

其中σ2max为二阶疲劳应力最大值，通过初试设计资料可以查询。假定全天24小时不间断发生涡振的情况下，最大耐受天数为：

以上是经过简化后的钢管避雷针涡激共振疲劳寿命的计算步骤。

二、避免卡门涡街作用形成的涡激共振现象对钢管避雷针强度影响的方法

1、各电压等级变电构架避雷针起振风速估算

依据设计院提供的现有220kv、330kv、500kv、750kv变电站构架避雷针结构参数，利用上述计算方法对可能的一阶、二阶起振临界风速进行了估算，计算结果如表1所示。

2、气动控制措施的改善

卡门涡街对钢管避雷针机械强度的影响主要表现在涡激共振上，处于风场迎风侧最上游的钢管避雷针，在湍流强度较低的流场中和适宜的风速条件下，会发生涡激共振；而在涡激共振往复荷载的持续作用下，钢管避雷针底部法兰盘连接螺栓易发生疲劳开裂，使螺栓有效工作面积不断减小，直至某次大风天气过程发生时，带伤工作螺栓彻底断裂，最终导致钢管避雷针的整体倾倒。因此，要将卡门涡街对避雷针的影响降低到最小，就必须想方设法避免发生涡激共振，现有的改进措施是通过对避雷针气动控制措施的改善来避免涡激共振的产生。

气动控制措施通过改变钢管避雷针的气动外形，扰乱漩涡的规则脱落，从而避免了涡振的发生，是从根本上解决钢管避雷针涡振疲劳的有效措施。主要的实现方式包括：在独立式钢管避雷针的外表，以一定的角度间隔和间距沿管身布置矩形扰流板，缠绕螺旋线或包裹带有螺旋肋条的外衣，以及设置交错的鱼鳍板(如图2所示)。上述气动控制措施具体的结构参数(布置间距、高度、螺旋线径等)，均与钢管外径密切相关，不同尺寸的避雷针，需要设计不同的结构参数。

表1各电压等级架构避雷针临界风速

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。