±1 100 kV直流輸電線路避雷器在吉泉線的應(yīng)用設(shè)計(jì)

萬 帥，劉子皓，曹 偉，谷山強(qiáng)，李 健，劉 新，杜雪松

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，南京 211106; 2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074; 3.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

0 引言

±1 100 kV昌吉—古泉特高壓直流輸電線路工程(以下簡稱“吉泉線”)作為目前世界上輸送距離最遠(yuǎn)、輸送容量最大、電壓等級(jí)最高的特高壓輸電工程，是國家“西電東送”戰(zhàn)略重點(diǎn)工程，提升了我國特高壓輸電工程的整體技術(shù)水平，對(duì)促進(jìn)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重大而深遠(yuǎn)的意義。吉泉線全長約3 300 km[1]，線路跨度極大，沿線環(huán)境復(fù)雜多樣，線路具有較高的雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。雖然吉泉線在建設(shè)之初已考慮了一定的防雷設(shè)計(jì)，但在超長輸電距離、復(fù)雜地形地貌和雷電活動(dòng)環(huán)境下，仍難以實(shí)現(xiàn)全線段的雷電防護(hù)[5]。

直流線路避雷器是目前直流輸電線路雷電防護(hù)的優(yōu)良手段，在國網(wǎng)公司多條±500 kV和±800 kV直流輸電線路中均得到了大量應(yīng)用[6-10]。吉泉線在工程初期裝設(shè)了4臺(tái)無間隙避雷器，用于限制線路操作過電壓水平[11]；線路的雷電防護(hù)主要依靠小地線保護(hù)角、加強(qiáng)線路絕緣強(qiáng)度等手段[12]，尚未應(yīng)用帶串聯(lián)間隙線路避雷器來進(jìn)行雷電防護(hù)。目前已經(jīng)投運(yùn)的直流線路避雷器，多采用懸吊式或支撐式安裝結(jié)構(gòu)，±500 kV直流線路避雷器采用懸吊式支架安裝[7]，±660 kV直流線路避雷器采用支撐式支架安裝，并配合V串支柱絕緣子斜撐加固[13]。長度較長的±800 kV直流線路避雷器則采用一種V串復(fù)合絕緣子斜拉式安裝[9-10]，避雷器底端直接固定在塔身主材上，無需加裝支架，而±1 100 kV直流線路避雷器尺寸、重量都更大，絕緣子串斜拉結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)其在桿塔上的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]針對(duì)±1 100 kV無間隙避雷器在吉泉線上的應(yīng)用，經(jīng)過對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了懸吊式支架安裝方式；但串聯(lián)間隙線路避雷器結(jié)構(gòu)不同于無間隙避雷器，其本體元件頂端不與導(dǎo)線固定連接，不存在避雷器與導(dǎo)線關(guān)聯(lián)風(fēng)擺的問題，同時(shí)也沒有導(dǎo)線分擔(dān)避雷器的重量，±1 100 kV直流線路避雷器安裝支架與桿塔的受力情況還需進(jìn)一步分析。

筆者基于±1 100 kV吉泉線雷電防護(hù)的實(shí)際需求，研制了±1 100 kV直流輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，并通過了型式試驗(yàn)驗(yàn)證。為實(shí)現(xiàn)線路避雷器在吉泉線桿塔上的試點(diǎn)安裝應(yīng)用，本研究參考已經(jīng)投運(yùn)的±400 kV～±800 kV直流線路避雷器以及±1 100 kV無間隙避雷器的安裝結(jié)構(gòu)，考慮試點(diǎn)應(yīng)用桿塔的環(huán)境條件及載荷情況，對(duì)比研究了支撐式與懸吊式安裝結(jié)構(gòu)桿塔的受力情況及支架應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了支架支撐并配合懸式復(fù)合絕緣子金具串拉緊加固的避雷器現(xiàn)場安裝方式，可以解決大尺寸避雷器垂直座式安裝的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，滿足長期安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。本研究對(duì)我國特高壓輸電線路大尺寸線路避雷器的現(xiàn)場應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

1 ±1 100 kV線路避雷器基本參數(shù)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與試驗(yàn)驗(yàn)證

