110～220 kV電纜終端避雷器底座共享裝置的研究

陳澗龍，梁加凱，馬陽曉，李進榮，柳俊強，朱 凱

（1.國網(wǎng)浙江義烏市供電有限公司，浙江 金華 322000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

電纜是一種輸配電系統(tǒng)中用于電力傳輸?shù)闹匾O(shè)備，在城市電力傳輸需求中，與架空線路相比較具有不可替代的優(yōu)勢。

電纜終端與架空線路相連接，通常采用電纜登桿（塔）方式，桿（塔）上設(shè)置有電纜終端支架（或平臺）、避雷器、接地箱及接地引下線等相關(guān)設(shè)備。某110 kV電纜終端支架臺區(qū)如圖1所示。

圖1 某110 kV電纜終端支架（平臺）臺區(qū)

橫擔(dān)絕緣子和氧化鋅避雷器、電纜終端的絕緣外套材料有瓷和硅橡膠2 種。目前以復(fù)合硅橡膠居多。雖然《國網(wǎng)招標(biāo)物資采購技術(shù)規(guī)》規(guī)定了統(tǒng)一的高壓接口和底座安裝尺寸，但各避雷器生產(chǎn)廠家設(shè)計的產(chǎn)品存在較大差異，因此在檢修時，經(jīng)常出現(xiàn)后期采購的產(chǎn)品，存在接口互換性差，特別是在規(guī)定的限時停電作業(yè)時間段內(nèi)，無法順利完成產(chǎn)品更換，給運行維護作業(yè)帶來較大的困難。

電纜終端支架平臺根據(jù)電氣布置要求，須要設(shè)計避雷器固定座、電纜終端頭固定架、檢修通道、接地箱固定架等相關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備的接口尺寸，設(shè)計人員一般參考供應(yīng)商的樣本冊或技術(shù)確認(rèn)圖紙來確定，由于存在參考資料、信息不全，產(chǎn)品樣本圖冊陳舊等問題，造成不同電纜項目的避雷器設(shè)備接口尺寸不一致。

1 對電纜終端臺區(qū)避雷器底座安裝共享裝置的研究

針對檢修工作中的難題，研究人員進行了以下的研究工作。

1.1 查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

避雷器國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032—2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》中并沒有單獨、明確規(guī)定電纜保護型避雷器的相關(guān)技術(shù)要求，考慮電纜作為變電設(shè)備保護的用途，所選擇的避雷器大多為變電站用金屬氧化物避雷器，例如110 kV避雷器的型號為Y(H)10W-102/266或者是Y(H)10W-108/281；220 kV避雷器的型號為Y(H)10W-204/532或者是Y(H)10W-216/562。它們的安裝方式基本分為2 種：（1）立式（或支架式）安裝，如圖1所示；（2）懸掛式安裝，該種安裝多數(shù)用于電纜終端掛于鐵塔橫擔(dān)處，以第（1）種居多。本文所提出的通用化改進設(shè)計的電纜支架平臺避雷器固定安裝底座（以下簡稱通用化底座），就是針對立式安裝的避雷器。

避雷器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9671—2006《避雷器安裝尺寸及接線端子尺寸》規(guī)定了電力系統(tǒng)和電氣化鐵道供電系統(tǒng)用額定電壓為5～468 kV 避雷器（瓷外套和復(fù)合外套）安裝尺寸和接線端子尺寸。避雷器額定電壓（有效值）為84～216 kV，安裝孔處鋼板厚度≤12 mm。

1.2 查閱國家電網(wǎng)對避雷器接口尺寸的要求

國家電網(wǎng)為了規(guī)范避雷器的采購工作，制定了10～750 kV 系統(tǒng)用的避雷器采購標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)分為通用技術(shù)規(guī)范和專用技術(shù)規(guī)范兩大類，在通用技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了避雷器電氣一次接口尺寸要求，其中110 kV和220 kV交流無間隙金屬氧化物避雷器的安裝底座尺寸如圖2所示[5-6]。

圖2 110 kV和220 kV避雷器安裝示意圖

1.3 研究國內(nèi)主流避雷器供應(yīng)商的復(fù)合外套避雷器底部安裝接口尺寸

從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國網(wǎng)物資采購標(biāo)準(zhǔn)看，110～220 kV無間隙金屬氧化物避雷器的安裝底座螺孔尺寸均是孔中心距為270 mm，4 -?18 mm。實際上這是基于傳統(tǒng)110～220 kV瓷外套避雷器的底座尺寸。隨著復(fù)合外套避雷器產(chǎn)品的出現(xiàn)，大大縮小了產(chǎn)品外形尺寸，無論是直徑、高度還是重量均有明顯減小或下降，因此國內(nèi)各個供應(yīng)商在設(shè)計產(chǎn)品底部安裝接口尺寸時，瓷外套避雷器的接口尺寸基本統(tǒng)一，而復(fù)合外套避雷器產(chǎn)品的底部安裝接口尺寸則各有不同，因此筆者對金華電纜工區(qū)目前正在投運的產(chǎn)品及國內(nèi)主流的避雷器供應(yīng)商的110～220 kV電站型支架式復(fù)合外套避雷器產(chǎn)品的底部安裝接口尺寸進行了收集統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示，圖中尺寸單位均為mm。

