特高壓直流換流閥電抗器端子發熱問題探析

王東波，涂亞軍，張 達，張亮如，劉永曉

（1.山東送變電工程有限公司，山東 濟南 250118；2.華東送變電工程有限公司，上海 201803；3.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118；4.國網山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000；5.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

工業化進程的加快，在帶動社會經濟跨越式發展的同時，也使得社會對于電能的需求不斷增加，電力事業得到了巨大的發展機遇，各種先進技術和高端設備不斷得到普及和應用，特高壓直流輸電技術就是其中一種。現階段，我國建設有4條特高壓直流輸電線路，在部分換流站設置大組件技術換流閥。而在運營過程中，發現換流閥電抗器端子存在有發熱現象，最高溫度甚至達到了110℃，給電力系統的安全穩定運行帶來了巨大的隱患。

1 換流閥電抗器端子發熱原因

利用紅外測溫技術，結合故障定位系統，實現對存在發熱問題的電抗器端子的準確定位。在端子位置進行電阻測量，結合實踐經驗，判斷母線發熱的原因，可能有3種：一是原來的換流閥電抗器端子接觸面較小，載流密度較大，接觸面可能出現過熱問題；二是銅鋁接觸面出現了局部氧化的問題，影響了接觸面內部導電性能的均勻性和可靠性，在接頭連接位置出現了過熱點；三是在對接觸脂進行涂抹時，沒有涂抹均勻，導致其厚薄不一，當通過的電流較大時，接觸面可能出現局部放電問題，母排連接位置的接觸電阻也會隨之增大，使得接觸面的發熱更加迅速。

結合上述原因分析，立足特高壓直流輸電工程的實際情況，對換流閥電抗器端發熱的原因進行梳理，認為其主要是由于接觸面載流密度以及接觸電阻等引起。為了對發熱問題進行有效處理，提出增加U型母線的處理方法，將接觸端頭利用U型母線進行緊密包裹，增加接觸面積，實現對過熱問題的有效控制。

2 換流閥電抗器端子發熱問題分析與解決

2.1 仿真分析

Ansys熱場分布（無U型母線）。大組件換流閥電抗器端子采用的是鋁材，具有輕便、抗氧化能力強、抗腐蝕等優點，與端子相連接的母線為銅線，接觸面積80mm×80mm。當換流閥以額定功率運行時，進過電抗器端子的電流為5 000 A。根據系統的實際運行情況，結合收集到的數據信息，對電抗器端子連接位置的熱場進行了仿真分析，構筑起的熱場仿真模型如圖1所示。

圖1 電抗器端子連接位置的熱場仿真模型

結合仿真模型分析，在沒有設置U型母線的情況下，電抗器端子連接位置的溫度在68～69℃，鋁排的問題更高，達到了71.8℃，存在著非常嚴重的過熱問題，如果不對其進行處理，不僅會因為電阻的增大導致線損增加，還可能引發嚴重的安全事故，如火災、設備燒毀等，給電力系統的運行安全帶來威脅［1］。

Ansys熱場分布（有U型母線）。在電抗器端子位置增加U型母線，然后在相同的電流和散熱條件下，重新構筑電抗器端子連接位置的熱場仿真模型，如圖2所示。

圖2 有U型母線工況下的端子連接位置熱場仿真模型

同樣結合仿真模型分析，可以看出，增加了U型母線后，電抗器端子接觸部位的溫度在57～58℃，與原本的工況下班相比，溫度降低了10℃左右。

結果分析。在電流相同、散熱條件相同時，如果在電抗器端子位置增加U型母線，不僅接觸面的溫度會有所下降，電抗器端子本身的溫度，以及連接母線的整體溫度同樣會有所降低，按照溫度由高到低排列，依次為鋁母線、接觸面、銅母線。為了保證仿真結果的準確性，更換電流傳輸方向，發現仿真結果不變，表明電流的流向并不會影響仿真結果。

2.2 通流試驗

回路設計。進行通流試驗的主要目的是了解電抗器端子與連接母線在是否存在U型母線工況下的溫度變化。換流閥電抗器的端子分別靠近入水口和出水口，有著不同的散熱條件，會對試驗結果造成一定影響，在進行試驗回路設計的過程中，經技術人員討論，選擇兩臺電抗器電路串聯、水路并聯的方案。在實際操作中，主要是保持第一臺電抗器整體結構不變，在第二臺電抗器端子位置（3號、4號）增加了U型母線，在這種情況下，保證了1號端子與3號端子的散熱條件相同，2號端子與4號端子的散熱條件相同，而從4個端子流過的電流條件則完全相同。通流試驗回路如圖3所示。

試驗要求。為了確保試驗的順利展開，同時提升試驗結果的可靠性和準確性，在進行通流試驗之前，需要從實際需求出發，對試驗要求進行明確［2］。一方面，必須嚴格依照原本工程項目的實際情況，進行母線的連接作業，保證母線安全的效果；另一方面，需要將電抗器進行通水，通水作業應該同時進行，將單臺流量設置在（8.5±0.2）L/min，進水溫度則應該保持在（45±1）℃。然后，連接相應的等效直流電流，保持一段時間，等到母線的溫度趨于穩定（判定標準為30min內溫度變化在1℃的范圍內），利用溫度計、紅外測溫儀等設備，對電抗器端子接觸面、銅排、鋁排表面的溫度進行測量。為了保證測量結果的準確性，可以進行多次測量，然后取平均值。

圖3 通流試驗回路設計方案

結果分析。通流試驗的結果如表1所示。

表1 通流試驗結果 ℃

考慮到進水溫度和出水溫度之間的溫差可能會影響接觸面溫度測量的結果，這里選擇的位置要求具備相同的散熱條件，對比可知：1號端子穩定后，溫度保持在71℃，2號端子的溫度則保持在79℃，在模擬真實的試驗條件下，這樣的結果充分證明了本文提出的方案具備良好的效果，是可行且可靠的。但是，考慮到該方案的技術性較強，對于母線以及端子的平整度有著極其嚴格的要求，稍有不慎就可能會出現質量問題，影響設計效果的充分發揮。將1號端子和3號端子作為一組，2號端子和4號端子作為一組，分別對比其溫度，可以發現，后者的溫度降低了7～8℃，表明在增加U型母線后，電抗器端子位置的溫度有了明顯下降。

3 結語

結合實際工作中遇到的問題，對特高壓直流換流站大組件換流閥電抗器端子的發熱問題進行了研究，通過熱場仿真模型，模擬工程實際情況，提出通過增加U型母線來解決電抗器端子發熱問題。為了驗證措施的可行性和可靠性，進行了通流試驗。

增加U型母線的解決方案，是在充分分析電抗器端子發熱原因及影響因素的基礎上，結合實際工況提出的，具有良好的可行性和可操作性；構建的熱場仿真模型雖然盡可能地參考了實際工況，不過并不能對其進行完全模擬，因此得到的結果可能與實際工況存在一定的偏差，不過得到的研究方法有良好的參考價值；通過增加U型母線的方式，端子處的溫度以及與之相連的母線溫度有了明顯的下降，證明了方案的有效性；在實際應用中，應該關注U型母線的質量和安裝工藝，對其進行逐步完善，確保在出現端子發熱問題時，可以利用該方案進行解決，為相關研究工作積累經驗。