一種鋼管避雷裝置的制作方法
本申請涉及輸配電設備防災減災領域，更具體地，涉及一種基于氣動外形進行控制的鋼管避雷裝置。
背景技術：
變電站鋼管避雷針多為單懸臂支撐的圓臺形構件，隨著鋼管避雷針長度的不斷增加，長細比不斷增大，導致鋼管避雷針的1階及2階發起渦激振動的臨界風速不斷降低。在自然界常遇風速條件下，鋼管避雷針發生橫風向渦激振動，尤其是大幅度、高頻次、可形成累積損失的2階渦振的情況較多。近年來，在青海、新疆、甘肅等西北大風日數較多并且風力穩定的地區，引發了較多的鋼管避雷針底部法蘭盤或連接固定螺栓疲勞斷裂事故。通過改變結構物的氣動外形，而從根本上避免渦激振動的發生，在土木工程領域被廣泛采用。但傳統的擾流板并不適用于變截面的鋼管避雷針，且擾流板會增大結構物所承受的靜風壓，并且會改變原有鋼管避雷針的結構。現有技術沒有公開用于鋼管避雷針氣動外形進行控制的裝置。
技術實現要素：
隨著鋼管避雷針長度的不斷增加，長細比不斷增大，導致鋼管避雷針起振臨界風速不斷降低，鋼管避雷針發生橫風向渦激振動，因此造成了很多鋼管避雷針疲勞斷裂事故。
為了解決上述問題，本發明提供一種基于氣動外形進行控制的鋼管避雷裝置，包括，
鋼管避雷針，所述鋼管避雷針安裝于待保護物體的上表面并與所述上表面垂直，
多個抱箍，從所述鋼管避雷針底部至頂部以預定間隔安裝所述多個抱箍，所述抱箍用于安裝擾流板，所述抱箍為半圓弧結構，所述抱箍的兩端設置有連接板，并且所述連接板通過螺栓連接，以及
多個擾流板，安裝在所述多個抱箍的每個抱箍上，所述擾流板上設置有碎渦孔，設置碎渦孔的擾流板用于降低風壓，并且用于抑制渦振發生。
優選地，其特征在于，所述鋼管避雷針外徑為d，所述多個抱箍至少為4個，并且所述每個抱箍上安裝的擾流板至少為3個。
優選地，其特征在于，所述每個抱箍上設置的擾流板個數為n個，所述擾流板沿所述鋼管避雷針圓周間隔360°/n度均勻分布。
優選地，其特征在于，所述擾流板沿鋼管避雷針截面徑向的高度為h， h為所述鋼管避雷針外徑d的1/3；所述擾流板沿鋼管避雷針軸向的長度l 為所述鋼管避雷針外徑d的2倍，所述多個抱箍中相鄰兩個抱箍沿軸線間距s的初始值為所述鋼管避雷針外徑d的5倍。
優選地，其特征在于，生成碎渦孔的算法步驟包括：
步驟1：隨機生成每個碎渦孔半徑，包括：所述每個碎渦孔的截面為半徑不相同的圓形，將所述碎渦孔的截面的最大半徑rmax設定為所述擾流板高度h的0.1倍，即0.1h，通過公式(1)，隨機生成碎渦孔的截面的半徑序列ri；
其中f(r)為碎渦孔的截面最大半徑rmax的最大熵分布概率密度函數，λ0、λi為符合約束條件的系數，λ0λi通過信息熵函數在約束條件下應用最大似然估計法來獲取；R1為預定的最大半徑的約束條件下限值，R2為預定的最大半徑的約束條件上限值；ui(r)為信息熵函數；m為信息熵函數的個數；
步驟2：生成碎渦孔圓心位置坐標，包括：通過公式(2-1)或(2-2) 所示的均勻分布，分別生成碎渦孔的圓心位置坐標(xi,yi)，其中xi的分布區間為[ri,l-ri],yi的分布區間為[ri,h-ri]；
或式(2-1)和(2-2)中，fx、fy為均勻分布概率密度函數；以及
重復步驟1和步驟2，循環生成多個所述碎渦孔。
優選地，其特征在于，在生成所述碎渦半徑ri及圓心位置坐標為(xi,yi) 的所述碎渦孔A后，再繼續生成所述碎渦半徑ri+1及圓心位置坐標為 (xi+1,yi+1)的所述碎渦孔B后，根據式(3)判斷所述碎渦孔A與所述碎渦孔B的位置是否重疊；如果式(3)成立，則所述碎渦孔A與所述碎渦孔 B的位置不重疊，則接受所述碎渦孔B；否則，放棄所述碎渦孔B；繼續生成碎渦孔；