直流線路避雷器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括：額定電壓、雷電沖擊殘壓、雷電沖擊50%放電電壓、直流耐受電壓、直流參考電壓和吸收能力等[14-15]。這些參數(shù)確定了直流線路避雷器的動(dòng)作特性、保護(hù)性能、絕緣配合等綜合性能，需根據(jù)線路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[16-19]。

國網(wǎng)公司在前期針對(duì)±1 100 kV直流輸電線路的雷電防護(hù)需求，發(fā)布了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11752-2017《±1 100 kV直流輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器技術(shù)規(guī)范》[20]，對(duì)線路避雷器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。經(jīng)過對(duì)吉泉線的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的調(diào)研分析，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)可以滿足線路的雷電防護(hù)需求。本研究參照此標(biāo)準(zhǔn)完成了±1 100 kV直流線路避雷器的參數(shù)制定，并通過了型式試驗(yàn)驗(yàn)證。避雷器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 ±1 100 kV直流線路避雷器關(guān)鍵參數(shù)與驗(yàn)證Table 1 Key parameters of ±1 100 kV DC line arrester and test results

其中，避雷器的方波沖擊電流耐受能力與短路電流耐受能力兩項(xiàng)參數(shù)大幅高于指標(biāo)及同類標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步優(yōu)化了避雷器的能量吸收能力與運(yùn)行安全性能[21-23]。為了滿足線路絕緣配合需求，避雷器的雷電沖擊伏秒特性較塔頭空氣間隙的降低了25.7%。此外避雷器的正極性直流濕耐受電壓大于1 320 kV，操作沖擊濕耐受電壓大于1 683 kV，可以保證避雷器在線路運(yùn)行電壓和操作過電壓下不動(dòng)作；避雷器在本體故障時(shí)的直流濕耐受電壓測試結(jié)果大于1 190 kV，可以保證在本體故障時(shí)不影響線路安全運(yùn)行。

1.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

±1 100 kV直流線路避雷器用于保護(hù)±1 100 kV直流輸電線路絕緣子串(或塔頭空氣間隙)免受雷電過電壓引起的雷擊閃絡(luò)，降低輸電線路雷擊閃絡(luò)率，提高輸電可靠性，其主要結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)有：

1)采用串聯(lián)純空氣間隙結(jié)構(gòu)，間隙性能穩(wěn)定電氣可靠性高，即使避雷器本體發(fā)生故障，也不會(huì)影響線路正常、安全、可靠地送電。

2)考慮到均壓效果、直流電暈和安裝調(diào)整便利性等因素，并參照±1 100 kV架空直流輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[24]，電極形狀設(shè)計(jì)成環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3)優(yōu)化氧化鋅電阻片的配方工藝設(shè)計(jì)，研制出大容量、小尺寸、老化特性優(yōu)良的氧化鋅電阻片，避雷器本體非線性特性優(yōu)異，能量吸收能力高。

4)復(fù)合外套采用優(yōu)化的中溫硫化硅橡膠工藝，避免了避雷器環(huán)氧絕緣筒制造過程中的高溫劣化問題，且具有直流電場下極佳的防污閃效果。

5)本體元件采用空心絕緣子結(jié)構(gòu)，充氣微正壓密封設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的密封防潮性能，保證避雷器長期穩(wěn)定運(yùn)行。

6)采用壓力釋放板防爆裝置，引導(dǎo)故障電流能量泄放，防爆性能優(yōu)良，即使發(fā)生爆炸事故也不會(huì)危及周邊設(shè)備人員安全。

避雷器整體結(jié)構(gòu)見圖1，其中單節(jié)元件高2 160 mm，本體加低壓側(cè)電極結(jié)構(gòu)高度約9 088 mm，間隙距離為2 450±50 mm。

圖1 ±1 100 kV直流線路避雷器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the ±1 100 kV DC line arrester

2 避雷器安裝選點(diǎn)

