萬 帥，劉子皓，曹 偉，谷山強，李 健，劉 新，杜雪松

(1.國網(wǎng)電力科學研究院有限公司，南京 211106; 2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074; 3.電網(wǎng)雷擊風險預防湖北省重點實驗室，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、輸送容量最大、電壓等級最高的特高壓輸電工程，是國家“西電東送”戰(zhàn)略重點工程，提升了我國特高壓輸電工程的整體技術水平，對促進全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重大而深遠的意義。吉泉線全長約3 300 km[1]，線路跨度極大，沿線環(huán)境復雜多樣，線路具有較高的雷擊閃絡風險[2-4]。雖然吉泉線在建設之初已考慮了一定的防雷設計，但在超長輸電距離、復雜地形地貌和雷電活動環(huán)境下，仍難以實現(xiàn)全線段的雷電防護[5]。

直流線路避雷器是目前直流輸電線路雷電防護的優(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用[6-10]。吉泉線在工程初期裝設了4臺無間隙避雷器，用于限制線路操作過電壓水平[11]；線路的雷電防護主要依靠小地線保護角、加強線路絕緣強度等手段[12]，尚未應用帶串聯(lián)間隙線路避雷器來進行雷電防護。目前已經(jīng)投運的直流線路避雷器，多采用懸吊式或支撐式安裝結構，±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，絕緣子串斜拉結構難以適應其在桿塔上的應用。文獻[11]針對±1 100 kV無間隙避雷器在吉泉線上的應用，經(jīng)過對比分析，設計了懸吊式支架安裝方式；但串聯(lián)間隙線路避雷器結構不同于無間隙避雷器，其本體元件頂端不與導線固定連接，不存在避雷器與導線關聯(lián)風擺的問題，同時也沒有導線分擔避雷器的重量，±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一步分析。

筆者基于±1 100 kV吉泉線雷電防護的實際需求，研制了±1 100 kV直流輸電線路用復合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，并通過了型式試驗驗證。為實現(xiàn)線路避雷器在吉泉線桿塔上的試點安裝應用，本研究參考已經(jīng)投運的±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構，考慮試點應用桿塔的環(huán)境條件及載荷情況，對比研究了支撐式與懸吊式安裝結構桿塔的受力情況及支架應用的優(yōu)缺點，最終確定了支架支撐并配合懸式復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構穩(wěn)定性問題，滿足長期安全穩(wěn)定運行需求。本研究對我國特高壓輸電線路大尺寸線路避雷器的現(xiàn)場應用具有重要的參考價值。

1 ±1 100 kV線路避雷器基本參數(shù)

1.1 關鍵技術參數(shù)與試驗驗證

直流線路避雷器的關鍵技術參數(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作特性、保護性能、絕緣配合等綜合性能，需根據(jù)線路參數(shù)進行設計[16-19]。

國網(wǎng)公司在前期針對±1 100 kV直流輸電線路的雷電防護需求，發(fā)布了企業(yè)標準Q/GDW 11752-2017《±1 100 kV直流輸電線路用復合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器技術規(guī)范》[20]，對線路避雷器的技術參數(shù)進行了規(guī)定。經(jīng)過對吉泉線的實際運行參數(shù)的調研分析，標準規(guī)定的參數(shù)可以滿足線路的雷電防護需求。本研究參照此標準完成了±1 100 kV直流線路避雷器的參數(shù)制定，并通過了型式試驗驗證。避雷器的技術參數(shù)指標與試驗結果見表1。

表1 ±1 100 kV直流線路避雷器關鍵參數(shù)與驗證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參數(shù)大幅高于指標及同類標準要求，進一步優(yōu)化了避雷器的能量吸收能力與運行安全性能[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行電壓和操作過電壓下不動作；避雷器在本體故障時的直流濕耐受電壓測試結果大于1 190 kV，可以保證在本體故障時不影響線路安全運行。

1.2 主要結構參數(shù)

±1 100 kV直流線路避雷器用于保護±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，降低輸電線路雷擊閃絡率，提高輸電可靠性，其主要結構技術特點有：

1)采用串聯(lián)純空氣間隙結構，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、直流電暈和安裝調整便利性等因素，并參照±1 100 kV架空直流輸電線路設計標準[24]，電極形狀設計成環(huán)形結構。