圖3 各供應(yīng)商110-220 kV復(fù)合外套避雷器底部安裝接口尺寸

從圖4中可看出，110～220 kV避雷器底座安裝孔尺寸分為四孔固定和三孔固定兩類，而四孔是90°分布，三孔為120°分布，所差異的是n-孔中心圓直徑數(shù)值，因此可以設(shè)計一種適合電纜終端臺區(qū)避雷器安裝的共享裝置，其接口尺寸呈不同角度放射狀一字槽型安裝孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 新設(shè)計的安裝底座安裝孔尺寸

這種裝置的優(yōu)點：通用性強，不同廠家的產(chǎn)品可以互換；可調(diào)，即避雷器安裝后，在水平橫向及縱向可以微小調(diào)整位移，以便于安裝就位。

安裝示意圖如圖5所示。共享裝置最外面的4個孔與電纜支架平臺固定，里側(cè)的4個孔中心距為270 mm，直徑18 mm孔用于安裝固定110～220 kV瓷外套避雷器使用；中間90°等分的4個長槽孔用于底座為4孔的復(fù)合外套型避雷器安裝固定，另外120°等分的3根長槽孔用于底座為3孔的復(fù)合外套型避雷器安裝固定，其中兩種復(fù)合外套避雷器安裝型式共用一根槽型孔。在使用時，可以適應(yīng)不同廠家的孔間距。

圖5 110 kV復(fù)合外套避雷器安裝照片

2 新設(shè)計裝置的強度校核條件

共享裝置除了須滿足避雷器互換、通用的安裝功能設(shè)計外，還須要考慮其機械強度能否滿足避雷器的運行工況。而電纜終端塔支架平臺安裝的立式安裝的避雷器，運行時主要承受接線端子處的導(dǎo)線水平拉力和避雷器本體的風(fēng)壓力載荷，即避雷器的長期負(fù)荷（SSL）。

因此立式避雷器的機械特性主要表現(xiàn)為耐受彎曲載荷，而應(yīng)力集中的位置在避雷器與共享裝置的連接處。根據(jù)避雷器受力情況（如圖7所示），避雷器受彎曲負(fù)荷時與作用力相反方向一側(cè)的安裝孔受力，尤其以避雷器底部是3 孔固定，出現(xiàn)一個孔與作用力相反方向時最嚴(yán)苛。

按GB/T 11032—2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》文獻[7]規(guī)定避雷器應(yīng)能耐受制造廠宣稱的彎曲負(fù)荷值：規(guī)定的長期負(fù)荷SLL=(F1+F2/2)；規(guī)定的短期負(fù)荷SSL等于2.5倍規(guī)定的長期負(fù)荷SLL，而避雷器頂端導(dǎo)線最大允許水平拉力為F1，折算到避雷器頂部的風(fēng)壓力載荷為F2/2；

因此避雷器的額定短時負(fù)荷：SSL=2.5(F1+F2/2)；

同時，避雷器高度為H；底座及裝置的安裝螺栓的受力為F3（如圖6所示），F(xiàn)3的力臂長為D（即受力孔至支點間距）。

圖6 避雷器安裝運行時受力圖避雷器額定短期負(fù)荷

SSL下力矩為M1=2.5(F1+F2/2)×H；

共享裝置與避雷器底座連接螺栓處的力矩為M2=F3×D；

依據(jù)力矩平衡原則，得出M1=M2。

另外根據(jù)GB/T 11032—2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》附錄F 機械試驗中，表F.1 84-216 kV 避雷器最大允許水平作用力F1=490 N 或980 N。

3 應(yīng)用于220 kV復(fù)合避雷器的強度計算

共享裝置與避雷器底部連接螺栓的強度校核，要求在避雷器額定短時負(fù)荷SSL（風(fēng)壓力和接線端子受水平拉力）下，裝置連接固定螺栓抗拉應(yīng)力應(yīng)小于其屈服強度。

220 kV復(fù)合避雷器下端與共享裝置連接螺栓為M16，8.8級，查設(shè)計手冊[8]8.8級M16螺栓的最小抗拉許用應(yīng)力σb為830 MPa。