采用差異化防雷評(píng)估技術(shù)對(duì)±1 100 kV吉泉線進(jìn)行防雷性能研究，對(duì)各基桿塔進(jìn)行防雷計(jì)算分析，得出全線桿塔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，計(jì)算過程綜合考慮了2016年～2020年統(tǒng)計(jì)的雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、線路走廊的地形地貌特征參數(shù)、桿塔的結(jié)構(gòu)特征及線路歷年來的雷擊跳閘特征[25-26]?！? 100 kV直流輸電線路雷擊跳閘率指標(biāo)為0.1次/(100 km·a)(歸算到40個(gè)雷暴日，2.78次/(km2·a))。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，±1 100 kV直流輸電線路雷擊事故中繞擊占95%，反擊占5%。根據(jù)線路走廊的地閃密度，對(duì)線路的雷擊跳閘率指標(biāo)值進(jìn)行換算，得到換算結(jié)果及雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)?！? 100 kV全線的平均地閃密度為0.879次/(km2·a)，按照±1 100 kV線路雷擊跳閘率考核值為0.1次/(100 km·a)的要求，得到歸算至標(biāo)準(zhǔn)雷暴日下的雷擊跳閘率考核指標(biāo)為0.032次/(100 km·a)，其中繞擊跳閘率考核指標(biāo)為0.030 4次/(100 km·a)，反擊跳閘率考核指標(biāo)為0.001 6次/(100 km·a)。吉泉線雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分見表2。

表2 吉泉線雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分指標(biāo)Table 2 Classification index of Ji-Quan transmission line flashover risk level

經(jīng)計(jì)算，雷擊A、B、C、D各級(jí)的桿塔數(shù)量比例為36.3%、43.3%、12.6%、7.8%，即有79.6%的桿塔具有相對(duì)較好的防雷性能，有20.4%的桿塔防雷性能不理想，主要集中在河南、安徽區(qū)段。

綜合考慮雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、運(yùn)維單位工作安排、線路桿塔周邊環(huán)境等因素，選擇在吉泉線安徽段3基雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)C級(jí)以上的直線塔開展避雷器試點(diǎn)應(yīng)用，編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。3基桿塔繞擊耐雷水平為45 kA～55 kA，所處區(qū)段的年平均地閃密度為6.684 次/(100 km·a)，是全線地閃密度最大區(qū)段之一。

3 ±1 100 kV線路避雷器基本參數(shù)

3.1 避雷器支架型式

基于選定的直線塔，開展避雷器安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。參考±500 kV～±800 kV直流線路避雷器等投運(yùn)線路避雷器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[27-28]，以及吉泉線已投運(yùn)的無間隙避雷器安裝結(jié)構(gòu)，本次±1 100 kV直流線路避雷器的安裝結(jié)構(gòu)考慮對(duì)懸吊式結(jié)構(gòu)和支撐式結(jié)構(gòu)開展對(duì)比研究。在開展避雷器的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮其保護(hù)的有效性、運(yùn)行的安全性和安裝的便捷性3個(gè)方面[29]。

根據(jù)吉泉線建設(shè)規(guī)劃資料，避雷器安裝桿塔環(huán)境的基準(zhǔn)風(fēng)速為30 m/s，覆冰風(fēng)速為10 m/s，覆冰厚度為10 mm，避雷器各工況下的載荷見表3[30]。

其中，大風(fēng)工況下計(jì)算與線路方向成0°、45°、60°及90° 4種風(fēng)向，覆冰工況、不均勻冰工況和安裝工況計(jì)算90°風(fēng)向。鐵塔覆冰后自重增大系數(shù)按1.1考慮。風(fēng)壓高度系數(shù)按B類地面選取，其值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定計(jì)算。

1)懸吊式避雷器支架尺寸

避雷器懸掛于導(dǎo)線正上方時(shí)，懸掛避雷器采用在塔大號(hào)側(cè)導(dǎo)線橫擔(dān)上設(shè)計(jì)外挑支架的方式，外挑支架上避雷器掛點(diǎn)需自橫擔(dān)底面進(jìn)行上挑，實(shí)際長度根據(jù)不同的塔型以及避雷器間隙距離要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)計(jì)算各塔位的支架示意圖見圖2。

