一种钢管避雷装置的制作方法

本申请涉及输配电设备防灾减灾领域，更具体地，涉及一种基于气动外形进行控制的钢管避雷装置。

背景技术：

变电站钢管避雷针多为单悬臂支撑的圆台形构件，随着钢管避雷针长度的不断增加，长细比不断增大，导致钢管避雷针的1阶及2阶发起涡激振动的临界风速不断降低。在自然界常遇风速条件下，钢管避雷针发生横风向涡激振动，尤其是大幅度、高频次、可形成累积损失的2阶涡振的情况较多。近年来，在青海、新疆、甘肃等西北大风日数较多并且风力稳定的地区，引发了较多的钢管避雷针底部法兰盘或连接固定螺栓疲劳断裂事故。通过改变结构物的气动外形，而从根本上避免涡激振动的发生，在土木工程领域被广泛采用。但传统的扰流板并不适用于变截面的钢管避雷针，且扰流板会增大结构物所承受的静风压，并且会改变原有钢管避雷针的结构。现有技术没有公开用于钢管避雷针气动外形进行控制的装置。

技术实现要素：

随着钢管避雷针长度的不断增加，长细比不断增大，导致钢管避雷针起振临界风速不断降低，钢管避雷针发生横风向涡激振动，因此造成了很多钢管避雷针疲劳断裂事故。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于气动外形进行控制的钢管避雷装置，包括，

钢管避雷针，所述钢管避雷针安装于待保护物体的上表面并与所述上表面垂直，

多个抱箍，从所述钢管避雷针底部至顶部以预定间隔安装所述多个抱箍，所述抱箍用于安装扰流板，所述抱箍为半圆弧结构，所述抱箍的两端设置有连接板，并且所述连接板通过螺栓连接，以及

多个扰流板，安装在所述多个抱箍的每个抱箍上，所述扰流板上设置有碎涡孔，设置碎涡孔的扰流板用于降低风压，并且用于抑制涡振发生。

优选地，其特征在于，所述钢管避雷针外径为d，所述多个抱箍至少为4个，并且所述每个抱箍上安装的扰流板至少为3个。

优选地，其特征在于，所述每个抱箍上设置的扰流板个数为n个，所述扰流板沿所述钢管避雷针圆周间隔360°/n度均匀分布。

优选地，其特征在于，所述扰流板沿钢管避雷针截面径向的高度为h， h为所述钢管避雷针外径d的1/3；所述扰流板沿钢管避雷针轴向的长度l 为所述钢管避雷针外径d的2倍，所述多个抱箍中相邻两个抱箍沿轴线间距s的初始值为所述钢管避雷针外径d的5倍。

优选地，其特征在于，生成碎涡孔的算法步骤包括：

步骤1：随机生成每个碎涡孔半径，包括：所述每个碎涡孔的截面为半径不相同的圆形，将所述碎涡孔的截面的最大半径r_max设定为所述扰流板高度h的0.1倍，即0.1h，通过公式(1)，随机生成碎涡孔的截面的半径序列r_i；

其中f(r)为碎涡孔的截面最大半径r_max的最大熵分布概率密度函数，λ₀、λ_i为符合约束条件的系数，λ₀λ_i通过信息熵函数在约束条件下应用最大似然估计法来获取；R₁为预定的最大半径的约束条件下限值，R₂为预定的最大半径的约束条件上限值；u_i(r)为信息熵函数；m为信息熵函数的个数；

步骤2：生成碎涡孔圆心位置坐标，包括：通过公式(2-1)或(2-2) 所示的均匀分布，分别生成碎涡孔的圆心位置坐标(x_i,y_i)，其中x_i的分布区间为[r_i,l-r_i],y_i的分布区间为[r_i,h-r_i]；

