兼作支柱用高抗震性能特高壓避雷器的研發(fā)

張搏宇，張翠霞，賀子鳴，時衛(wèi)東，殷 禹，盧智成，劉振林，徐學(xué)亭，宋繼軍，何計(jì)謀，楊雪峰，陳開金，湯曉中

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.南陽金冠電氣有限公司，河南南陽 473057；3.平高東芝（廊坊）避雷器有限公司，河北廊坊 065001；4.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200；5.醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司，湖南醴陵 412200；6.西安西電高壓電瓷有限責(zé)任公司，西安 710077；7.撫順電瓷制造有限公司，遼寧撫順 113126）

0 引言

避雷器是電力系統(tǒng)中最主要的過電壓保護(hù)設(shè)備，對系統(tǒng)的絕緣水平和工程造價有重要影響[1]。皖電東送工程以來，特高壓變電站高抗回路取消了支柱絕緣子，避雷器除承擔(dān)傳統(tǒng)限制雷電和操作過電壓的作用外[2-10]，還要承擔(dān)支柱絕緣子的功能，對避雷器的機(jī)械強(qiáng)度要求較高[11-12]；另一方面，隨著交流特高壓輸電工程在北京東、濰坊等高地震烈度地區(qū)的建設(shè)，對特高壓避雷器的抗震性能要求也越來越高。

盡可能降低特高壓避雷器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和重心是提高其抗震性能的根本出路。筆者結(jié)合特高壓避雷器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)[13-18]和國內(nèi)外電氣設(shè)備耐地震性能研究成果[19-24]，提出了塔形結(jié)構(gòu)等應(yīng)力設(shè)計(jì)的避雷器設(shè)計(jì)新思路，在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，研發(fā)出適用于特高壓避雷器且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)餅狀電阻片，開發(fā)出避雷器用高強(qiáng)度大直徑瓷外套。進(jìn)行了耐地震和彎曲性能計(jì)算研究，并通過了實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，本文研制的能夠兼作支柱用高強(qiáng)度特高壓避雷器已在北京東、蘇州等特高壓變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 特高壓避雷器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

1.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)初步研究

地震作用力與結(jié)構(gòu)質(zhì)量成正比，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，特別是上部質(zhì)量能夠降低地震條件下底部固定端的作用應(yīng)力；總體高度影響結(jié)構(gòu)重心與頻率，降低結(jié)構(gòu)高度能夠減小地震響應(yīng)；大風(fēng)引起的彎曲負(fù)荷和地震荷載作用下，避雷器不同高度處承受的彎矩大致與到頂端的距離成正比，采用塔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化避雷器外套的截面系數(shù)，降低頂部外套的尺寸和重量，增大底部瓷套的耐受彎矩，可實(shí)現(xiàn)不同位置避雷器外套承受的應(yīng)力基本相等，從而提高整只避雷器的抗震和抗彎能力。另外，適當(dāng)加大套管與法蘭膠裝比，能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。

根據(jù)塔形結(jié)構(gòu)等應(yīng)力設(shè)計(jì)原則，筆者提出了3種初步方案，表1給出了3種方案的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，3種方案均采用4個避雷器單元節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個單元節(jié)瓷件的高度均為2810 mm；設(shè)計(jì)目標(biāo)為能夠耐受峰值加速度為0.3 g的地震組合負(fù)載，能夠兼作支柱絕緣子使用。

1.2 抗震性能計(jì)算研究

筆者利用ANSYS軟件建立數(shù)值模型對初步方案進(jìn)行了抗震性能計(jì)算。模型中設(shè)備均壓環(huán)與連接板重量采用集中質(zhì)量模擬，法蘭按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行簡化模擬，將法蘭與瓷套管連接的彎曲剛度由一個等效梁單元代替。梁單元的等效彎曲剛度按式（1）計(jì)算：

表1 初步方案的瓷套結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The structural parameters of porcelain

式中：β為瓷套與法蘭連接部位彎曲剛度系數(shù)，當(dāng)膠裝部位瓷套管外徑≤275 mm時，取6.54×107，當(dāng)瓷套外徑≥375 mm時，取5.0×107，當(dāng)瓷套外徑在275～375 mm，可線性插值獲得；Kc為彎曲剛度，N·m/rad；dc為瓷套管膠裝部位外徑，m；hc為瓷套管與法蘭膠裝高度，m；te為法蘭與瓷套管之間的間隙距離，m。

梁單元的截面慣性矩可按式（2）計(jì)算：

式中：Ic為截面慣性矩，m4；Lc為梁單元長度，m，取瓷套管長度的1/20；Ec為瓷套管的彈性模量，m。

設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02，按照瑞利阻尼的形式加入計(jì)算模型。

計(jì)算了地震峰值加速度為0.3 g時的設(shè)備響應(yīng)，其中管母線按300 kg集中質(zhì)量考慮。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，地震荷載組合為（1.0×重力荷載）＋（0.25×1.0×風(fēng)荷載）＋（1.4×地震荷載），其中1.4為支架動力放大系數(shù)；瓷套的許用應(yīng)力取50 MPa，安全系數(shù)應(yīng)不超過1.67。

