兼作支柱用高抗震性能特高压避雷器的研发

张搏宇，张翠霞，贺子鸣，时卫东，殷 禹，卢智成，刘振林，徐学亭，宋继军，何计谋，杨雪峰，陈开金，汤晓中

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.南阳金冠电气有限公司，河南南阳 473057；3.平高东芝（廊坊）避雷器有限公司，河北廊坊 065001；4.西安西电避雷器有限责任公司，西安 710200；5.醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司，湖南醴陵 412200；6.西安西电高压电瓷有限责任公司，西安 710077；7.抚顺电瓷制造有限公司，辽宁抚顺 113126）

0 引言

避雷器是电力系统中最主要的过电压保护设备，对系统的绝缘水平和工程造价有重要影响[1]。皖电东送工程以来，特高压变电站高抗回路取消了支柱绝缘子，避雷器除承担传统限制雷电和操作过电压的作用外[2-10]，还要承担支柱绝缘子的功能，对避雷器的机械强度要求较高[11-12]；另一方面，随着交流特高压输电工程在北京东、潍坊等高地震烈度地区的建设，对特高压避雷器的抗震性能要求也越来越高。

尽可能降低特高压避雷器的结构质量和重心是提高其抗震性能的根本出路。笔者结合特高压避雷器研发经验[13-18]和国内外电气设备耐地震性能研究成果[19-24]，提出了塔形结构等应力设计的避雷器设计新思路，在多年技术积累的基础上，研发出适用于特高压避雷器且具有自主知识产权的国产饼状电阻片，开发出避雷器用高强度大直径瓷外套。进行了耐地震和弯曲性能计算研究，并通过了实际试验验证。目前，本文研制的能够兼作支柱用高强度特高压避雷器已在北京东、苏州等特高压变电站安全稳定运行。

1 特高压避雷器关键结构参数研究

1.1 关键结构参数初步研究

地震作用力与结构质量成正比，减小结构质量，特别是上部质量能够降低地震条件下底部固定端的作用应力；总体高度影响结构重心与频率，降低结构高度能够减小地震响应；大风引起的弯曲负荷和地震荷载作用下，避雷器不同高度处承受的弯矩大致与到顶端的距离成正比，采用塔形结构优化避雷器外套的截面系数，降低顶部外套的尺寸和重量，增大底部瓷套的耐受弯矩，可实现不同位置避雷器外套承受的应力基本相等，从而提高整只避雷器的抗震和抗弯能力。另外，适当加大套管与法兰胶装比，能充分发挥材料强度。

根据塔形结构等应力设计原则，笔者提出了3种初步方案，表1给出了3种方案的基本结构参数，3种方案均采用4个避雷器单元节串联结构，每个单元节瓷件的高度均为2810 mm；设计目标为能够耐受峰值加速度为0.3 g的地震组合负载，能够兼作支柱绝缘子使用。

1.2 抗震性能计算研究

笔者利用ANSYS软件建立数值模型对初步方案进行了抗震性能计算。模型中设备均压环与连接板重量采用集中质量模拟，法兰按照标准要求进行简化模拟，将法兰与瓷套管连接的弯曲刚度由一个等效梁单元代替。梁单元的等效弯曲刚度按式（1）计算：

表1 初步方案的瓷套结构参数Table 1 The structural parameters of porcelain

式中：β为瓷套与法兰连接部位弯曲刚度系数，当胶装部位瓷套管外径≤275 mm时，取6.54×107，当瓷套外径≥375 mm时，取5.0×107，当瓷套外径在275～375 mm，可线性插值获得；Kc为弯曲刚度，N·m/rad；dc为瓷套管胶装部位外径，m；hc为瓷套管与法兰胶装高度，m；te为法兰与瓷套管之间的间隙距离，m。

梁单元的截面惯性矩可按式（2）计算：

式中：Ic为截面惯性矩，m4；Lc为梁单元长度，m，取瓷套管长度的1/20；Ec为瓷套管的弹性模量，m。

设备自身结构的阻尼比取0.02，按照瑞利阻尼的形式加入计算模型。

计算了地震峰值加速度为0.3 g时的设备响应，其中管母线按300 kg集中质量考虑。按照相关标准，地震荷载组合为（1.0×重力荷载）＋（0.25×1.0×风荷载）＋（1.4×地震荷载），其中1.4为支架动力放大系数；瓷套的许用应力取50 MPa，安全系数应不超过1.67。

表2所示的计算结果表明，在地震动峰值加速度为0.3 g作用下，方案1至方案3的最小安全系数分别为1.62、1.39和1.56，不满足标准要求。

表2 耐震性能计算结果Table 2 The calculation results of seismic performance

为了确保在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，本文根据计算结果和上述分析，提出了再次优化后的设计方案。计算结果表明，在地震动峰值加速度为0.3 g作用下，优化方案的最小安全系数为1.76，满足标准要求。