或式(2-1)和(2-2)中，f_x、f_y为均匀分布概率密度函数；以及

重复步骤1和步骤2，循环生成多个所述碎涡孔。

优选地，其特征在于，在生成所述碎涡半径r_i及圆心位置坐标为(x_i,y_i) 的所述碎涡孔A后，再继续生成所述碎涡半径r_i+1及圆心位置坐标为 (x_i+1,y_i+1)的所述碎涡孔B后，根据式(3)判断所述碎涡孔A与所述碎涡孔B的位置是否重叠；如果式(3)成立，则所述碎涡孔A与所述碎涡孔 B的位置不重叠，则接受所述碎涡孔B；否则，放弃所述碎涡孔B；继续生成碎涡孔；

式(3)中，k为设定的碎涡孔A与碎涡孔B之间的最小间距。

优选地，其特征在于，根据式(4)计算生成的所述多个碎涡孔的面积之和与扰流板面积的比率φ，并将比率φ与设定的最大开孔面积比率[φ]进行比较；如果式(4)成立，则退出生成所述碎涡孔的步骤；否则，继续生成碎涡孔。

式(4)中，A_i第i个孔的开孔面积。

优选地，其特征在于，所述沿钢管避雷针轴线设置的所述多个抱箍上设置的所述多个扰流板在不同抱箍上设置不同角度的旋转，上一个抱箍上设置的扰流板相对下一个抱箍上设置扰流板旋转角度为15°。

优选地，其特征在于，所述多个抱箍外侧标记记号线，在安装所述多个抱箍时，所述标记记号线在同一直线上。

本申请提供的技术方案，可改变气动外形的基本原理，通过在扰流板上设置碎涡孔，一方面可增强扰流板的涡振控制效果，另一方面也可减少扰流板自身增加的风压。本发明提供的钢管避雷装置，原理清晰，安装牢固、结构合理，连接方式便捷可靠，可大大减少钢管避雷针受到的横向涡振破坏，提高钢管避雷针的寿命，减少了环境对钢管避雷针造成的破坏，从而提高变电站设备的安全性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本申请的示例性实施方式：

图1为根据本申请实施方式的避雷装置结构图；

图2为根据本申请实施方式的扰流板碎涡孔分布图；以及

图3-1，图3-2，图3-3为根据本申请实施方式的连续3层扰流板沿钢管圆周安装结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本申请的示例性实施方式，然而，本申请可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本申请，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本申请的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本申请的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本申请实施方式的避雷装置结构图。如图1所示，一种基于气动外形进行控制的钢管避雷装置，包括钢管避雷针101，用于安装于待保护物体的上表面并与所述上表面垂直。该避雷装置还多个抱箍，从101 底部至顶部以预定间隔安装多个抱箍，抱箍用于安装扰流板102。以及该抱箍装置包括多个扰流板102，安装在多个抱箍的每个抱箍中，扰流板102 上设置有碎涡孔，设置碎涡孔的扰流板102用于降低风压，并且用于抑制涡振发生。本申请提出的一种基于气动外形控制的钢管避雷针基于扰流板 102可改变气动外形的基本原理，在扰流板102上设置碎涡孔，一方面可增强扰流板102的扰乱涡振的效果，另一方面也可减小扰流板102自身增加的风压。基于本申请的一种气动外形控制的钢管避雷针101安装牢固、结构合理，可有效地减少钢管避雷针101受到的横向涡振破坏。

优选地，钢管避雷针101为圆台形中空结构体，坡度为1％-3％，钢管避雷针101长度为6-9m。沿钢管避雷针101设置的抱箍为半圆弧结构，半圆弧的两端设置有连接板，两端的连接板上通过螺栓将两个半圆弧抱箍连接起来，每端用于连接的螺栓数量为1-3个。抱箍设置的个数与钢管避雷针101的长短相关，钢管避雷针101一般不短于3m，抱箍最少设置为4 个。为达到扰乱涡振的效果，每个抱箍上至少设置3个扰流板102。扰流板102沿钢管避雷针101均匀分布，当每个抱箍上设置的扰流板102个数为n个，扰流板102沿钢管避雷针圆周间隔360°/n度均匀分布。