考慮力F3對螺栓為拉伸作用，因此螺栓在受力變形時應(yīng)力σ=F3/As；

式中：As為螺栓受力有效面積，d2為螺紋中徑；d3為螺紋小徑減H/6；H為螺紋原始三角形高度H=0.866025P；P為螺距。

根據(jù)計算M16×1.5螺栓有效截面積As=167mm2，M12×1.25螺栓的As=92.1 mm2。

共享裝置自身的強度校核，在避雷器額定短時負(fù)荷SSL下，共享裝置的安裝固定孔發(fā)生彎曲變形，因此設(shè)計時要求裝置在最大負(fù)荷下的彎曲應(yīng)力應(yīng)小于其材料的屈服強度。

裝置結(jié)構(gòu)中材質(zhì)一般采用Q235-A 或1045。根據(jù)手冊[8]Q235-A 鋼板的屈服強度σb=375 MPa，1045鋼板的屈服強度σb=530 MPa。

采用SolidWorks設(shè)計軟件模擬避雷器受力工況，將裝置的底板鋼板固定孔和避雷器連接孔為固定夾具約束，在與避雷器等高的圓柱體端部施加SSL，計算通用化底座鋼板與避雷器連接孔周圍彎曲應(yīng)力，從結(jié)果看應(yīng)力集中的部位發(fā)生在避雷器與其自身底座根部，而電纜支架平臺設(shè)計的共享裝置鋼板受力變形很小，應(yīng)力未超過其材料的屈服強度，如表1和圖7所示。

圖7 SolidWorks靜應(yīng)力分析圖

從表1 的計算結(jié)果可看出，12 mm 厚的共享裝置鋼板在220 kV 避雷器承受額定短期負(fù)荷SSL時，按圖3 的開孔設(shè)計，鋼板最大應(yīng)力均不超過常用的Q235-A 和1045 鋼材的強度限值，而且固定螺栓的選用也是合理的。

表1 避雷器受力計算結(jié)果

彎曲試驗驗證。

對共享裝置樣機又進行了彎曲強度試驗，試驗的方案：

采用0.5 倍的220 kV 避雷器高度（即為1.25 m）的鋼管替代避雷器本體元件（如圖7所示），目的是考核共享裝置的機械強度，排除復(fù)合避雷器本體元件較大變形的影響。

鋼管與共享裝置等效采用避雷器底座連接方式，螺栓采用M16×50，安裝孔為3孔布置，孔間距170 mm（取圖4中220 kV避雷器安裝孔間距最小的尺寸）。

由于高度降低了，依據(jù)力矩平衡原則，鋼管頂部實際施加力為F=M1/1.25=5724.8 N。

按SSL耐受60 s 進行試驗。試驗結(jié)果：在共享裝置及鋼管端部施加最大力值6070 N 時總變形量18.6 mm，位移發(fā)生在鋼管端部，裝置鋼板無變形且其強度遠(yuǎn)大于避雷器自身強度。能滿足電纜臺區(qū)避雷器的承裝應(yīng)用。

4 共享裝置的應(yīng)用對接地的影響

電纜終端臺區(qū)避雷器與電纜終端通常安裝在同一電纜支架平臺上，避雷器的接地與電纜終端頭的屏蔽層同一接地網(wǎng)；其中避雷器往往自帶一個絕緣底座，避雷器本體下端通過接地引線連接監(jiān)測器后再接入地網(wǎng)。

本文設(shè)計的避雷器底座共享裝置是由雙層金屬鋼板構(gòu)成，上層為避雷器通用型連接面板，底部是一塊矩形底板與電纜支架平臺連接，中間通過鋼管焊接，這樣構(gòu)成一個共享的避雷器安裝小平臺（如圖5、6 所示），其共享的特點體現(xiàn)在可以覆蓋目前行業(yè)中主流的避雷器制造商的產(chǎn)品安裝接口尺寸。

由于本裝置是作為避雷器安裝的共享平臺使用，位置在避雷器絕緣底座與電纜平臺之間，避雷器的接地不經(jīng)過該裝置，如前面所述避雷器的接地是直接從其本體下端作引下入地處理。因此在電纜終端平臺上設(shè)置避雷器底座安裝共享裝置并不影響避雷器的接地性能。

5 結(jié)束語

經(jīng)過校核驗證，新設(shè)計的通用化避雷器安裝共享裝置能滿足電纜終端臺區(qū)避雷器的安裝要求，并且能覆蓋國內(nèi)大部分主流避雷器供應(yīng)商的110～220 kV避雷器產(chǎn)品的接口尺寸。

通過改進電纜支架平臺區(qū)避雷器的承裝設(shè)計結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電纜終端臺區(qū)避雷器的安裝共享通用在金華電纜工區(qū)推廣使用，大大改善電纜班組在電纜終端臺區(qū)現(xiàn)場檢修作業(yè)時的困難度，提高了工作效率，保障了投運產(chǎn)品的安全可靠性。