式(3)中，k為設定的碎渦孔A與碎渦孔B之間的最小間距。
優選地，其特征在于，根據式(4)計算生成的所述多個碎渦孔的面積之和與擾流板面積的比率φ，并將比率φ與設定的最大開孔面積比率[φ]進行比較；如果式(4)成立，則退出生成所述碎渦孔的步驟；否則，繼續生成碎渦孔。
式(4)中，Ai第i個孔的開孔面積。
優選地，其特征在于，所述沿鋼管避雷針軸線設置的所述多個抱箍上設置的所述多個擾流板在不同抱箍上設置不同角度的旋轉，上一個抱箍上設置的擾流板相對下一個抱箍上設置擾流板旋轉角度為15°。
優選地，其特征在于，所述多個抱箍外側標記記號線，在安裝所述多個抱箍時，所述標記記號線在同一直線上。
本申請提供的技術方案，可改變氣動外形的基本原理，通過在擾流板上設置碎渦孔，一方面可增強擾流板的渦振控制效果，另一方面也可減少擾流板自身增加的風壓。本發明提供的鋼管避雷裝置，原理清晰，安裝牢固、結構合理，連接方式便捷可靠，可大大減少鋼管避雷針受到的橫向渦振破壞，提高鋼管避雷針的壽命，減少了環境對鋼管避雷針造成的破壞，從而提高變電站設備的安全性。
附圖說明
通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本申請的示例性實施方式：
圖1為根據本申請實施方式的避雷裝置結構圖；
圖2為根據本申請實施方式的擾流板碎渦孔分布圖；以及
圖3-1，圖3-2，圖3-3為根據本申請實施方式的連續3層擾流板沿鋼管圓周安裝結構圖。
具體實施方式
現在參考附圖介紹本申請的示例性實施方式，然而，本申請可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本申請，并且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本申請的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術語并不是對本申請的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。
除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過于正式的意義。
圖1為根據本申請實施方式的避雷裝置結構圖。如圖1所示，一種基于氣動外形進行控制的鋼管避雷裝置，包括鋼管避雷針101，用于安裝于待保護物體的上表面并與所述上表面垂直。該避雷裝置還多個抱箍，從101 底部至頂部以預定間隔安裝多個抱箍，抱箍用于安裝擾流板102。以及該抱箍裝置包括多個擾流板102，安裝在多個抱箍的每個抱箍中，擾流板102 上設置有碎渦孔，設置碎渦孔的擾流板102用于降低風壓，并且用于抑制渦振發生。本申請提出的一種基于氣動外形控制的鋼管避雷針基于擾流板 102可改變氣動外形的基本原理，在擾流板102上設置碎渦孔，一方面可增強擾流板102的擾亂渦振的效果，另一方面也可減小擾流板102自身增加的風壓。基于本申請的一種氣動外形控制的鋼管避雷針101安裝牢固、結構合理，可有效地減少鋼管避雷針101受到的橫向渦振破壞。
優選地，鋼管避雷針101為圓臺形中空結構體，坡度為1％-3％，鋼管避雷針101長度為6-9m。沿鋼管避雷針101設置的抱箍為半圓弧結構，半圓弧的兩端設置有連接板，兩端的連接板上通過螺栓將兩個半圓弧抱箍連接起來，每端用于連接的螺栓數量為1-3個。抱箍設置的個數與鋼管避雷針101的長短相關，鋼管避雷針101一般不短于3m，抱箍最少設置為4 個。為達到擾亂渦振的效果，每個抱箍上至少設置3個擾流板102。擾流板102沿鋼管避雷針101均勻分布，當每個抱箍上設置的擾流板102個數為n個，擾流板102沿鋼管避雷針圓周間隔360°/n度均勻分布。