1.3 抗弯性能计算研究

计算表明：方案优化后，特高压避雷器达到了预期的抗震性能，笔者在此基础上开展了抗弯性能计算研究。

避雷器的弯曲耐受负载应包括：规定作用于接线端子板的水平荷载和设备自身最大风荷载。弯曲耐受性能的安全系数不应小于2.5。

标准规定特高压避雷器接线端子板的允许导线张力不应低于下列数值：水平纵向力4 kN；水平横向力4 kN；垂直方向力5.5 kN

作用于避雷器单位迎风面积上的风压力应按式（3）计算：

式中：ωk为风荷载标准值，kN/m2；βz为z高度处的风振系数，交流特高压避雷器取1.7；μs为风荷载体型系数，通常横截面为圆形时取0.6，横截面为锯齿状时取1.2，交流特高压避雷器横截面介于两者之间，建议取0.8～1.0；μz为风压高度变化系数，相关值见表3；ω0为基本风压值，kN/m2，按百年一遇进行计算（风速取35 m/s），取为0.766 kN/m2。

对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表3确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D 4类：A类指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

表3 风压高度变化系数Table 3 Height variation coefficient of wind pressure

根据上述公式要求和国内4个主流特高压避雷器制造商按照优化方案设计的特高压避雷器基本参数，进行了风荷载计算，表4给出了计算结果。

表4 风压力计算结果Table 4 Calculation results of wind pressure

4个制造厂的瓷套结构完全一致，均压环、底座、法兰等根据各自的技术路线有一定区别，计算得到的风压力基本一致，在8.6～10.0 kN不等。考虑到导线水平拉力和2.5倍的安全系数，避雷器的弯曲负荷耐受能力应不小于40 kN。

本文根据避雷器的基本结构参数计算了弯曲负荷下避雷器各个单元节底部产生的弯曲应力。结果表明，按国内典型避雷器瓷套的许用应力50 MPa计算，避雷器能够耐受的弯曲负荷约为80 kN，远大于上述要求值；另外，计算还表明，80 kN顶部弯曲负荷下，各单元节底部的应力在47～50 MPa之间，符合等应力设计的基本原则，既充分利用了瓷套的许用应力，节约了资源消耗，又提高了瓷套避雷器的弯曲性能。

2 关键元部件研制

2.1 大容量饼状电阻片研发

减小电阻片直径，才能够实现在直径较小的顶部瓷套（内径380 mm）内部合理布置电阻片和均压电容，从而降低顶部重量。

交流特高压避雷器对金属氧化物电阻片的非线性特性、通流能力和老化性要求都明显高于常规避雷器。传统具有完全自主知识产权的国产特高压避雷器用电阻片一般为环状结构，直径从128～136 mm不等。随着电阻片配方和制造技术的进步，国内3个主流避雷器制造商先后独立研制出适用于交流特高压避雷器的环状结构金属氧化物电阻片，直径从105～115 mm不等，总体性能到达或接近国际领先水平。表5给出了新研制的几种电阻片型式试验时的主要技术参数。

表5 新研发的大容量电阻片主要技术参数Table 5 Main parameters of resistors with large diameter

工频电压耐受时间特性是避雷器最重要的技术参数之一，关系着避雷器的额定电压等基本参数的选择及避雷器长期安全可靠性。本文结合现有试验条件和标准规定，研究了新研发的电阻片工频电压极限耐受时间特性，结果表明，国产典型特高压避雷器用电阻片在1.00Ur下耐受时间远大于10 s，在1.05Ur和1.10Ur下可耐受时间分别不小于7.3 s和1.1 s。从工频电压耐受时间特性的角度考虑，新研发的大容量饼状电阻片满足额定电压为828 kV的特高压避雷器的技术要求。另外，若某一特高压工程的工频暂时过电压低于线路侧1.4 p.u.或母线侧1.3 p.u.时，从工频电压耐受的角度考虑，可适当进一步降低特高压避雷器的额定电压至780 kV。

2.2 大直径高强度瓷套研发

提高特高压避雷器的抗震性能和抗弯性能，大直径高强度瓷套的研发是关键。优化方案中涉及到的瓷件厚度、直径、重量都比较大，属于特大型的瓷件，对瓷件的机械强度和冷热性能要求均为该类瓷套的最高水平，研发制造难度大。

针对湿法电瓷整体成型工艺生产难度大的技术问题，提出了“分节成型、无机粘接、二次焙烧”的总体技术路线；开发了确保冷热性能的无机粘接釉配方，并对样机进行了温差70℃共9次的温度循环试验，能够确保瓷件的冷热性能。

国内多个主流瓷套制造商根据优化设计方案相继研发制造出高强度大直径瓷外套，实际进行的抗弯破坏试验表明，研发的大直径高强度瓷套的破坏强度在50 MPa左右，达到了预期目标。

3 关键机械性能试验研究

3.1 弯曲性能试验研究

需要进行弯曲破坏试验验证研发的避雷器的弯曲性能，并为抗震性能的评估提供弹性模量和弯曲破坏强度两个基本参数。弯曲破坏试验由弹性模量测量和弯曲破坏值测量两个部分组成。试验时尽可能模拟实际安装，试验试品为整只避雷器空瓷套（包括底座），试验时测量不同位置处对应的力臂（如顶部至底座瓷套根部/至最下节瓷套根部），根据不同制造商的技术路线，4个设计在法兰结构和均压环及内部结构上略有不同。