2)支撐式避雷器支架尺寸

支撐式避雷器安裝于導(dǎo)線正下方，采用在塔身上，導(dǎo)線橫擔(dān)下方設(shè)計(jì)與導(dǎo)線橫擔(dān)同向的小橫擔(dān)，避雷器安裝于小橫擔(dān)端部。耐張塔避雷器支架位于導(dǎo)線橫擔(dān)正下方，懸垂型塔避雷器支架位于導(dǎo)線橫擔(dān)下方偏大號(hào)側(cè)0.5 m處。避雷器的安裝金具實(shí)際長度根據(jù)不同的塔型以及避雷器間隙距離要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)計(jì)算各塔位的支架示意圖見圖3。

圖3 支撐式支架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.3 Structure diagram of the supported bracket

3.2 桿塔應(yīng)力對(duì)比

計(jì)算安裝避雷器后桿塔的應(yīng)力情況，并對(duì)兩種支架型式進(jìn)行對(duì)比分析。本次避雷器試點(diǎn)應(yīng)用的桿塔均為Z301塔型系列，整體結(jié)構(gòu)相近，避雷器及支架的影響基本一致，故本研究僅以桿塔1號(hào)的計(jì)算情況進(jìn)行分析說明。桿塔以懸吊式支架安裝避雷器后全塔應(yīng)力比云圖見圖4，以支撐式支架安裝避雷器后全塔應(yīng)力比云圖見圖5，應(yīng)力比云圖為考慮桿件在各工況下最大應(yīng)力比的包絡(luò)圖。

圖4 直線塔懸吊式避雷器支架全塔應(yīng)力比云圖Fig.4 Full tower stress ratio cloud map of the tangent tower with suspension bracket

圖5 直線塔支撐式避雷器支架全塔應(yīng)力比云圖Fig.5 Full tower stress ratio cloud map of the tangent tower with supported bracket

由圖4與圖5可知，安裝兩種型式的避雷器支架及避雷器后，桿塔塔身主材的應(yīng)力比均在允許范圍內(nèi)。但是對(duì)于懸吊式避雷器支架，桿塔橫擔(dān)斜材的應(yīng)力比大幅增加至178.0%，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；而對(duì)于支撐式避雷器支架，桿塔與避雷器支架下端連接的主材應(yīng)力比增加至77.6%，桿件應(yīng)力比有較大的富余。

3.3 避雷器支架方案對(duì)比

計(jì)算兩種支架的結(jié)構(gòu)重量，在不考慮對(duì)原桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的重量時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)桿塔懸吊式支架的構(gòu)件與螺栓總重量分別為1 142.7 kg、1 156.5 kg和1 155.1 kg，而支撐式支架總重量分別為2 058.0 kg、2 083.4 kg和2 117.3 kg，可見懸吊式支架重量較支撐式支架重量大幅降低，材料經(jīng)濟(jì)性更佳，且懸吊式支架安裝不受桿塔呼高限制，適應(yīng)性更好。

但是懸吊式支架存在嚴(yán)重的桿塔橫擔(dān)應(yīng)力比超限問題，需要對(duì)原桿塔橫擔(dān)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，增加施工難度；且對(duì)于已投運(yùn)線路，懸吊式支架在安裝避雷器施工時(shí)需要穿越導(dǎo)線，安裝難度高。同時(shí)懸吊式避雷器支架安裝在導(dǎo)線橫擔(dān)上，以夾具與橫擔(dān)相連，且避雷器與支架連接的底座無法前后左右調(diào)整，因此對(duì)加工及安裝精度要求較高。故對(duì)于吉泉線防雷試點(diǎn)改造，并不適合采用懸吊式支架型式。

相比之下，支撐式避雷器支架雖然重量更大，但沒有塔身應(yīng)力比超限問題，對(duì)原塔結(jié)構(gòu)受力影響小，安全性高。且支撐式支架安裝位置相對(duì)較低，避雷器安裝施工無需穿越導(dǎo)線，安裝難度小，同時(shí)避雷器安裝位置調(diào)節(jié)靈活。

綜上所述，本次吉泉線試點(diǎn)應(yīng)用±1 100 kV直流避雷器最終選取支撐式支架結(jié)構(gòu)。

4 安裝結(jié)構(gòu)仿真校核與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用有限元軟件對(duì)避雷器進(jìn)行仿真建模，按照5～39 m/s的風(fēng)速計(jì)算避雷器的結(jié)構(gòu)位移，表4為即避雷器端點(diǎn)位移對(duì)比。