優選地，根據本申請的實施方式，擾流板102沿鋼管避雷針101截面徑向的高度為h，h設定為鋼管避雷針101外徑d的1/3；擾流板102沿鋼管避雷針101軸向的長度l設定為鋼管避雷針101外徑d的1倍，多個抱箍中相鄰兩個沿軸線間距s初始值設定為鋼管避雷針101外徑d的5倍。由于鋼管避雷針101為圓錐形中空結構體，鋼管避雷針101的外徑d值從底端到頂端逐漸減少，上端最小外徑d不小于20mm。
優選地，根據本申請的實施方式，生成碎渦孔的算法包括：
步驟1：隨機生成碎渦孔半徑，包括：碎渦孔截面為多個半徑不相同的圓形，將碎渦孔的最大半徑rmax設定為0.1h，通過公式(1)，生成隨機碎渦孔的半徑序列ri；
f(r)為碎渦孔最大半徑rmax的最大熵分布概率密度函數，λ0、λi為符合約束條件的系數，λ0λi通過信息熵函數在約束條件下應用最大似然估計法來獲取；R1為預定的最大半徑的約束條件下限值，R2為預定的最大半徑的約束條件上限值；ui(r)為信息熵函數；m為信息熵函數的個數；
步驟2：生成碎渦孔圓心位置坐標，包括：通過公式(2-1)、(2-2)所示的均勻分布，分別生成碎渦孔圓心位置坐標(xi,yi)，其中xi的分布區間為[ri,l-ri],yi的分布區間為[ri,h-ri]；
或式(2-1)、(2-2)中，fx、fy為均勻分布概率密度函數；
重復步驟1和步驟2，循環生成多個所述碎渦孔。通過碎渦孔的生成算法，能夠生成碎渦孔半徑不相同，位置均勻分布的碎渦孔。滿足擾流板 102上碎渦孔的分布。
優選地，根據本申請的實施方式，本申請對根據碎渦孔生成算法生成的碎渦孔的位置進行是否重疊判斷。在生成碎渦半徑ri及圓心位置坐標為 (xi,yi)的碎渦孔A后，再繼續生成碎渦半徑ri+1及圓心位置坐標為(xi+1,yi+1) 的碎渦孔B后，根據式(3)判斷碎渦孔A與碎渦孔B的位置是否重疊；如果式(3)成立，則碎渦孔A與碎渦孔B的位置不重疊，則接受碎渦孔 B；否則，放棄碎渦孔B；繼續生成碎渦孔；
式(3)中，k為設定的碎渦孔A與碎渦孔B之間的最小間距。并且根據公式(3)，判斷生成的任意兩個碎渦孔之間是否重疊。如果新生成的碎渦孔與之前生成的所有碎渦孔都不重疊，則接受新生成的碎渦孔；否則，如果新生成的碎渦孔和之前任一碎渦孔出現重疊，則放棄該新生成的碎渦孔。通過對所生成的碎渦孔進行重疊判斷，最終保證擾流板102上任意兩個孔的間距大于k。間距k的取值范圍為3-15mm。
優選地，根據本申請的實施方式，為保證單片擾流板102的局部受力要求，可以起到降風壓的作用，對不同材料的擾流板102，設置不同的最大開孔率。如擾流板102采用ABS板材料制作，該材料的擾流板102設定的最大開孔率為12％。根據式(4)計算生成的所述多個碎渦孔的面積之和與擾流板102面積的比率φ，并將比率φ與設定的最大開孔面積比率[φ]進行比較；如果式(4)成立，則退出生成所述碎渦孔的步驟；否則，繼續生成碎渦孔。
式(4)中，Ai第i個孔的開孔面積。根據公式(4)，判斷已開孔面積是否滿足局部受力要求，可以起到降風壓的作用。如生成的碎渦孔總面積已滿足受力要求，總面積達到或超過最大開孔率，則退出生成碎渦孔生成算法，生成的碎渦孔如圖2所示。
