±1 100 kV直流输电线路避雷器在吉泉线的应用设计

万 帅，刘子皓，曹 伟，谷山强，李 健，刘 新，杜雪松

(1.国网电力科学研究院有限公司，南京 211106; 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074; 3.电网雷击风险预防湖北省重点实验室，武汉 430074)

0 引言

±1 100 kV昌吉—古泉特高压直流输电线路工程(以下简称“吉泉线”)作为目前世界上输送距离最远、输送容量最大、电压等级最高的特高压输电工程，是国家“西电东送”战略重点工程，提升了我国特高压输电工程的整体技术水平，对促进全球能源互联网发展具有重大而深远的意义。吉泉线全长约3 300 km[1]，线路跨度极大，沿线环境复杂多样，线路具有较高的雷击闪络风险[2-4]。虽然吉泉线在建设之初已考虑了一定的防雷设计，但在超长输电距离、复杂地形地貌和雷电活动环境下，仍难以实现全线段的雷电防护[5]。

直流线路避雷器是目前直流输电线路雷电防护的优良手段，在国网公司多条±500 kV和±800 kV直流输电线路中均得到了大量应用[6-10]。吉泉线在工程初期装设了4台无间隙避雷器，用于限制线路操作过电压水平[11]；线路的雷电防护主要依靠小地线保护角、加强线路绝缘强度等手段[12]，尚未应用带串联间隙线路避雷器来进行雷电防护。目前已经投运的直流线路避雷器，多采用悬吊式或支撑式安装结构，±500 kV直流线路避雷器采用悬吊式支架安装[7]，±660 kV直流线路避雷器采用支撑式支架安装，并配合V串支柱绝缘子斜撑加固[13]。长度较长的±800 kV直流线路避雷器则采用一种V串复合绝缘子斜拉式安装[9-10]，避雷器底端直接固定在塔身主材上，无需加装支架，而±1 100 kV直流线路避雷器尺寸、重量都更大，绝缘子串斜拉结构难以适应其在杆塔上的应用。文献[11]针对±1 100 kV无间隙避雷器在吉泉线上的应用，经过对比分析，设计了悬吊式支架安装方式；但串联间隙线路避雷器结构不同于无间隙避雷器，其本体元件顶端不与导线固定连接，不存在避雷器与导线关联风摆的问题，同时也没有导线分担避雷器的重量，±1 100 kV直流线路避雷器安装支架与杆塔的受力情况还需进一步分析。

笔者基于±1 100 kV吉泉线雷电防护的实际需求，研制了±1 100 kV直流输电线路用复合外套带串联间隙金属氧化物避雷器，并通过了型式试验验证。为实现线路避雷器在吉泉线杆塔上的试点安装应用，本研究参考已经投运的±400 kV～±800 kV直流线路避雷器以及±1 100 kV无间隙避雷器的安装结构，考虑试点应用杆塔的环境条件及载荷情况，对比研究了支撑式与悬吊式安装结构杆塔的受力情况及支架应用的优缺点，最终确定了支架支撑并配合悬式复合绝缘子金具串拉紧加固的避雷器现场安装方式，可以解决大尺寸避雷器垂直座式安装的结构稳定性问题，满足长期安全稳定运行需求。本研究对我国特高压输电线路大尺寸线路避雷器的现场应用具有重要的参考价值。

1 ±1 100 kV线路避雷器基本参数

1.1 关键技术参数与试验验证

直流线路避雷器的关键技术参数包括：额定电压、雷电冲击残压、雷电冲击50%放电电压、直流耐受电压、直流参考电压和吸收能力等[14-15]。这些参数确定了直流线路避雷器的动作特性、保护性能、绝缘配合等综合性能，需根据线路参数进行设计[16-19]。

国网公司在前期针对±1 100 kV直流输电线路的雷电防护需求，发布了企业标准Q/GDW 11752-2017《±1 100 kV直流输电线路用复合外套带串联间隙金属氧化物避雷器技术规范》[20]，对线路避雷器的技术参数进行了规定。经过对吉泉线的实际运行参数的调研分析，标准规定的参数可以满足线路的雷电防护需求。本研究参照此标准完成了±1 100 kV直流线路避雷器的参数制定，并通过了型式试验验证。避雷器的技术参数指标与试验结果见表1。