3)優(yōu)化氧化鋅電阻片的配方工藝設計，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構，充氣微正壓密封設計，具有優(yōu)良的密封防潮性能，保證避雷器長期穩(wěn)定運行。

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

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

圖1 ±1 100 kV直流線路避雷器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the ±1 100 kV DC line arrester

2 避雷器安裝選點

采用差異化防雷評估技術對±1 100 kV吉泉線進行防雷性能研究，對各基桿塔進行防雷計算分析，得出全線桿塔風險評估等級，計算過程綜合考慮了2016年～2020年統(tǒng)計的雷電參數(shù)統(tǒng)計結果、線路走廊的地形地貌特征參數(shù)、桿塔的結構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為0.1次/(100 km·a)(歸算到40個雷暴日，2.78次/(km2·a))。根據(jù)運行經(jīng)驗，±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，對線路的雷擊跳閘率指標值進行換算，得到換算結果及雷擊閃絡風險等級劃分指標?！? 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，得到歸算至標準雷暴日下的雷擊跳閘率考核指標為0.032次/(100 km·a)，其中繞擊跳閘率考核指標為0.030 4次/(100 km·a)，反擊跳閘率考核指標為0.001 6次/(100 km·a)。吉泉線雷擊風險評估等級劃分見表2。

表2 吉泉線雷擊閃絡風險評估等級劃分指標Table 2 Classification index of Ji-Quan transmission line flashover risk level

經(jīng)計算，雷擊A、B、C、D各級的桿塔數(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。

綜合考慮雷擊閃絡風險評估、運維單位工作安排、線路桿塔周邊環(huán)境等因素，選擇在吉泉線安徽段3基雷擊閃絡風險C級以上的直線塔開展避雷器試點應用，編號為1號、2號和3號。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構設計。參考±500 kV～±800 kV直流線路避雷器等投運線路避雷器的運行經(jīng)驗[27-28]，以及吉泉線已投運的無間隙避雷器安裝結構，本次±1 100 kV直流線路避雷器的安裝結構考慮對懸吊式結構和支撐式結構開展對比研究。在開展避雷器的安裝結構設計時應主要考慮其保護的有效性、運行的安全性和安裝的便捷性3個方面[29]。

根據(jù)吉泉線建設規(guī)劃資料，避雷器安裝桿塔環(huán)境的基準風速為30 m/s，覆冰風速為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，大風工況下計算與線路方向成0°、45°、60°及90° 4種風向，覆冰工況、不均勻冰工況和安裝工況計算90°風向。鐵塔覆冰后自重增大系數(shù)按1.1考慮。風壓高度系數(shù)按B類地面選取，其值根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定計算。

1)懸吊式避雷器支架尺寸

避雷器懸掛于導線正上方時，懸掛避雷器采用在塔大號側導線橫擔上設計外挑支架的方式，外挑支架上避雷器掛點需自橫擔底面進行上挑，實際長度根據(jù)不同的塔型以及避雷器間隙距離要求進行調節(jié)，根據(jù)計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線正下方，采用在塔身上，導線橫擔下方設計與導線橫擔同向的小橫擔，避雷器安裝于小橫擔端部。耐張塔避雷器支架位于導線橫擔正下方，懸垂型塔避雷器支架位于導線橫擔下方偏大號側0.5 m處。避雷器的安裝金具實際長度根據(jù)不同的塔型以及避雷器間隙距離要求進行調節(jié)，根據(jù)計算各塔位的支架示意圖見圖3。

圖3 支撐式支架結構尺寸示意圖Fig.3 Structure diagram of the supported bracket

3.2 桿塔應力對比

計算安裝避雷器后桿塔的應力情況，并對兩種支架型式進行對比分析。本次避雷器試點應用的桿塔均為Z301塔型系列，整體結構相近，避雷器及支架的影響基本一致，故本研究僅以桿塔1號的計算情況進行分析說明。桿塔以懸吊式支架安裝避雷器后全塔應力比云圖見圖4，以支撐式支架安裝避雷器后全塔應力比云圖見圖5，應力比云圖為考慮桿件在各工況下最大應力比的包絡圖。