优选地，根据本申请的实施方式，扰流板102沿钢管避雷针101截面径向的高度为h，h设定为钢管避雷针101外径d的1/3；扰流板102沿钢管避雷针101轴向的长度l设定为钢管避雷针101外径d的1倍，多个抱箍中相邻两个沿轴线间距s初始值设定为钢管避雷针101外径d的5倍。由于钢管避雷针101为圆锥形中空结构体，钢管避雷针101的外径d值从底端到顶端逐渐减少，上端最小外径d不小于20mm。

优选地，根据本申请的实施方式，生成碎涡孔的算法包括：

步骤1：随机生成碎涡孔半径，包括：碎涡孔截面为多个半径不相同的圆形，将碎涡孔的最大半径r_max设定为0.1h，通过公式(1)，生成随机碎涡孔的半径序列r_i；

f(r)为碎涡孔最大半径r_max的最大熵分布概率密度函数，λ₀、λ_i为符合约束条件的系数，λ₀λ_i通过信息熵函数在约束条件下应用最大似然估计法来获取；R₁为预定的最大半径的约束条件下限值，R₂为预定的最大半径的约束条件上限值；u_i(r)为信息熵函数；m为信息熵函数的个数；

步骤2：生成碎涡孔圆心位置坐标，包括：通过公式(2-1)、(2-2)所示的均匀分布，分别生成碎涡孔圆心位置坐标(x_i,y_i)，其中x_i的分布区间为[r_i,l-r_i],y_i的分布区间为[r_i,h-r_i]；

或式(2-1)、(2-2)中，f_x、f_y为均匀分布概率密度函数；

重复步骤1和步骤2，循环生成多个所述碎涡孔。通过碎涡孔的生成算法，能够生成碎涡孔半径不相同，位置均匀分布的碎涡孔。满足扰流板 102上碎涡孔的分布。

优选地，根据本申请的实施方式，本申请对根据碎涡孔生成算法生成的碎涡孔的位置进行是否重叠判断。在生成碎涡半径r_i及圆心位置坐标为 (x_i,y_i)的碎涡孔A后，再继续生成碎涡半径r_i+1及圆心位置坐标为(x_i+1,y_i+1) 的碎涡孔B后，根据式(3)判断碎涡孔A与碎涡孔B的位置是否重叠；如果式(3)成立，则碎涡孔A与碎涡孔B的位置不重叠，则接受碎涡孔 B；否则，放弃碎涡孔B；继续生成碎涡孔；

式(3)中，k为设定的碎涡孔A与碎涡孔B之间的最小间距。并且根据公式(3)，判断生成的任意两个碎涡孔之间是否重叠。如果新生成的碎涡孔与之前生成的所有碎涡孔都不重叠，则接受新生成的碎涡孔；否则，如果新生成的碎涡孔和之前任一碎涡孔出现重叠，则放弃该新生成的碎涡孔。通过对所生成的碎涡孔进行重叠判断，最终保证扰流板102上任意两个孔的间距大于k。间距k的取值范围为3-15mm。

优选地，根据本申请的实施方式，为保证单片扰流板102的局部受力要求，可以起到降风压的作用，对不同材料的扰流板102，设置不同的最大开孔率。如扰流板102采用ABS板材料制作，该材料的扰流板102设定的最大开孔率为12％。根据式(4)计算生成的所述多个碎涡孔的面积之和与扰流板102面积的比率φ，并将比率φ与设定的最大开孔面积比率[φ]进行比较；如果式(4)成立，则退出生成所述碎涡孔的步骤；否则，继续生成碎涡孔。

式(4)中，A_i第i个孔的开孔面积。根据公式(4)，判断已开孔面积是否满足局部受力要求，可以起到降风压的作用。如生成的碎涡孔总面积已满足受力要求，总面积达到或超过最大开孔率，则退出生成碎涡孔生成算法，生成的碎涡孔如图2所示。