表1 ±1 100 kV直流线路避雷器关键参数与验证Table 1 Key parameters of ±1 100 kV DC line arrester and test results

其中，避雷器的方波冲击电流耐受能力与短路电流耐受能力两项参数大幅高于指标及同类标准要求，进一步优化了避雷器的能量吸收能力与运行安全性能[21-23]。为了满足线路绝缘配合需求，避雷器的雷电冲击伏秒特性较塔头空气间隙的降低了25.7%。此外避雷器的正极性直流湿耐受电压大于1 320 kV，操作冲击湿耐受电压大于1 683 kV，可以保证避雷器在线路运行电压和操作过电压下不动作；避雷器在本体故障时的直流湿耐受电压测试结果大于1 190 kV，可以保证在本体故障时不影响线路安全运行。

1.2 主要结构参数

±1 100 kV直流线路避雷器用于保护±1 100 kV直流输电线路绝缘子串(或塔头空气间隙)免受雷电过电压引起的雷击闪络，降低输电线路雷击闪络率，提高输电可靠性，其主要结构技术特点有：

1)采用串联纯空气间隙结构，间隙性能稳定电气可靠性高，即使避雷器本体发生故障，也不会影响线路正常、安全、可靠地送电。

2)考虑到均压效果、直流电晕和安装调整便利性等因素，并参照±1 100 kV架空直流输电线路设计标准[24]，电极形状设计成环形结构。

3)优化氧化锌电阻片的配方工艺设计，研制出大容量、小尺寸、老化特性优良的氧化锌电阻片，避雷器本体非线性特性优异，能量吸收能力高。

4)复合外套采用优化的中温硫化硅橡胶工艺，避免了避雷器环氧绝缘筒制造过程中的高温劣化问题，且具有直流电场下极佳的防污闪效果。

5)本体元件采用空心绝缘子结构，充气微正压密封设计，具有优良的密封防潮性能，保证避雷器长期稳定运行。

6)采用压力释放板防爆装置，引导故障电流能量泄放，防爆性能优良，即使发生爆炸事故也不会危及周边设备人员安全。

避雷器整体结构见图1，其中单节元件高2 160 mm，本体加低压侧电极结构高度约9 088 mm，间隙距离为2 450±50 mm。

图1 ±1 100 kV直流线路避雷器结构示意图Fig.1 Structure diagram of the ±1 100 kV DC line arrester

2 避雷器安装选点

采用差异化防雷评估技术对±1 100 kV吉泉线进行防雷性能研究，对各基杆塔进行防雷计算分析，得出全线杆塔风险评估等级，计算过程综合考虑了2016年～2020年统计的雷电参数统计结果、线路走廊的地形地貌特征参数、杆塔的结构特征及线路历年来的雷击跳闸特征[25-26]。±1 100 kV直流输电线路雷击跳闸率指标为0.1次/(100 km·a)(归算到40个雷暴日，2.78次/(km2·a))。根据运行经验，±1 100 kV直流输电线路雷击事故中绕击占95%，反击占5%。根据线路走廊的地闪密度，对线路的雷击跳闸率指标值进行换算，得到换算结果及雷击闪络风险等级划分指标。±1 100 kV全线的平均地闪密度为0.879次/(km2·a)，按照±1 100 kV线路雷击跳闸率考核值为0.1次/(100 km·a)的要求，得到归算至标准雷暴日下的雷击跳闸率考核指标为0.032次/(100 km·a)，其中绕击跳闸率考核指标为0.030 4次/(100 km·a)，反击跳闸率考核指标为0.001 6次/(100 km·a)。吉泉线雷击风险评估等级划分见表2。

表2 吉泉线雷击闪络风险评估等级划分指标Table 2 Classification index of Ji-Quan transmission line flashover risk level

经计算，雷击A、B、C、D各级的杆塔数量比例为36.3%、43.3%、12.6%、7.8%，即有79.6%的杆塔具有相对较好的防雷性能，有20.4%的杆塔防雷性能不理想，主要集中在河南、安徽区段。

