让高耸输变电设备不惧强风

　　3月31日，新疆多地出现大风沙尘天气。在位于达坂城风区的750千伏达坂城变电站，电涡流调谐质量阻尼器及螺栓节点防松的风振控制技术成果稳定发挥作用，减小了大风天气中避雷针等设备的风致振动幅度，避免相关设备出现倒塌、断裂等问题。

　　电涡流调谐质量阻尼器及螺栓节点防松的风振控制技术成果由国网新疆电力有限公司电力科学研究院等单位研发，是“高耸输变电设备抗风能力提升与风振控制关键技术”项目的核心成果。相关单位针对持续稳定强风导致的变电站钢管避雷针性能下降等问题，在故障机理实测、试验测试关键荷载参数及差异化防治措施等方面开展深入研究，取得系列成果并推广应用，为保障“疆电外送”输电线路安全运行作出重要贡献。

　　强风影响新疆电网安全运行

　　新疆是我国重要的能源生产基地，新疆电网已进入特高压、交直流混联，远距离、大容量外送的阶段。同时，新疆地域辽阔，持续强风区分布范围广、风季持续时间长，且风荷载参数与我国其他内陆地区差异显著，输电线路铁塔、钢管避雷针等高耸电力设备倾覆、掉落风险较大。在新疆持续强风区，按照现行规范设计的高耸电力设备不能完全满足结构承载性能要求，风致设备故障是影响新疆电网安全稳定运行的重要因素之一。

　　“在此背景下，系统性开展风场特性、风致振动、风致破坏的现场实测工作，开展风荷载作用机理的风洞试验、数值仿真等理论分析工作，开展计算方法修正、风振控制、螺栓防松、位移控制等技术应用工作，对于支撑新疆超高压、特高压电网建设与运行是必要且迫切的。”新疆电科院高电压设备研究所防灾减灾专责董新胜介绍。

　　为解决相关问题，保障输电线路安全运行，自2013年起，新疆电科院与中国电力科学研究院有限公司、新疆昌吉供电公司、郑州大学、国网新疆电力有限公司经济技术研究院成立项目组，开展“高耸输变电设备抗风能力提升与风振控制关键技术”项目联合攻关。

　　以现场实测为基础开展系列技术攻关

　　在项目调研阶段，项目组与新疆气象局、国网新疆电力设备部、新疆电力设计院对接，收集新疆持续强风样本信息、风沙两相流密度数据、盐渍土壤样本信息，以及铁塔因风倒塌、避雷针性能下降、风偏跳闸、基础位移等故障发生的时间、破坏形态、成因等一手资料。

　　经过充足的前期准备，2016年，项目正式进入研究攻关阶段。新疆有九大风区，其中达坂城风区、小草湖风区、三十里风区等属于持续强风区，常年风速较高，钢管结构的避雷针在强风条件下易发生大幅风致振动，在低风速条件下易发生涡激振动。基于此，项目组重点开展了针对持续强风区变电站钢管避雷针振动故障的研究。

　　2016年9月，为了探究故障机理，项目组前往新疆“老风口”达坂城开展超高压变电站避雷针动力特性测试。此项测试工作当时在国内外相关领域均属空白，项目组只能“摸着石头过河”。“被测试避雷针周围都是带电设备，测试危险系数大。同时，超高压变电站避雷针设备高度基本在60米以上，高空作业为动力特性测试增加了难度。”董新胜介绍。

　　项目组选定了6种不同结构形式的超高压变电站避雷针进行测试。考虑到每种避雷针设备主体的高度不同、所处位置受到的风力作用大小也不同，项目组在每种避雷针的不同部位都安装了传感器进行实时监测，以获得更加全面、精准的测试数据。

　　此次测试获得的数据为后续相关技术的研发提供了支撑。2018年，项目组提出了钢管避雷针涡激力、运行年限评估计算方法，研制了抑制避雷针风致振动的电涡流调谐质量阻尼器，并针对高耸输变电设备节点松动问题，提出了螺栓节点防松的风振控制技术。该技术使得钢管避雷针风致振动幅值降低50%以上、寿命增长4.6倍，成为项目中的一项核心创新成果。

　　此后，项目组提出了基于单根杆件阻力系数的输电铁塔风荷载精细化计算方法，实现输电铁塔结构精益设计，减少铁塔用钢量，降低工程造价；提出了输电线路钢管塔、钢管-角钢组合塔塔身及横担的整体阻力系数计算方法和优化取值，修正了背风面风荷载降低系数和阻力系数两个关键计算参数；建立了能够反映地貌类型、平均风不均匀性、风速和档距4个因素综合影响的导线阵风响应计算模型，提高了防风偏措施的针对性；优化了斜桩倾斜角度、基础系梁截面尺寸及预应力等关键参数，提出了盐渍土地区铁塔基础斜桩与预应力基础系梁联合位移控制技术，使铁塔基础水平位移减小50%以上。

　　项目成果整体达到国际领先水平

　　2019年，电涡流调谐质量阻尼器及螺栓节点防松的风振控制技术首次在新疆220千伏库车变电站试点应用，消除了该变电站钢管避雷针涡激振动、倾覆等隐患，装置至今运行效果良好。2020年，电涡流调谐质量阻尼器在甘肃某变电站实现工程应用。

　　目前，电涡流调谐质量阻尼器及螺栓节点防松的风振控制技术已广泛应用于750千伏达坂城、哈密等变电站，显著延长了避雷针设备寿命；盐渍土地区铁塔基础斜桩与预应力基础系梁联合位移控制技术在5条超高压、特高压输电线路工程中应用，解决了盐渍土地区强风作用下铁塔基础开裂和水平位移控制难题；钢管塔、钢管-角钢组合塔塔身及横担的整体阻力系数计算方法和优化取值在阿克苏上海路110千伏线路设计中应用，使单基塔重降低3%以上。项目成果在提升高耸输变电设备运行安全性和可靠性方面效益显著。

　　为促进产学研融合，项目组从健全科研成果评价机制，建立科研成果转化推广渠道，加强专利布局、运营与转化，建立和完善成果转化激励机制及建立开放合作共享机制五个方面开展工作，多措并举推进项目成果转化应用。

　　项目研发至今，项目组获国家发明专利授权18项、国家实用新型专利授权10项、软件著作权授权4项，发表学术论文30篇（其中SCI收录4篇、EI收录12篇），出版技术专著1部，起草国家电网有限公司企业标准2项。

　　2022年7月27日，“高耸输变电设备抗风能力提升与风振控制关键技术”通过中科合创（北京）科技成果评价中心成果评价，评价专家组认为，项目成果整体达到国际领先水平。项目成果还获得了2022年度中国产学研合作创新成果奖优秀奖。