现对本申请的实施方式具体举例说明。例如，500kV钢管避雷针101 上端外径148mm，底端外径496mm，钢管避雷针101长14.5m，取距上端1/3 钢管避雷针101长度，即距上端4.8m处钢管避雷针101截面外径，作为该钢管避雷针101的计算直径d，该断面处直径d为264mm。扰流板102初始高度设置为钢管避雷针101外径d的1/3，即88mm，扰流板102长度l初始值设置为264mm。每个抱箍上扰流板102均设置为3个，沿钢管圆周间隔120度均匀分布，各个抱箍沿轴线间距s设置为钢管避雷针101直径d 的5倍，即1320mm。钢管避雷针101总长14.5m，共需布置抱箍10个。

碎涡孔的最大直径(图1未示出，详见图2)r_max拟定为0.1h，即8.8mm，而后采用如式(1)所示的最大熵分布，生成碎涡孔直径随机序列r_i，r_i的最小值应大于5mm；采用如式(2)所示的均匀分布，分别生成碎涡孔圆心位置坐标x_i,y_i，其中x_i的分布区间为[r_i,l-r_i],y_i的分布区间为[r_i,h-r_i]。

在生成了碎涡孔直径r_i和圆形位置(x_i,y_i)后，生成碎涡孔A，随后生成碎涡孔径r_i+1和圆形位置(x_i+1,y_i+1)，对应生成碎涡孔B，根据式(3) 判断碎涡孔A与碎涡孔B是否重叠，如碎涡孔B未与碎涡孔A重叠，接纳碎涡孔B，继续生成碎涡孔C，并分别判断碎涡孔C是否与碎涡孔 A或碎涡孔B满足间距大于3mm的要求，其他碎涡孔的生成依此类推。

扰流板102采用ABS板材料制作，考虑单片扰流板102的局部受力要求，拟定的最大碎涡孔开孔率为12％，单片扰流板102面积为23232mm²，在生成了19个孔之后，开孔总面积达到了2828mm²，开孔率达到了12.1％，可降低风压约40％。依据公式(4)判断，已开孔面积是否满足降风压的要求，退出生成碎涡孔循环。最终生成的碎涡孔如图2所示。

优选地，沿钢管避雷针101轴线设置的多个抱箍上多个扰流板102在不同抱箍上设置不同角度的旋转，上一个抱箍上设置的扰流板102相对下一个抱箍上设置扰流板102旋转角度为5°、10°、15°、25°，或者为5 °至360°/n之间的角度，旋转最大角度不超过360°/n，n为扰流板102 个数。由于自然界中的风向是随机的，扰流板102需要能够对各个风向上的尾流风进行扰乱。因此，根据本申请的实施方式，本申请沿钢管避雷针 101轴线布置的多个抱箍上的扰流板102应当相对于前一个抱箍的扰流板 102旋转一定的角度(图1未示出，详见图3-1、图3-2以及图3-3)。在多个抱箍外侧标记记号线，在安装多个抱箍时，标记记号线在同一直线上。在安装抱箍时，选某一方位角为基准方位角，第1个抱箍的标记线对准方位角；第2个抱箍的标记线对准方位角，第2个抱箍上的扰流板102相对于第1个抱箍上的扰流板102旋转5°、10°、15°、25°，或者为5°至 360°/n之间的角度，或旋转最大角度不超过360°/n；第3个抱箍的标记线对准方位角，第3个抱箍上的扰流板102相对于第2个抱箍上的扰流板 102旋转5°、10°、15°、25°，或者为5°至360°/n之间的角度，或旋转最大角度不超过360°/n；其他各个抱箍和扰流板102依此类推安装。

图2为根据本申请实施方式的扰流板201碎涡孔202分布图。优选地，根据本申请的实施方式，扰流板201沿钢管避雷针截面径向的高度为h，h 设定为钢管避雷针外径d的1/3；扰流板201沿钢管避雷针轴向的长度l设定为钢管避雷针外径d的1倍，多个抱箍中相邻两个沿轴线间距s初始值设定为钢管避雷针外径d的5倍。