現對本申請的實施方式具體舉例說明。例如，500kV鋼管避雷針101 上端外徑148mm，底端外徑496mm，鋼管避雷針101長14.5m，取距上端1/3 鋼管避雷針101長度，即距上端4.8m處鋼管避雷針101截面外徑，作為該鋼管避雷針101的計算直徑d，該斷面處直徑d為264mm。擾流板102初始高度設置為鋼管避雷針101外徑d的1/3，即88mm，擾流板102長度l初始值設置為264mm。每個抱箍上擾流板102均設置為3個，沿鋼管圓周間隔120度均勻分布，各個抱箍沿軸線間距s設置為鋼管避雷針101直徑d 的5倍，即1320mm。鋼管避雷針101總長14.5m，共需布置抱箍10個。
碎渦孔的最大直徑(圖1未示出，詳見圖2)rmax擬定為0.1h，即8.8mm，而后采用如式(1)所示的最大熵分布，生成碎渦孔直徑隨機序列ri，ri的最小值應大于5mm；采用如式(2)所示的均勻分布，分別生成碎渦孔圓心位置坐標xi,yi，其中xi的分布區間為[ri,l-ri],yi的分布區間為[ri,h-ri]。
在生成了碎渦孔直徑ri和圓形位置(xi,yi)后，生成碎渦孔A，隨后生成碎渦孔徑ri+1和圓形位置(xi+1,yi+1)，對應生成碎渦孔B，根據式(3) 判斷碎渦孔A與碎渦孔B是否重疊，如碎渦孔B未與碎渦孔A重疊，接納碎渦孔B，繼續生成碎渦孔C，并分別判斷碎渦孔C是否與碎渦孔 A或碎渦孔B滿足間距大于3mm的要求，其他碎渦孔的生成依此類推。
擾流板102采用ABS板材料制作，考慮單片擾流板102的局部受力要求，擬定的最大碎渦孔開孔率為12％，單片擾流板102面積為23232mm2，在生成了19個孔之后，開孔總面積達到了2828mm2，開孔率達到了12.1％，可降低風壓約40％。依據公式(4)判斷，已開孔面積是否滿足降風壓的要求，退出生成碎渦孔循環。最終生成的碎渦孔如圖2所示。
優選地，沿鋼管避雷針101軸線設置的多個抱箍上多個擾流板102在不同抱箍上設置不同角度的旋轉，上一個抱箍上設置的擾流板102相對下一個抱箍上設置擾流板102旋轉角度為5°、10°、15°、25°，或者為5 °至360°/n之間的角度，旋轉最大角度不超過360°/n，n為擾流板102 個數。由于自然界中的風向是隨機的，擾流板102需要能夠對各個風向上的尾流風進行擾亂。因此，根據本申請的實施方式，本申請沿鋼管避雷針 101軸線布置的多個抱箍上的擾流板102應當相對于前一個抱箍的擾流板 102旋轉一定的角度(圖1未示出，詳見圖3-1、圖3-2以及圖3-3)。在多個抱箍外側標記記號線，在安裝多個抱箍時，標記記號線在同一直線上。在安裝抱箍時，選某一方位角為基準方位角，第1個抱箍的標記線對準方位角；第2個抱箍的標記線對準方位角，第2個抱箍上的擾流板102相對于第1個抱箍上的擾流板102旋轉5°、10°、15°、25°，或者為5°至 360°/n之間的角度，或旋轉最大角度不超過360°/n；第3個抱箍的標記線對準方位角，第3個抱箍上的擾流板102相對于第2個抱箍上的擾流板 102旋轉5°、10°、15°、25°，或者為5°至360°/n之間的角度，或旋轉最大角度不超過360°/n；其他各個抱箍和擾流板102依此類推安裝。
圖2為根據本申請實施方式的擾流板201碎渦孔202分布圖。優選地，根據本申請的實施方式，擾流板201沿鋼管避雷針截面徑向的高度為h，h 設定為鋼管避雷針外徑d的1/3；擾流板201沿鋼管避雷針軸向的長度l設定為鋼管避雷針外徑d的1倍，多個抱箍中相鄰兩個沿軸線間距s初始值設定為鋼管避雷針外徑d的5倍。
優選地，根據本申請的實施方式，生成碎渦孔202的算法包括：