表4 避雷器頂端位移Table 4 Displacement of the top of the arrester

從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速增大，避雷器端點(diǎn)位移逐漸增大，對(duì)于10 m/s風(fēng)速情況，避雷器端點(diǎn)位移為0.004 9 m，千分比僅0.57‰；對(duì)于最大風(fēng)速39 m/s，避雷器端點(diǎn)的位移為0.074 4 m，千分比為8.61‰。

根據(jù)上述有限元計(jì)算結(jié)果，即使在極端風(fēng)荷載條件下避雷器端點(diǎn)位移很小，避雷器本身即可滿足其撓度要求。但考慮到避雷器本體結(jié)構(gòu)高度達(dá)到9 m以上，當(dāng)桿塔與避雷器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)風(fēng)振時(shí)，避雷器結(jié)構(gòu)振動(dòng)可能影響長期穩(wěn)定運(yùn)行。而±1 100 kV線路工程可靠性要求極高，為改善避雷器受力模式，使其更加穩(wěn)固可靠，在從下向上的第2節(jié)位置前后左右共設(shè)置4根拉緊絕緣子與支架相連，提升避雷器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，見圖6。

圖6 拉緊絕緣子布局示意圖Fig.6 Diagram of tension insulator layout

建立增加拉緊絕緣子后的避雷器有限元模型，對(duì)每根拉緊絕緣子施加15 kN預(yù)拉力，約為拉斷力70 kN的20%，在10 m/s和39 m/s風(fēng)速下對(duì)增加拉緊絕緣子的模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中考慮風(fēng)振的影響，風(fēng)振系數(shù)βz取為1.55，避雷器頂端的位移計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 增加拉緊絕緣子前后避雷器頂端位移對(duì)比Table 5 Comparison of top displacement of arrester before and after installing tension insulator

考慮風(fēng)振后，避雷器頂端的風(fēng)偏位移有一定增加，39 m/s風(fēng)下最大位移為0.12 m，千分比約為13.89‰。增加拉緊絕緣子后，在10 m/s和39 m/s風(fēng)速、不同風(fēng)向角下避雷器頂端的位移均有較大減小。同時(shí)計(jì)算絕緣子的軸力，在39 m/s風(fēng)最不利風(fēng)向角下的最大軸力僅從預(yù)緊力15 kN增大到19.05 kN，遠(yuǎn)小于拉斷力70 kN。

至此本研究完成了±1 100 kV直流線路避雷器應(yīng)用在吉泉線高雷擊風(fēng)險(xiǎn)桿塔上的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)理論計(jì)算與仿真分析，形成了避雷器支撐式支架配合懸式復(fù)合絕緣子金具串拉緊加固的安裝方式，可以應(yīng)用于±1 100 kV吉泉線防雷試點(diǎn)改造。

5 結(jié)論

本研究基于±1 100 kV吉泉特高壓直流輸電線路的實(shí)際防雷需求，設(shè)計(jì)制造了±1 100 kV直流線路避雷器，并完成了避雷器試點(diǎn)應(yīng)用的桿塔選點(diǎn)，以及避雷器在桿塔上安裝的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：

1)±1 100 kV直流線路避雷器采用串聯(lián)純空氣間隙結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)良。綜合考慮吉泉線全線雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，選定了高風(fēng)險(xiǎn)桿塔開展避雷器的試點(diǎn)應(yīng)用。

2)對(duì)比計(jì)算避雷器支撐式與懸吊式支架安裝方式下桿塔的應(yīng)力比，懸吊式安裝方式下桿塔應(yīng)力比超限需要補(bǔ)強(qiáng)。綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、施工便利度等因素，本研究選擇采用支撐式支架安裝±1 100 kV直流線路避雷器。

3)為強(qiáng)化避雷器塔上應(yīng)用時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種拉緊絕緣子串加固結(jié)構(gòu)，仿真分析結(jié)果表明，該加固架構(gòu)可有效降低避雷器在風(fēng)力及風(fēng)振作用下的端點(diǎn)位移。最終提出的支撐式支架配合懸式復(fù)合絕緣子金具串拉緊加固的安裝方式可以解決大尺寸避雷器垂直座式安裝的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，滿足長期安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。