优选地，根据本申请的实施方式，生成碎涡孔202的算法包括：

步骤1：随机生成碎涡孔202半径，包括：碎涡孔202截面为多个半径不相同的圆形，将碎涡孔202的最大半径r_max设定为0.1h，通过公式(1)，生成随机碎涡孔202的半径序列r_i；

f(r)为碎涡孔202最大半径r_max的最大熵分布概率密度函数，λ₀、λ_i为符合约束条件的系数，λ₀λ_i通过信息熵函数在约束条件下应用最大似然估计法来获取；R₁为预定的最大半径的约束条件下限值，R₂为预定的最大半径的约束条件上限值；u_i(r)为信息熵函数；m为信息熵函数的个数；

步骤2：生成碎涡孔202圆心位置坐标，包括：通过公式(2-1)、(2-2) 所示的均匀分布，分别生成碎涡孔202圆心位置坐标(x_i,y_i)，其中x_i的分布区间为[r_i,l-r_i],y_i的分布区间为[r_i,h-r_i]；

或式(2-1)、(2-2)中，f_x、f_y为均匀分布概率密度函数；

重复步骤1和步骤2，循环生成多个所述碎涡孔202。通过碎涡孔202 的生成算法，能够生成碎涡孔202半径不相同，位置均匀分布的碎涡孔202。满足扰流板201102上碎涡孔202的分布。

优选地，根据本申请的实施方式，本申请对根据碎涡孔202生成算法生成的碎涡孔202的位置进行是否重叠判断。在生成碎涡半径r_i及圆心位置坐标为(x_i,y_i)的碎涡孔202A后，再继续生成碎涡半径r_i+1及圆心位置坐标为(x_i+1,y_i+1)的碎涡孔202B后，根据式(3)判断碎涡孔202A与碎涡孔202B的位置是否重叠；如果式(3)成立，则碎涡孔202A与碎涡孔202B 的位置不重叠，则接受碎涡孔202B；否则，放弃碎涡孔202B；继续生成碎涡孔202；

式(3)中，k为设定的碎涡孔202A与碎涡孔202B之间的最小间距。并且根据公式(3)，判断生成的任意两个碎涡孔202之间是否重叠。如果新生成的碎涡孔202与之前生成的所有碎涡孔202都不重叠，则接受新生成的碎涡孔202；否则，如果新生成的碎涡孔202和之前任一碎涡孔202 出现重叠，则放弃该新生成的碎涡孔202。通过对所生成的碎涡孔202进行重叠判断，最终保证扰流板201上任意两个孔的间距大于k。间距k的取值范围为3-15mm。

优选地，根据本申请的实施方式，为保证单片扰流板201的局部受力要求，可以起到降风压的作用，对不同材料的扰流板201，设置不同的最大开孔率。如扰流板201采用ABS板材料制作，该材料的扰流板201设定的最大开孔率为12％。根据式(4)计算生成的所述多个碎涡孔202的面积之和与扰流板201面积的比率φ，并将比率φ与设定的最大开孔面积比率 [φ]进行比较；如果式(4)成立，则退出生成所述碎涡孔202的步骤；否则，继续生成碎涡孔202。

式(4)中，A_i第i个孔的开孔面积。根据公式(4)，判断已开孔面积是否满足局部受力要求，可以起到降风压的作用。如生成的碎涡孔202总面积已满足受力要求，总面积达到或超过最大开孔率，则退出生成碎涡孔 202生成算法，生成的碎涡孔202如图2所示。

现对本申请的实施方式具体举例说明。例如，500kV钢管避雷针上端外径148mm，底端外径496mm，钢管避雷针长14.5m，取距上端1/3钢管避雷针长度，即距上端4.8m处钢管避雷针截面外径，作为该钢管避雷针的计算直径d，该断面处直径d为264mm。扰流板201初始高度设置为钢管避雷针外径d的1/3，即88mm，扰流板201长度l初始值设置为264mm。每个抱箍上扰流板201均设置为3个，沿钢管圆周间隔120度均匀分布，各个抱箍沿轴线间距s设置为钢管避雷针直径d的5倍，即1320mm。钢管避雷针101总长14.5m，共需布置抱箍10个。