表2所示的計(jì)算結(jié)果表明，在地震動峰值加速度為0.3 g作用下，方案1至方案3的最小安全系數(shù)分別為1.62、1.39和1.56，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 耐震性能計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of seismic performance

為了確保在0.3 g水平加速度下避雷器的抗震性能有合理的安全裕度，本文根據(jù)計(jì)算結(jié)果和上述分析，提出了再次優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算結(jié)果表明，在地震動峰值加速度為0.3 g作用下，優(yōu)化方案的最小安全系數(shù)為1.76，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 抗彎性能計(jì)算研究

計(jì)算表明：方案優(yōu)化后，特高壓避雷器達(dá)到了預(yù)期的抗震性能，筆者在此基礎(chǔ)上開展了抗彎性能計(jì)算研究。

避雷器的彎曲耐受負(fù)載應(yīng)包括：規(guī)定作用于接線端子板的水平荷載和設(shè)備自身最大風(fēng)荷載。彎曲耐受性能的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定特高壓避雷器接線端子板的允許導(dǎo)線張力不應(yīng)低于下列數(shù)值：水平縱向力4 kN；水平橫向力4 kN；垂直方向力5.5 kN

作用于避雷器單位迎風(fēng)面積上的風(fēng)壓力應(yīng)按式（3）計(jì)算：

式中：ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù)，交流特高壓避雷器取1.7；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，通常橫截面為圓形時取0.6，橫截面為鋸齒狀時取1.2，交流特高壓避雷器橫截面介于兩者之間，建議取0.8～1.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，相關(guān)值見表3；ω0為基本風(fēng)壓值，kN/m2，按百年一遇進(jìn)行計(jì)算（風(fēng)速取35 m/s），取為0.766 kN/m2。

對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按表3確定。地面粗糙度可分為A、B、C、D 4類：A類指近海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

表3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)Table 3 Height variation coefficient of wind pressure

根據(jù)上述公式要求和國內(nèi)4個主流特高壓避雷器制造商按照優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的特高壓避雷器基本參數(shù)，進(jìn)行了風(fēng)荷載計(jì)算，表4給出了計(jì)算結(jié)果。

表4 風(fēng)壓力計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of wind pressure

4個制造廠的瓷套結(jié)構(gòu)完全一致，均壓環(huán)、底座、法蘭等根據(jù)各自的技術(shù)路線有一定區(qū)別，計(jì)算得到的風(fēng)壓力基本一致，在8.6～10.0 kN不等?？紤]到導(dǎo)線水平拉力和2.5倍的安全系數(shù)，避雷器的彎曲負(fù)荷耐受能力應(yīng)不小于40 kN。

本文根據(jù)避雷器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算了彎曲負(fù)荷下避雷器各個單元節(jié)底部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。結(jié)果表明，按國內(nèi)典型避雷器瓷套的許用應(yīng)力50 MPa計(jì)算，避雷器能夠耐受的彎曲負(fù)荷約為80 kN，遠(yuǎn)大于上述要求值；另外，計(jì)算還表明，80 kN頂部彎曲負(fù)荷下，各單元節(jié)底部的應(yīng)力在47～50 MPa之間，符合等應(yīng)力設(shè)計(jì)的基本原則，既充分利用了瓷套的許用應(yīng)力，節(jié)約了資源消耗，又提高了瓷套避雷器的彎曲性能。

2 關(guān)鍵元部件研制

2.1 大容量餅狀電阻片研發(fā)

減小電阻片直徑，才能夠?qū)崿F(xiàn)在直徑較小的頂部瓷套（內(nèi)徑380 mm）內(nèi)部合理布置電阻片和均壓電容，從而降低頂部重量。

交流特高壓避雷器對金屬氧化物電阻片的非線性特性、通流能力和老化性要求都明顯高于常規(guī)避雷器。傳統(tǒng)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)特高壓避雷器用電阻片一般為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，直徑從128～136 mm不等。隨著電阻片配方和制造技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)3個主流避雷器制造商先后獨(dú)立研制出適用于交流特高壓避雷器的環(huán)狀結(jié)構(gòu)金屬氧化物電阻片，直徑從105～115 mm不等，總體性能到達(dá)或接近國際領(lǐng)先水平。表5給出了新研制的幾種電阻片型式試驗(yàn)時的主要技術(shù)參數(shù)。

表5 新研發(fā)的大容量電阻片主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main parameters of resistors with large diameter

