[发明专利]避免涡激共振对钢管避雷针机械强度影响的方法

说明书

本发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。

技术领域

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。

发明内容

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i_x为0.164m，避雷针长细比λ＝l/i_x为164，悬臂约束，其一阶起振临界风速为：