碎涡孔202的最大直径(图1未示出，详见图2)r_max拟定为0.1h，即 8.8mm，而后采用如式(1)所示的最大熵分布，生成碎涡孔202直径随机序列r_i，r_i的最小值应大于5mm；采用如式(2)所示的均匀分布，分别生成碎涡孔202圆心位置坐标x_i,y_i，其中x_i的分布区间为[r_i,l-r_i],y_i的分布区间为 [r_i,h-r_i]。

在生成了碎涡孔202直径r_i和圆形位置(x_i,y_i)后，生成碎涡孔202A，随后生成碎涡孔202径r_i+1和圆形位置(x_i+1,y_i+1)，对应生成碎涡孔202B，根据式(3)判断碎涡孔202A与碎涡孔202B是否重叠，如碎涡孔202B 未与碎涡孔202A重叠，接纳碎涡孔202B，继续生成碎涡孔202C，并分别判断碎涡孔202C是否与碎涡孔202A或碎涡孔202B满足间距大于 3mm的要求，其他碎涡孔202的生成依此类推。

扰流板201采用ABS板材料制作，考虑单片扰流板201的局部受力要求，拟定的最大碎涡孔202开孔率为12％，单片扰流板201面积为23232mm²，在生成了19个孔之后，开孔总面积达到了2828mm²，开孔率达到了12.1％，可降低风压约40％。依据公式(4)判断，已开孔面积是否满足降风压的要求，退出生成碎涡孔202循环。最终生成的碎涡孔202如图2所示。

图3-1，图3-2，图3-3为根据本申请实施方式的连续3层扰流板沿钢管圆周安装结构图。优选地，沿钢管避雷针轴线设置的多个抱箍上多个扰流板在不同抱箍上设置不同角度的旋转，上一个抱箍上设置的扰流板相对下一个抱箍上设置扰流板旋转角度为5°、10°、15°、25°，或者为5 °至360°/n之间的角度，旋转最大角度不超过360°/n，n为扰流板个数。由于自然界中的风向是随机的，扰流板需要能够对各个风向上的尾流风进行扰乱。因此，根据本申请的实施方式，本申请沿钢管避雷针轴线布置的多个抱箍上的扰流板应当相对于前一个抱箍的扰流板旋转一定的角度。在多个抱箍外侧标记记号线，在安装多个抱箍时，标记记号线在同一直线上。在安装抱箍时，选某一方位角为基准方位角，如图3-1所示，第1个抱箍的标记线312对准方位角；如图3-2所示，第2个抱箍的标记线322对准方位角，第2个抱箍上的扰流板323相对于第1个抱箍上的扰流板313旋转5°、10°、15°、25°，或者为5°至360°/n之间的角度，或旋转最大角度不超过360°/n；如图3-3所示，第3个抱箍的标记线332对准方位角，第3个抱箍上的扰流板333相对于第2个抱箍上的扰流板323旋转5 °、10°、15°、25°，或者为5°至360°/n之间的角度，或旋转最大角度不超过360°/n；其他各个抱箍和扰流板依此类推安装。

本申请提供的技术方案，可改变气动外形的基本原理，通过在扰流板上设置碎涡孔，一方面可增强扰流板的涡振控制效果，另一方面也可减少扰流板自身增加的风压。本申请提供的钢管避雷装置，原理清晰，安装牢固、结构合理，连接方式便捷可靠，可大大减少钢管避雷针受到的横向涡振破坏，提高钢管避雷针的寿命，减少了环境对钢管避雷针造成的破坏，从而提高变电站设备的安全性。

已经通过参考少量实施方式描述了本申请。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本申请以上公开的其他的实施例等同地落在本申请的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。