陈涧龙，梁加凯，马阳晓，李进荣，柳俊强，朱 凯

（1.国网浙江义乌市供电有限公司，浙江 金华 322000；2.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321000）

电缆是一种输配电系统中用于电力传输的重要设备，在城市电力传输需求中，与架空线路相比较具有不可替代的优势。

电缆终端与架空线路相连接，通常采用电缆登杆（塔）方式，杆（塔）上设置有电缆终端支架（或平台）、避雷器、接地箱及接地引下线等相关设备。某110 kV电缆终端支架台区如图1所示。

图1 某110 kV电缆终端支架（平台）台区

横担绝缘子和氧化锌避雷器、电缆终端的绝缘外套材料有瓷和硅橡胶2 种。目前以复合硅橡胶居多。虽然《国网招标物资采购技术规》规定了统一的高压接口和底座安装尺寸，但各避雷器生产厂家设计的产品存在较大差异，因此在检修时，经常出现后期采购的产品，存在接口互换性差，特别是在规定的限时停电作业时间段内，无法顺利完成产品更换，给运行维护作业带来较大的困难。

电缆终端支架平台根据电气布置要求，须要设计避雷器固定座、电缆终端头固定架、检修通道、接地箱固定架等相关设备，这些设备的接口尺寸，设计人员一般参考供应商的样本册或技术确认图纸来确定，由于存在参考资料、信息不全，产品样本图册陈旧等问题，造成不同电缆项目的避雷器设备接口尺寸不一致。

1 对电缆终端台区避雷器底座安装共享装置的研究

针对检修工作中的难题，研究人员进行了以下的研究工作。

1.1 查阅相关标准的规定

避雷器国家标准GB/T 11032—2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》中并没有单独、明确规定电缆保护型避雷器的相关技术要求，考虑电缆作为变电设备保护的用途，所选择的避雷器大多为变电站用金属氧化物避雷器，例如110 kV避雷器的型号为Y(H)10W-102/266或者是Y(H)10W-108/281；220 kV避雷器的型号为Y(H)10W-204/532或者是Y(H)10W-216/562。它们的安装方式基本分为2 种：（1）立式（或支架式）安装，如图1所示；（2）悬挂式安装，该种安装多数用于电缆终端挂于铁塔横担处，以第（1）种居多。本文所提出的通用化改进设计的电缆支架平台避雷器固定安装底座（以下简称通用化底座），就是针对立式安装的避雷器。

避雷器行业标准JB/T 9671—2006《避雷器安装尺寸及接线端子尺寸》规定了电力系统和电气化铁道供电系统用额定电压为5～468 kV 避雷器（瓷外套和复合外套）安装尺寸和接线端子尺寸。避雷器额定电压（有效值）为84～216 kV，安装孔处钢板厚度≤12 mm。

1.2 查阅国家电网对避雷器接口尺寸的要求

国家电网为了规范避雷器的采购工作，制定了10～750 kV 系统用的避雷器采购标准，标准分为通用技术规范和专用技术规范两大类，在通用技术规范中规定了避雷器电气一次接口尺寸要求，其中110 kV和220 kV交流无间隙金属氧化物避雷器的安装底座尺寸如图2所示[5-6]。

图2 110 kV和220 kV避雷器安装示意图

1.3 研究国内主流避雷器供应商的复合外套避雷器底部安装接口尺寸

从行业标准和国网物资采购标准看，110～220 kV无间隙金属氧化物避雷器的安装底座螺孔尺寸均是孔中心距为270 mm，4 -ϕ18 mm。实际上这是基于传统110～220 kV瓷外套避雷器的底座尺寸。随着复合外套避雷器产品的出现，大大缩小了产品外形尺寸，无论是直径、高度还是重量均有明显减小或下降，因此国内各个供应商在设计产品底部安装接口尺寸时，瓷外套避雷器的接口尺寸基本统一，而复合外套避雷器产品的底部安装接口尺寸则各有不同，因此笔者对金华电缆工区目前正在投运的产品及国内主流的避雷器供应商的110～220 kV电站型支架式复合外套避雷器产品的底部安装接口尺寸进行了收集统计，结果如图3所示，图中尺寸单位均为mm。