综合考虑雷击闪络风险评估、运维单位工作安排、线路杆塔周边环境等因素，选择在吉泉线安徽段3基雷击闪络风险C级以上的直线塔开展避雷器试点应用，编号为1号、2号和3号。3基杆塔绕击耐雷水平为45 kA～55 kA，所处区段的年平均地闪密度为6.684 次/(100 km·a)，是全线地闪密度最大区段之一。

3 ±1 100 kV线路避雷器基本参数

3.1 避雷器支架型式

基于选定的直线塔，开展避雷器安装支架结构设计。参考±500 kV～±800 kV直流线路避雷器等投运线路避雷器的运行经验[27-28]，以及吉泉线已投运的无间隙避雷器安装结构，本次±1 100 kV直流线路避雷器的安装结构考虑对悬吊式结构和支撑式结构开展对比研究。在开展避雷器的安装结构设计时应主要考虑其保护的有效性、运行的安全性和安装的便捷性3个方面[29]。

根据吉泉线建设规划资料，避雷器安装杆塔环境的基准风速为30 m/s，覆冰风速为10 m/s，覆冰厚度为10 mm，避雷器各工况下的载荷见表3[30]。

其中，大风工况下计算与线路方向成0°、45°、60°及90° 4种风向，覆冰工况、不均匀冰工况和安装工况计算90°风向。铁塔覆冰后自重增大系数按1.1考虑。风压高度系数按B类地面选取，其值根据《建筑结构荷载规范》规定计算。

1)悬吊式避雷器支架尺寸

避雷器悬挂于导线正上方时，悬挂避雷器采用在塔大号侧导线横担上设计外挑支架的方式，外挑支架上避雷器挂点需自横担底面进行上挑，实际长度根据不同的塔型以及避雷器间隙距离要求进行调节，根据计算各塔位的支架示意图见图2。

2)支撑式避雷器支架尺寸

支撑式避雷器安装于导线正下方，采用在塔身上，导线横担下方设计与导线横担同向的小横担，避雷器安装于小横担端部。耐张塔避雷器支架位于导线横担正下方，悬垂型塔避雷器支架位于导线横担下方偏大号侧0.5 m处。避雷器的安装金具实际长度根据不同的塔型以及避雷器间隙距离要求进行调节，根据计算各塔位的支架示意图见图3。

图3 支撑式支架结构尺寸示意图Fig.3 Structure diagram of the supported bracket

3.2 杆塔应力对比

计算安装避雷器后杆塔的应力情况，并对两种支架型式进行对比分析。本次避雷器试点应用的杆塔均为Z301塔型系列，整体结构相近，避雷器及支架的影响基本一致，故本研究仅以杆塔1号的计算情况进行分析说明。杆塔以悬吊式支架安装避雷器后全塔应力比云图见图4，以支撑式支架安装避雷器后全塔应力比云图见图5，应力比云图为考虑杆件在各工况下最大应力比的包络图。

图4 直线塔悬吊式避雷器支架全塔应力比云图Fig.4 Full tower stress ratio cloud map of the tangent tower with suspension bracket

图5 直线塔支撑式避雷器支架全塔应力比云图Fig.5 Full tower stress ratio cloud map of the tangent tower with supported bracket

由图4与图5可知，安装两种型式的避雷器支架及避雷器后，杆塔塔身主材的应力比均在允许范围内。但是对于悬吊式避雷器支架，杆塔横担斜材的应力比大幅增加至178.0%，需进行补强；而对于支撑式避雷器支架，杆塔与避雷器支架下端连接的主材应力比增加至77.6%，杆件应力比有较大的富余。

3.3 避雷器支架方案对比

计算两种支架的结构重量，在不考虑对原杆塔结构进行补强的重量时，1号、2号和3号杆塔悬吊式支架的构件与螺栓总重量分别为1 142.7 kg、1 156.5 kg和1 155.1 kg，而支撑式支架总重量分别为2 058.0 kg、2 083.4 kg和2 117.3 kg，可见悬吊式支架重量较支撑式支架重量大幅降低，材料经济性更佳，且悬吊式支架安装不受杆塔呼高限制，适应性更好。