工頻電壓耐受時間特性是避雷器最重要的技術(shù)參數(shù)之一，關(guān)系著避雷器的額定電壓等基本參數(shù)的選擇及避雷器長期安全可靠性。本文結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，研究了新研發(fā)的電阻片工頻電壓極限耐受時間特性，結(jié)果表明，國產(chǎn)典型特高壓避雷器用電阻片在1.00Ur下耐受時間遠(yuǎn)大于10 s，在1.05Ur和1.10Ur下可耐受時間分別不小于7.3 s和1.1 s。從工頻電壓耐受時間特性的角度考慮，新研發(fā)的大容量餅狀電阻片滿足額定電壓為828 kV的特高壓避雷器的技術(shù)要求。另外，若某一特高壓工程的工頻暫時過電壓低于線路側(cè)1.4 p.u.或母線側(cè)1.3 p.u.時，從工頻電壓耐受的角度考慮，可適當(dāng)進(jìn)一步降低特高壓避雷器的額定電壓至780 kV。

2.2 大直徑高強(qiáng)度瓷套研發(fā)

提高特高壓避雷器的抗震性能和抗彎性能，大直徑高強(qiáng)度瓷套的研發(fā)是關(guān)鍵。優(yōu)化方案中涉及到的瓷件厚度、直徑、重量都比較大，屬于特大型的瓷件，對瓷件的機(jī)械強(qiáng)度和冷熱性能要求均為該類瓷套的最高水平，研發(fā)制造難度大。

針對濕法電瓷整體成型工藝生產(chǎn)難度大的技術(shù)問題，提出了“分節(jié)成型、無機(jī)粘接、二次焙燒”的總體技術(shù)路線；開發(fā)了確保冷熱性能的無機(jī)粘接釉配方，并對樣機(jī)進(jìn)行了溫差70℃共9次的溫度循環(huán)試驗(yàn)，能夠確保瓷件的冷熱性能。

國內(nèi)多個主流瓷套制造商根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相繼研發(fā)制造出高強(qiáng)度大直徑瓷外套，實(shí)際進(jìn)行的抗彎破壞試驗(yàn)表明，研發(fā)的大直徑高強(qiáng)度瓷套的破壞強(qiáng)度在50 MPa左右，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 關(guān)鍵機(jī)械性能試驗(yàn)研究

3.1 彎曲性能試驗(yàn)研究

需要進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)驗(yàn)證研發(fā)的避雷器的彎曲性能，并為抗震性能的評估提供彈性模量和彎曲破壞強(qiáng)度兩個基本參數(shù)。彎曲破壞試驗(yàn)由彈性模量測量和彎曲破壞值測量兩個部分組成。試驗(yàn)時盡可能模擬實(shí)際安裝，試驗(yàn)試品為整只避雷器空瓷套（包括底座），試驗(yàn)時測量不同位置處對應(yīng)的力臂（如頂部至底座瓷套根部/至最下節(jié)瓷套根部），根據(jù)不同制造商的技術(shù)路線，4個設(shè)計(jì)在法蘭結(jié)構(gòu)和均壓環(huán)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上略有不同。

彈性模量測量依據(jù)試驗(yàn)分為初加載和正式加載兩個步驟。設(shè)計(jì)4的試驗(yàn)表明：4個主流制造商研發(fā)的避雷器瓷套的彈性模量平均值約為110 GPa。

彎曲破壞值測量依據(jù)GB/T 775.3—1987進(jìn)行，表6為近10次試驗(yàn)的基本結(jié)果。實(shí)測表明，研發(fā)的特高壓避雷器的彎曲破壞強(qiáng)度平均值約為80 kN，遠(yuǎn)大于要求值，彎曲性能滿足工程需要。

表6 特高壓避雷器彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of bending performance

由于內(nèi)部芯體的存在，雖然采取了嚴(yán)格的密封措施，仍不能絕對避免避雷器內(nèi)部受潮短路的極端故障發(fā)生?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求避雷器進(jìn)行短路電流試驗(yàn)，并規(guī)定短路試驗(yàn)后粉碎的避雷器零部件不得超過一定的范圍。作為支柱使用的特高壓避雷器，一旦粉碎將造成高抗回路的坍塌，嚴(yán)重影響附近設(shè)備的安全，短路試驗(yàn)后試品不允許有粉碎性爆炸；短路電流試驗(yàn)的試品應(yīng)能夠耐受一定的彎曲負(fù)荷。

本文選取短路電流試驗(yàn)后的試品補(bǔ)充進(jìn)行了彎曲負(fù)荷試驗(yàn)。所有試品均為最上端單元節(jié)，試驗(yàn)前已通過短路電流試驗(yàn)，試驗(yàn)電流和持續(xù)時間分別為63 kA/0.2 s、25 kA/0.2 s、12 kA/0.2 s、600 A/1 s不等。表7給出了主要試驗(yàn)結(jié)果，表中最大值表示在該彎曲負(fù)荷下試驗(yàn)中試品未出現(xiàn)異常情況。