步驟1：隨機生成碎渦孔202半徑，包括：碎渦孔202截面為多個半徑不相同的圓形，將碎渦孔202的最大半徑rmax設定為0.1h，通過公式(1)，生成隨機碎渦孔202的半徑序列ri；
f(r)為碎渦孔202最大半徑rmax的最大熵分布概率密度函數，λ0、λi為符合約束條件的系數，λ0λi通過信息熵函數在約束條件下應用最大似然估計法來獲取；R1為預定的最大半徑的約束條件下限值，R2為預定的最大半徑的約束條件上限值；ui(r)為信息熵函數；m為信息熵函數的個數；
步驟2：生成碎渦孔202圓心位置坐標，包括：通過公式(2-1)、(2-2) 所示的均勻分布，分別生成碎渦孔202圓心位置坐標(xi,yi)，其中xi的分布區間為[ri,l-ri],yi的分布區間為[ri,h-ri]；
或式(2-1)、(2-2)中，fx、fy為均勻分布概率密度函數；
重復步驟1和步驟2，循環生成多個所述碎渦孔202。通過碎渦孔202 的生成算法，能夠生成碎渦孔202半徑不相同，位置均勻分布的碎渦孔202。滿足擾流板201102上碎渦孔202的分布。
優選地，根據本申請的實施方式，本申請對根據碎渦孔202生成算法生成的碎渦孔202的位置進行是否重疊判斷。在生成碎渦半徑ri及圓心位置坐標為(xi,yi)的碎渦孔202A后，再繼續生成碎渦半徑ri+1及圓心位置坐標為(xi+1,yi+1)的碎渦孔202B后，根據式(3)判斷碎渦孔202A與碎渦孔202B的位置是否重疊；如果式(3)成立，則碎渦孔202A與碎渦孔202B 的位置不重疊，則接受碎渦孔202B；否則，放棄碎渦孔202B；繼續生成碎渦孔202；
式(3)中，k為設定的碎渦孔202A與碎渦孔202B之間的最小間距。并且根據公式(3)，判斷生成的任意兩個碎渦孔202之間是否重疊。如果新生成的碎渦孔202與之前生成的所有碎渦孔202都不重疊，則接受新生成的碎渦孔202；否則，如果新生成的碎渦孔202和之前任一碎渦孔202 出現重疊，則放棄該新生成的碎渦孔202。通過對所生成的碎渦孔202進行重疊判斷，最終保證擾流板201上任意兩個孔的間距大于k。間距k的取值范圍為3-15mm。
優選地，根據本申請的實施方式，為保證單片擾流板201的局部受力要求，可以起到降風壓的作用，對不同材料的擾流板201，設置不同的最大開孔率。如擾流板201采用ABS板材料制作，該材料的擾流板201設定的最大開孔率為12％。根據式(4)計算生成的所述多個碎渦孔202的面積之和與擾流板201面積的比率φ，并將比率φ與設定的最大開孔面積比率 [φ]進行比較；如果式(4)成立，則退出生成所述碎渦孔202的步驟；否則，繼續生成碎渦孔202。
式(4)中，Ai第i個孔的開孔面積。根據公式(4)，判斷已開孔面積是否滿足局部受力要求，可以起到降風壓的作用。如生成的碎渦孔202總面積已滿足受力要求，總面積達到或超過最大開孔率，則退出生成碎渦孔 202生成算法，生成的碎渦孔202如圖2所示。
現對本申請的實施方式具體舉例說明。例如，500kV鋼管避雷針上端外徑148mm，底端外徑496mm，鋼管避雷針長14.5m，取距上端1/3鋼管避雷針長度，即距上端4.8m處鋼管避雷針截面外徑，作為該鋼管避雷針的計算直徑d，該斷面處直徑d為264mm。擾流板201初始高度設置為鋼管避雷針外徑d的1/3，即88mm，擾流板201長度l初始值設置為264mm。每個抱箍上擾流板201均設置為3個，沿鋼管圓周間隔120度均勻分布，各個抱箍沿軸線間距s設置為鋼管避雷針直徑d的5倍，即1320mm。鋼管避雷針101總長14.5m，共需布置抱箍10個。