弹性模量测量依据试验分为初加载和正式加载两个步骤。设计4的试验表明：4个主流制造商研发的避雷器瓷套的弹性模量平均值约为110 GPa。

弯曲破坏值测量依据GB/T 775.3—1987进行，表6为近10次试验的基本结果。实测表明，研发的特高压避雷器的弯曲破坏强度平均值约为80 kN，远大于要求值，弯曲性能满足工程需要。

表6 特高压避雷器弯曲性能试验结果Table 6 Test results of bending performance

由于内部芯体的存在，虽然采取了严格的密封措施，仍不能绝对避免避雷器内部受潮短路的极端故障发生。现行标准要求避雷器进行短路电流试验，并规定短路试验后粉碎的避雷器零部件不得超过一定的范围。作为支柱使用的特高压避雷器，一旦粉碎将造成高抗回路的坍塌，严重影响附近设备的安全，短路试验后试品不允许有粉碎性爆炸；短路电流试验的试品应能够耐受一定的弯曲负荷。

本文选取短路电流试验后的试品补充进行了弯曲负荷试验。所有试品均为最上端单元节，试验前已通过短路电流试验，试验电流和持续时间分别为63 kA/0.2 s、25 kA/0.2 s、12 kA/0.2 s、600 A/1 s不等。表7给出了主要试验结果，表中最大值表示在该弯曲负荷下试验中试品未出现异常情况。

表7 短路电流试验后抗弯性能Table 7 Bending performance after short-circuit tests

试验表明，试品的弯曲破坏负荷与短路电流试验前宣称的设计值（80 kN）相当。说明短路电流试验对避雷器外套的弯曲破坏强度影响不大，兼作支柱绝缘子使用的国产特高压避雷器在遭遇短路电流等极端工况时不会对所在回路造成塌陷性破坏，能够为系统抢修和更换提供充足的时间。

3.2 抗震性能试验研究

在瓷套基本结构优化方案和大容量饼状电阻片及大直径高强度瓷套研发的基础上，本文对真型特高压避雷器开展了抗震性能试验。试验中抗震试验振动台输入地震波为特高压标准时程波；抗震设防烈度为8度，50年超越概率为2%，加速度峰值为0.3 g；地震输入加速度应乘以支架动力放大系数1.4；考虑到避雷器为轴对称结构，仅进行单水平向地震试验；管母线由质量为300 kg的配重模拟。

试验时先进行加速度峰值为0.05 g白噪声输入，持续时间不少于60 s；然后根据给定的标准时程波，以加速度峰值为0.1 g的标准时程波进行多次迭代；最后按选定的唯一试验波进行正式试验的激励输入。

表8给出的试验结果表明，试品在0.3 g水平加速度下的抗震试验时的安全系数均大于1.67，满足标准规定。表中地震负载为25%的风荷载和试件最大应力的组合，安全系数中试件破坏应力按50 MPa计算。

笔者还开展了减震装置对避雷器耐地震能力的试验研究，结果表明：减震装置能够大幅降低地震作用下避雷器瓷套根部的应力，提高避雷器的耐地震水平，从而满足更高地震设防烈度的要求。

4 工程应用情况

笔者还系统开展了特高压避雷器用电阻片的工频电压耐受时间特性研究，进行了动作负载试验、电压分布试验、电流分布、短路电流等关键试验验证。目前国内4个主流避雷器制造商按本文优化方案设计的特高压避雷器均已通过全部型式试验，并已有超过50只避雷器在淮南-南京-上海工程苏州站、锡盟-山东工程北京东站、蒙西-天津南工程天津南站等工程中正式运行，目前运行情况良好。后续还将陆续应用在榆横-潍坊工程石家庄站和晋中站、上海庙-临沂直流工程临沂换流站交流侧、锡盟胜利工程胜利站等工程中陆续应用。

表8 抗震性能试验结果Table 8 Test results of seismic performance

5 结论

1）结合研究成果提出了塔形结构等应力设计的避雷器结构设计新思路，通过仿真计算提出了具有较高抗震和抗弯性能的避雷器设计方案。

2）研发出适用于交流特高压避雷器的大容量饼状电阻片和大直径高强度瓷套；研发出能够兼作支柱绝缘子使用的高强度特高压避雷器。

3）研发的避雷器在0.3 g水平加速度下的抗震试验时的安全系数均大于1.67，能够在设备设防烈度不超过8度的地区安全运行；减震装置能够大幅降低地震工况下避雷器根部产生的应力，提高避雷器的耐震水平，对于地震设防烈度更高的地区，可以考虑试验减震装置，提高特高压避雷器的抗震水平。

4）弯曲负荷破坏强度在80 kN左右，远大于标准要求，能够兼作支柱绝缘子使用。

5）研发的特高压避雷器均已通过全部型式试验，并在多个工程中正式运行，目前运行情况良好。