图3 各供应商110-220 kV复合外套避雷器底部安装接口尺寸

从图4中可看出，110～220 kV避雷器底座安装孔尺寸分为四孔固定和三孔固定两类，而四孔是90°分布，三孔为120°分布，所差异的是n-孔中心圆直径数值，因此可以设计一种适合电缆终端台区避雷器安装的共享装置，其接口尺寸呈不同角度放射状一字槽型安装孔结构，如图4所示。

图4 新设计的安装底座安装孔尺寸

这种装置的优点：通用性强，不同厂家的产品可以互换；可调，即避雷器安装后，在水平横向及纵向可以微小调整位移，以便于安装就位。

安装示意图如图5所示。共享装置最外面的4个孔与电缆支架平台固定，里侧的4个孔中心距为270 mm，直径18 mm孔用于安装固定110～220 kV瓷外套避雷器使用；中间90°等分的4个长槽孔用于底座为4孔的复合外套型避雷器安装固定，另外120°等分的3根长槽孔用于底座为3孔的复合外套型避雷器安装固定，其中两种复合外套避雷器安装型式共用一根槽型孔。在使用时，可以适应不同厂家的孔间距。

图5 110 kV复合外套避雷器安装照片

2 新设计装置的强度校核条件

共享装置除了须满足避雷器互换、通用的安装功能设计外，还须要考虑其机械强度能否满足避雷器的运行工况。而电缆终端塔支架平台安装的立式安装的避雷器，运行时主要承受接线端子处的导线水平拉力和避雷器本体的风压力载荷，即避雷器的长期负荷（SSL）。

因此立式避雷器的机械特性主要表现为耐受弯曲载荷，而应力集中的位置在避雷器与共享装置的连接处。根据避雷器受力情况（如图7所示），避雷器受弯曲负荷时与作用力相反方向一侧的安装孔受力，尤其以避雷器底部是3 孔固定，出现一个孔与作用力相反方向时最严苛。

按GB/T 11032—2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》文献[7]规定避雷器应能耐受制造厂宣称的弯曲负荷值：规定的长期负荷SLL=(F1+F2/2)；规定的短期负荷SSL等于2.5倍规定的长期负荷SLL，而避雷器顶端导线最大允许水平拉力为F1，折算到避雷器顶部的风压力载荷为F2/2；

因此避雷器的额定短时负荷：SSL=2.5(F1+F2/2)；

同时，避雷器高度为H；底座及装置的安装螺栓的受力为F3（如图6所示），F3的力臂长为D（即受力孔至支点间距）。

图6 避雷器安装运行时受力图避雷器额定短期负荷

SSL下力矩为M1=2.5(F1+F2/2)×H；

共享装置与避雷器底座连接螺栓处的力矩为M2=F3×D；

依据力矩平衡原则，得出M1=M2。

另外根据GB/T 11032—2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》附录F 机械试验中，表F.1 84-216 kV 避雷器最大允许水平作用力F1=490 N 或980 N。