但是悬吊式支架存在严重的杆塔横担应力比超限问题，需要对原杆塔横担进行结构补强，增加施工难度；且对于已投运线路，悬吊式支架在安装避雷器施工时需要穿越导线，安装难度高。同时悬吊式避雷器支架安装在导线横担上，以夹具与横担相连，且避雷器与支架连接的底座无法前后左右调整，因此对加工及安装精度要求较高。故对于吉泉线防雷试点改造，并不适合采用悬吊式支架型式。

相比之下，支撑式避雷器支架虽然重量更大，但没有塔身应力比超限问题，对原塔结构受力影响小，安全性高。且支撑式支架安装位置相对较低，避雷器安装施工无需穿越导线，安装难度小，同时避雷器安装位置调节灵活。

综上所述，本次吉泉线试点应用±1 100 kV直流避雷器最终选取支撑式支架结构。

4 安装结构仿真校核与结构优化

利用有限元软件对避雷器进行仿真建模，按照5～39 m/s的风速计算避雷器的结构位移，表4为即避雷器端点位移对比。

表4 避雷器顶端位移Table 4 Displacement of the top of the arrester

从中可以发现，随着风速增大，避雷器端点位移逐渐增大，对于10 m/s风速情况，避雷器端点位移为0.004 9 m，千分比仅0.57‰；对于最大风速39 m/s，避雷器端点的位移为0.074 4 m，千分比为8.61‰。

根据上述有限元计算结果，即使在极端风荷载条件下避雷器端点位移很小，避雷器本身即可满足其挠度要求。但考虑到避雷器本体结构高度达到9 m以上，当杆塔与避雷器结构出现风振时，避雷器结构振动可能影响长期稳定运行。而±1 100 kV线路工程可靠性要求极高，为改善避雷器受力模式，使其更加稳固可靠，在从下向上的第2节位置前后左右共设置4根拉紧绝缘子与支架相连，提升避雷器结构稳定性，见图6。

图6 拉紧绝缘子布局示意图Fig.6 Diagram of tension insulator layout

建立增加拉紧绝缘子后的避雷器有限元模型，对每根拉紧绝缘子施加15 kN预拉力，约为拉断力70 kN的20%，在10 m/s和39 m/s风速下对增加拉紧绝缘子的模型进行计算，计算中考虑风振的影响，风振系数βz取为1.55，避雷器顶端的位移计算结果见表5。

表5 增加拉紧绝缘子前后避雷器顶端位移对比Table 5 Comparison of top displacement of arrester before and after installing tension insulator

考虑风振后，避雷器顶端的风偏位移有一定增加，39 m/s风下最大位移为0.12 m，千分比约为13.89‰。增加拉紧绝缘子后，在10 m/s和39 m/s风速、不同风向角下避雷器顶端的位移均有较大减小。同时计算绝缘子的轴力，在39 m/s风最不利风向角下的最大轴力仅从预紧力15 kN增大到19.05 kN，远小于拉断力70 kN。

至此本研究完成了±1 100 kV直流线路避雷器应用在吉泉线高雷击风险杆塔上的安装结构设计，经理论计算与仿真分析，形成了避雷器支撑式支架配合悬式复合绝缘子金具串拉紧加固的安装方式，可以应用于±1 100 kV吉泉线防雷试点改造。

5 结论

本研究基于±1 100 kV吉泉特高压直流输电线路的实际防雷需求，设计制造了±1 100 kV直流线路避雷器，并完成了避雷器试点应用的杆塔选点，以及避雷器在杆塔上安装的支架结构设计，得出如下结论：

1)±1 100 kV直流线路避雷器采用串联纯空气间隙结构，性能优良。综合考虑吉泉线全线雷击闪络风险评估，选定了高风险杆塔开展避雷器的试点应用。

2)对比计算避雷器支撑式与悬吊式支架安装方式下杆塔的应力比，悬吊式安装方式下杆塔应力比超限需要补强。综合考虑结构安全性、施工便利度等因素，本研究选择采用支撑式支架安装±1 100 kV直流线路避雷器。

3)为强化避雷器塔上应用时的结构稳定性，设计了一种拉紧绝缘子串加固结构，仿真分析结果表明，该加固架构可有效降低避雷器在风力及风振作用下的端点位移。最终提出的支撑式支架配合悬式复合绝缘子金具串拉紧加固的安装方式可以解决大尺寸避雷器垂直座式安装的结构稳定性问题，满足长期安全稳定运行需求。