碎渦孔202的最大直徑(圖1未示出，詳見圖2)rmax擬定為0.1h，即 8.8mm，而后采用如式(1)所示的最大熵分布，生成碎渦孔202直徑隨機序列ri，ri的最小值應大于5mm；采用如式(2)所示的均勻分布，分別生成碎渦孔202圓心位置坐標xi,yi，其中xi的分布區間為[ri,l-ri],yi的分布區間為 [ri,h-ri]。
在生成了碎渦孔202直徑ri和圓形位置(xi,yi)后，生成碎渦孔202A，隨后生成碎渦孔202徑ri+1和圓形位置(xi+1,yi+1)，對應生成碎渦孔202B，根據式(3)判斷碎渦孔202A與碎渦孔202B是否重疊，如碎渦孔202B 未與碎渦孔202A重疊，接納碎渦孔202B，繼續生成碎渦孔202C，并分別判斷碎渦孔202C是否與碎渦孔202A或碎渦孔202B滿足間距大于 3mm的要求，其他碎渦孔202的生成依此類推。
擾流板201采用ABS板材料制作，考慮單片擾流板201的局部受力要求，擬定的最大碎渦孔202開孔率為12％，單片擾流板201面積為23232mm2，在生成了19個孔之后，開孔總面積達到了2828mm2，開孔率達到了12.1％，可降低風壓約40％。依據公式(4)判斷，已開孔面積是否滿足降風壓的要求，退出生成碎渦孔202循環。最終生成的碎渦孔202如圖2所示。
圖3-1，圖3-2，圖3-3為根據本申請實施方式的連續3層擾流板沿鋼管圓周安裝結構圖。優選地，沿鋼管避雷針軸線設置的多個抱箍上多個擾流板在不同抱箍上設置不同角度的旋轉，上一個抱箍上設置的擾流板相對下一個抱箍上設置擾流板旋轉角度為5°、10°、15°、25°，或者為5 °至360°/n之間的角度，旋轉最大角度不超過360°/n，n為擾流板個數。由于自然界中的風向是隨機的，擾流板需要能夠對各個風向上的尾流風進行擾亂。因此，根據本申請的實施方式，本申請沿鋼管避雷針軸線布置的多個抱箍上的擾流板應當相對于前一個抱箍的擾流板旋轉一定的角度。在多個抱箍外側標記記號線，在安裝多個抱箍時，標記記號線在同一直線上。在安裝抱箍時，選某一方位角為基準方位角，如圖3-1所示，第1個抱箍的標記線312對準方位角；如圖3-2所示，第2個抱箍的標記線322對準方位角，第2個抱箍上的擾流板323相對于第1個抱箍上的擾流板313旋轉5°、10°、15°、25°，或者為5°至360°/n之間的角度，或旋轉最大角度不超過360°/n；如圖3-3所示，第3個抱箍的標記線332對準方位角，第3個抱箍上的擾流板333相對于第2個抱箍上的擾流板323旋轉5 °、10°、15°、25°，或者為5°至360°/n之間的角度，或旋轉最大角度不超過360°/n；其他各個抱箍和擾流板依此類推安裝。
本申請提供的技術方案，可改變氣動外形的基本原理，通過在擾流板上設置碎渦孔，一方面可增強擾流板的渦振控制效果，另一方面也可減少擾流板自身增加的風壓。本申請提供的鋼管避雷裝置，原理清晰，安裝牢固、結構合理，連接方式便捷可靠，可大大減少鋼管避雷針受到的橫向渦振破壞，提高鋼管避雷針的壽命，減少了環境對鋼管避雷針造成的破壞，從而提高變電站設備的安全性。
已經通過參考少量實施方式描述了本申請。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本申請以上公開的其他的實施例等同地落在本申請的范圍內。
通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。
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