3 应用于220 kV复合避雷器的强度计算

共享装置与避雷器底部连接螺栓的强度校核，要求在避雷器额定短时负荷SSL（风压力和接线端子受水平拉力）下，装置连接固定螺栓抗拉应力应小于其屈服强度。

220 kV复合避雷器下端与共享装置连接螺栓为M16，8.8级，查设计手册[8]8.8级M16螺栓的最小抗拉许用应力σb为830 MPa。

考虑力F3对螺栓为拉伸作用，因此螺栓在受力变形时应力σ=F3/As；

式中：As为螺栓受力有效面积，d2为螺纹中径；d3为螺纹小径减H/6；H为螺纹原始三角形高度H=0.866025P；P为螺距。

根据计算M16×1.5螺栓有效截面积As=167mm²，M12×1.25螺栓的As=92.1 mm²。

共享装置自身的强度校核，在避雷器额定短时负荷SSL下，共享装置的安装固定孔发生弯曲变形，因此设计时要求装置在最大负荷下的弯曲应力应小于其材料的屈服强度。

装置结构中材质一般采用Q235-A 或1045。根据手册[8]Q235-A 钢板的屈服强度σb=375 MPa，1045钢板的屈服强度σb=530 MPa。

采用SolidWorks设计软件模拟避雷器受力工况，将装置的底板钢板固定孔和避雷器连接孔为固定夹具约束，在与避雷器等高的圆柱体端部施加SSL，计算通用化底座钢板与避雷器连接孔周围弯曲应力，从结果看应力集中的部位发生在避雷器与其自身底座根部，而电缆支架平台设计的共享装置钢板受力变形很小，应力未超过其材料的屈服强度，如表1和图7所示。

图7 SolidWorks静应力分析图

从表1 的计算结果可看出，12 mm 厚的共享装置钢板在220 kV 避雷器承受额定短期负荷SSL时，按图3 的开孔设计，钢板最大应力均不超过常用的Q235-A 和1045 钢材的强度限值，而且固定螺栓的选用也是合理的。

表1 避雷器受力计算结果

弯曲试验验证。

对共享装置样机又进行了弯曲强度试验，试验的方案：

采用0.5 倍的220 kV 避雷器高度（即为1.25 m）的钢管替代避雷器本体元件（如图7所示），目的是考核共享装置的机械强度，排除复合避雷器本体元件较大变形的影响。

钢管与共享装置等效采用避雷器底座连接方式，螺栓采用M16×50，安装孔为3孔布置，孔间距170 mm（取图4中220 kV避雷器安装孔间距最小的尺寸）。

由于高度降低了，依据力矩平衡原则，钢管顶部实际施加力为F=M1/1.25=5724.8 N。

按SSL耐受60 s 进行试验。试验结果：在共享装置及钢管端部施加最大力值6070 N 时总变形量18.6 mm，位移发生在钢管端部，装置钢板无变形且其强度远大于避雷器自身强度。能满足电缆台区避雷器的承装应用。

4 共享装置的应用对接地的影响

电缆终端台区避雷器与电缆终端通常安装在同一电缆支架平台上，避雷器的接地与电缆终端头的屏蔽层同一接地网；其中避雷器往往自带一个绝缘底座，避雷器本体下端通过接地引线连接监测器后再接入地网。

本文设计的避雷器底座共享装置是由双层金属钢板构成，上层为避雷器通用型连接面板，底部是一块矩形底板与电缆支架平台连接，中间通过钢管焊接，这样构成一个共享的避雷器安装小平台（如图5、6 所示），其共享的特点体现在可以覆盖目前行业中主流的避雷器制造商的产品安装接口尺寸。

由于本装置是作为避雷器安装的共享平台使用，位置在避雷器绝缘底座与电缆平台之间，避雷器的接地不经过该装置，如前面所述避雷器的接地是直接从其本体下端作引下入地处理。因此在电缆终端平台上设置避雷器底座安装共享装置并不影响避雷器的接地性能。

5 结束语

经过校核验证，新设计的通用化避雷器安装共享装置能满足电缆终端台区避雷器的安装要求，并且能覆盖国内大部分主流避雷器供应商的110～220 kV避雷器产品的接口尺寸。

通过改进电缆支架平台区避雷器的承装设计结构，实现电缆终端台区避雷器的安装共享通用在金华电缆工区推广使用，大大改善电缆班组在电缆终端台区现场检修作业时的困难度，提高了工作效率，保障了投运产品的安全可靠性。