陳澗龍,梁加凱,馬陽(yáng)曉,李進(jìn)榮,柳俊強(qiáng),朱 凱
(1.國(guó)網(wǎng)浙江義烏市供電有限公司,浙江 金華 322000;2.國(guó)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(shì)。
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(tái))、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(tái)區(qū)如圖1所示。
圖1 某110 kV電纜終端支架(平臺(tái))臺(tái)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(guó)網(wǎng)招標(biāo)物資采購(gòu)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(jì)的產(chǎn)品存在較大差異,因此在檢修時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)后期采購(gòu)的產(chǎn)品,存在接口互換性差,特別是在規(guī)定的限時(shí)停電作業(yè)時(shí)間段內(nèi),無(wú)法順利完成產(chǎn)品更換,給運(yùn)行維護(hù)作業(yè)帶來(lái)較大的困難。
電纜終端支架平臺(tái)根據(jù)電氣布置要求,須要設(shè)計(jì)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(jì)人員一般參考供應(yīng)商的樣本冊(cè)或技術(shù)確認(rèn)圖紙來(lái)確定,由于存在參考資料、信息不全,產(chǎn)品樣本圖冊(cè)陳舊等問(wèn)題,造成不同電纜項(xiàng)目的避雷器設(shè)備接口尺寸不一致。
針對(duì)檢修工作中的難題,研究人員進(jìn)行了以下的研究工作。
避雷器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032—2020《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器》中并沒(méi)有單獨(dú)、明確規(guī)定電纜保護(hù)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(hù)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(hào)為Y(H)10W-102/266或者是Y(H)10W-108/281;220 kV避雷器的型號(hào)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(jìn)設(shè)計(jì)的電纜支架平臺(tái)避雷器固定安裝底座(以下簡(jiǎn)稱通用化底座),就是針對(duì)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。
國(guó)家電網(wǎng)為了規(guī)范避雷器的采購(gòu)工作,制定了10~750 kV 系統(tǒng)用的避雷器采購(gòu)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(wú)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
從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)網(wǎng)物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)看,110~220 kV無(wú)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(shí)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(wú)論是直徑、高度還是重量均有明顯減小或下降,因此國(guó)內(nèi)各個(gè)供應(yīng)商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品底部安裝接口尺寸時(shí),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(duì)金華電纜工區(qū)目前正在投運(yùn)的產(chǎn)品及國(guó)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(jìn)行了收集統(tǒng)計(jì),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(jì)一種適合電纜終端臺(tái)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(jì)的安裝底座安裝孔尺寸
這種裝置的優(yōu)點(diǎn):通用性強(qiáng),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(gè)孔與電纜支架平臺(tái)固定,里側(cè)的4個(gè)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(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí),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
共享裝置除了須滿足避雷器互換、通用的安裝功能設(shè)計(jì)外,還須要考慮其機(jī)械強(qiáng)度能否滿足避雷器的運(yùn)行工況。而電纜終端塔支架平臺(tái)安裝的立式安裝的避雷器,運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)期負(fù)荷(SSL)。
因此立式避雷器的機(jī)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(shí)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(gè)孔與作用力相反方向時(shí)最嚴(yán)苛。
按GB/T 11032—2020《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器》文獻(xiàn)[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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)負(fù)荷:SSL=2.5(F1+F2/2);
同時(shí),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(zhǎng)為D(即受力孔至支點(diǎn)間距)。
圖6 避雷器安裝運(yùn)行時(shí)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(wú)間隙金屬氧化物避雷器》附錄F 機(jī)械試驗(yàn)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。
共享裝置與避雷器底部連接螺栓的強(qiáng)度校核,要求在避雷器額定短時(shí)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(qiáng)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(jí),查設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]8.8級(jí)M16螺栓的最小抗拉許用應(yīng)力σb為830 MPa。
考慮力F3對(duì)螺栓為拉伸作用,因此螺栓在受力變形時(shí)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(jì)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(qiáng)度校核,在避雷器額定短時(shí)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(jì)時(shí)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(qiáng)度。
裝置結(jié)構(gòu)中材質(zhì)一般采用Q235-A 或1045。根據(jù)手冊(cè)[8]Q235-A 鋼板的屈服強(qiáng)度σb=375 MPa,1045鋼板的屈服強(qiáng)度σb=530 MPa。
采用SolidWorks設(shè)計(jì)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(jì)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(tái)設(shè)計(jì)的共享裝置鋼板受力變形很小,應(yīng)力未超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度,如表1和圖7所示。
圖7 SolidWorks靜應(yīng)力分析圖
從表1 的計(jì)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(shí),按圖3 的開(kāi)孔設(shè)計(jì),鋼板最大應(yīng)力均不超過(guò)常用的Q235-A 和1045 鋼材的強(qiáng)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(jì)算結(jié)果
彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。
對(duì)共享裝置樣機(jī)又進(jìn)行了彎曲強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)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(shí)際施加力為F=M1/1.25=5724.8 N。
按SSL耐受60 s 進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果:在共享裝置及鋼管端部施加最大力值6070 N 時(shí)總變形量18.6 mm,位移發(fā)生在鋼管端部,裝置鋼板無(wú)變形且其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于避雷器自身強(qiáng)度。能滿足電纜臺(tái)區(qū)避雷器的承裝應(yīng)用。
電纜終端臺(tái)區(qū)避雷器與電纜終端通常安裝在同一電纜支架平臺(tái)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(gè)絕緣底座,避雷器本體下端通過(guò)接地引線連接監(jiān)測(cè)器后再接入地網(wǎng)。
本文設(shè)計(jì)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(tái)連接,中間通過(guò)鋼管焊接,這樣構(gòu)成一個(gè)共享的避雷器安裝小平臺(tái)(如圖5、6 所示),其共享的特點(diǎn)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(tái)使用,位置在避雷器絕緣底座與電纜平臺(tái)之間,避雷器的接地不經(jīng)過(guò)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(tái)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。
經(jīng)過(guò)校核驗(yàn)證,新設(shè)計(jì)的通用化避雷器安裝共享裝置能滿足電纜終端臺(tái)區(qū)避雷器的安裝要求,并且能覆蓋國(guó)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(guò)改進(jìn)電纜支架平臺(tái)區(qū)避雷器的承裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電纜終端臺(tái)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(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)時(shí)的困難度,提高了工作效率,保障了投運(yùn)產(chǎn)品的安全可靠性。