表7 短路電流試驗(yàn)后抗彎性能Table 7 Bending performance after short-circuit tests

試驗(yàn)表明，試品的彎曲破壞負(fù)荷與短路電流試驗(yàn)前宣稱的設(shè)計(jì)值（80 kN）相當(dāng)。說明短路電流試驗(yàn)對避雷器外套的彎曲破壞強(qiáng)度影響不大，兼作支柱絕緣子使用的國產(chǎn)特高壓避雷器在遭遇短路電流等極端工況時不會對所在回路造成塌陷性破壞，能夠?yàn)橄到y(tǒng)搶修和更換提供充足的時間。

3.2 抗震性能試驗(yàn)研究

在瓷套基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案和大容量餅狀電阻片及大直徑高強(qiáng)度瓷套研發(fā)的基礎(chǔ)上，本文對真型特高壓避雷器開展了抗震性能試驗(yàn)。試驗(yàn)中抗震試驗(yàn)振動臺輸入地震波為特高壓標(biāo)準(zhǔn)時程波；抗震設(shè)防烈度為8度，50年超越概率為2%，加速度峰值為0.3 g；地震輸入加速度應(yīng)乘以支架動力放大系數(shù)1.4；考慮到避雷器為軸對稱結(jié)構(gòu)，僅進(jìn)行單水平向地震試驗(yàn)；管母線由質(zhì)量為300 kg的配重模擬。

試驗(yàn)時先進(jìn)行加速度峰值為0.05 g白噪聲輸入，持續(xù)時間不少于60 s；然后根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)時程波，以加速度峰值為0.1 g的標(biāo)準(zhǔn)時程波進(jìn)行多次迭代；最后按選定的唯一試驗(yàn)波進(jìn)行正式試驗(yàn)的激勵輸入。

表8給出的試驗(yàn)結(jié)果表明，試品在0.3 g水平加速度下的抗震試驗(yàn)時的安全系數(shù)均大于1.67，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。表中地震負(fù)載為25%的風(fēng)荷載和試件最大應(yīng)力的組合，安全系數(shù)中試件破壞應(yīng)力按50 MPa計(jì)算。

筆者還開展了減震裝置對避雷器耐地震能力的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：減震裝置能夠大幅降低地震作用下避雷器瓷套根部的應(yīng)力，提高避雷器的耐地震水平，從而滿足更高地震設(shè)防烈度的要求。

4 工程應(yīng)用情況

筆者還系統(tǒng)開展了特高壓避雷器用電阻片的工頻電壓耐受時間特性研究，進(jìn)行了動作負(fù)載試驗(yàn)、電壓分布試驗(yàn)、電流分布、短路電流等關(guān)鍵試驗(yàn)驗(yàn)證。目前國內(nèi)4個主流避雷器制造商按本文優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的特高壓避雷器均已通過全部型式試驗(yàn)，并已有超過50只避雷器在淮南-南京-上海工程蘇州站、錫盟-山東工程北京東站、蒙西-天津南工程天津南站等工程中正式運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。后續(xù)還將陸續(xù)應(yīng)用在榆橫-濰坊工程石家莊站和晉中站、上海廟-臨沂直流工程臨沂換流站交流側(cè)、錫盟勝利工程勝利站等工程中陸續(xù)應(yīng)用。

表8 抗震性能試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of seismic performance

5 結(jié)論

1）結(jié)合研究成果提出了塔形結(jié)構(gòu)等應(yīng)力設(shè)計(jì)的避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路，通過仿真計(jì)算提出了具有較高抗震和抗彎性能的避雷器設(shè)計(jì)方案。

2）研發(fā)出適用于交流特高壓避雷器的大容量餅狀電阻片和大直徑高強(qiáng)度瓷套；研發(fā)出能夠兼作支柱絕緣子使用的高強(qiáng)度特高壓避雷器。

3）研發(fā)的避雷器在0.3 g水平加速度下的抗震試驗(yàn)時的安全系數(shù)均大于1.67，能夠在設(shè)備設(shè)防烈度不超過8度的地區(qū)安全運(yùn)行；減震裝置能夠大幅降低地震工況下避雷器根部產(chǎn)生的應(yīng)力，提高避雷器的耐震水平，對于地震設(shè)防烈度更高的地區(qū)，可以考慮試驗(yàn)減震裝置，提高特高壓避雷器的抗震水平。

4）彎曲負(fù)荷破壞強(qiáng)度在80 kN左右，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠兼作支柱絕緣子使用。

5）研發(fā)的特高壓避雷器均已通過全部型式試驗(yàn)，并在多個工程中正式運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。