圖4 直線塔懸吊式避雷器支架全塔應力比云圖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，桿塔塔身主材的應力比均在允許范圍內。但是對于懸吊式避雷器支架，桿塔橫擔斜材的應力比大幅增加至178.0%，需進行補強；而對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力比增加至77.6%，桿件應力比有較大的富余。

3.3 避雷器支架方案對比

計算兩種支架的結構重量，在不考慮對原桿塔結構進行補強的重量時，1號、2號和3號桿塔懸吊式支架的構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)濟性更佳，且懸吊式支架安裝不受桿塔呼高限制，適應性更好。

但是懸吊式支架存在嚴重的桿塔橫擔應力比超限問題，需要對原桿塔橫擔進行結構補強，增加施工難度；且對于已投運線路，懸吊式支架在安裝避雷器施工時需要穿越導線，安裝難度高。同時懸吊式避雷器支架安裝在導線橫擔上，以夾具與橫擔相連，且避雷器與支架連接的底座無法前后左右調整，因此對加工及安裝精度要求較高。故對于吉泉線防雷試點改造，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，但沒有塔身應力比超限問題，對原塔結構受力影響小，安全性高。且支撐式支架安裝位置相對較低，避雷器安裝施工無需穿越導線，安裝難度小，同時避雷器安裝位置調節(jié)靈活。

綜上所述，本次吉泉線試點應用±1 100 kV直流避雷器最終選取支撐式支架結構。

4 安裝結構仿真校核與結構優(yōu)化

利用有限元軟件對避雷器進行仿真建模，按照5～39 m/s的風速計算避雷器的結構位移，表4為即避雷器端點位移對比。

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)，隨著風速增大，避雷器端點位移逐漸增大，對于10 m/s風速情況，避雷器端點位移為0.004 9 m，千分比僅0.57‰；對于最大風速39 m/s，避雷器端點的位移為0.074 4 m，千分比為8.61‰。

根據(jù)上述有限元計算結果，即使在極端風荷載條件下避雷器端點位移很小，避雷器本身即可滿足其撓度要求。但考慮到避雷器本體結構高度達到9 m以上，當桿塔與避雷器結構出現(xiàn)風振時，避雷器結構振動可能影響長期穩(wěn)定運行。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)位置前后左右共設置4根拉緊絕緣子與支架相連，提升避雷器結構穩(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，對每根拉緊絕緣子施加15 kN預拉力，約為拉斷力70 kN的20%，在10 m/s和39 m/s風速下對增加拉緊絕緣子的模型進行計算，計算中考慮風振的影響，風振系數(shù)βz取為1.55，避雷器頂端的位移計算結果見表5。

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

考慮風振后，避雷器頂端的風偏位移有一定增加，39 m/s風下最大位移為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風速、不同風向角下避雷器頂端的位移均有較大減小。同時計算絕緣子的軸力，在39 m/s風最不利風向角下的最大軸力僅從預緊力15 kN增大到19.05 kN，遠小于拉斷力70 kN。

至此本研究完成了±1 100 kV直流線路避雷器應用在吉泉線高雷擊風險桿塔上的安裝結構設計，經(jīng)理論計算與仿真分析，形成了避雷器支撐式支架配合懸式復合絕緣子金具串拉緊加固的安裝方式，可以應用于±1 100 kV吉泉線防雷試點改造。

5 結論

本研究基于±1 100 kV吉泉特高壓直流輸電線路的實際防雷需求，設計制造了±1 100 kV直流線路避雷器，并完成了避雷器試點應用的桿塔選點，以及避雷器在桿塔上安裝的支架結構設計，得出如下結論：

1)±1 100 kV直流線路避雷器采用串聯(lián)純空氣間隙結構，性能優(yōu)良。綜合考慮吉泉線全線雷擊閃絡風險評估，選定了高風險桿塔開展避雷器的試點應用。

2)對比計算避雷器支撐式與懸吊式支架安裝方式下桿塔的應力比，懸吊式安裝方式下桿塔應力比超限需要補強。綜合考慮結構安全性、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)為強化避雷器塔上應用時的結構穩(wěn)定性，設計了一種拉緊絕緣子串加固結構，仿真分析結果表明，該加固架構可有效降低避雷器在風力及風振作用下的端點位移。最終提出的支撐式支架配合懸式復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構穩(wěn)定性問題，滿足長期安全穩(wěn)定運行需求。