換流站典型金具典型發熱因素的試驗研究

陶瑞祥, 董雪松, 駱闐彥, 徐 寧, 于 兵

(國網浙江省電力有限公司電力科學研究院， 杭州 310014)

交流高壓電器的觸指結構[1]和換流站金具主要用于連通導流回路。其中，換流站金具能否正常運行關乎換流站能否正常穩定運行，而金具發熱是現階段金具故障的主要原因。現有文獻在研究金具發熱時，基本思路都是結合生產實踐中遇到的發熱部件，首先查找發熱的具體位置，進而分析發熱的可能原因，然后針對各條原因逐一進行排查整改，例如文獻[2]分析了套管接頭發熱的原因，而后提出了相應的整改措施；文獻[3-4]分析了特高壓直流換流閥電抗器端子發熱原因，并提出解決大組件閥電抗器端子發熱的方法。從現有文獻看，造成變電設備接頭發熱的因素基本集中在以下幾方面：①電壓等級高，通流大導致的電力負荷高；②開關動靜觸頭長期暴露在室外，缺少必要的防護措施，易發生銹蝕；③接觸面鍍層脫落；④彈簧墊片疲勞造成線夾夾緊力度不足；⑤連接過程中，砂紙打磨造成的劃痕導致接觸面積減小；⑥螺栓力矩過大或過小造成接觸面變形；⑦導電膏干結老化，使線夾接頭位置接觸電阻增大；⑧接觸面的電化學腐蝕；⑨電氣絕緣介質的損耗也會導致變電運行中的電氣接頭發熱[5-9]?？偟膩碚f，這些因素中的絕大多數最終都會在金具接頭的回路電阻上有所體現。針對上述因素造成金具發熱的機理，眾多學者進行了更為深入的研究。文獻[10]對特高壓直流換流站通流回路接頭端子發熱機理進行了研究。文獻[11]基于溫升試驗對特高壓換流站通流回路接頭端子的接觸電阻經驗公式參數進行了推導。然而，現有文獻鮮有針對導致換流站典型金具接頭發熱的典型因素進行試驗驗證研究的，對這些典型因素影響金具接頭發熱的分析不足。本文選取換流站典型的六分裂金具線夾，選取換流站金具接頭回路電阻的測量電流、溫升效應、螺栓力矩、分接頭通流不均衡4方面因素設計試驗，通過分析試驗數據，研究不同因素對金具接頭回路的電阻的影響，為現階段研究換流站金具接頭發熱問題打下基礎。

1 試驗主要儀器

試驗所用的主要試驗儀器如表1所示，其中數字多用表(型號8846A)用于測量金具通流時兩側的電壓，鉗型電流表用于測量金具的通流大小，環溫油瓶3個，通過獲取其平均值用于標識環境溫度。

表1 試驗儀器Table 1 Testing devices

2 驗證試驗

2.1 測量電流對金具接頭回路電阻影響的試驗

現階段運維檢修過程中，普遍采用回路電阻儀測量各金具接頭的回路電阻。回路電阻儀測量回路電阻的過程中對金具施加的測量電流為100 A，本文設計試驗檢驗不同測量電流對金具接頭回路電阻測量結果的影響，試驗現場布置如圖1所示。調節直流電流源，分別輸出100、200、600、800、1 000 A共5個不同梯度的測量電流。每個梯度測量電流的通流時間設置為60 s，每隔10 s記錄一次電壓數據，如表2所示。

依據歐姆定律，計算不同測量電流條件下金具接頭的回路電阻，并計算回路電阻平均值，如表3所示。從圖1的布置看，計算得到的回路電阻包含了3部分，即兩側金具接頭與導線的接觸電阻和導線本身的電阻，若忽略導線本身的電阻，則計算得到的回路電阻為兩側金具接頭與導線的接觸電阻。

圖1 主要實驗儀器Fig.1 Main test instrument

表2 不同測量電流下金具兩側電壓Table 2 Voltage on both sides of conductor under different measuring current

表3 不同測量電流下金具接頭回路電阻Table 3 Loop resistance of armour clamp joint under different measuring current

為更直觀地展示不同測量電流情況下金具接頭回路電阻的差異，依據表3的數據得到不同測量電流下的金具接頭回路電阻柱狀圖，如圖2所示。

從圖2可以直觀地看出，隨著測量電流的增加，金具接頭回路電阻的測量值略有增長，但不同測量電流條件下，金具接頭回路電阻的差異較小，最大差異僅為1.7 μΩ，因此，在運維檢修過程中測量金具接頭回路電阻時，可以依然采用當前普遍采用的100 A測量電流。

圖2 不同測量電流下金具接頭回路電阻Fig.2 Loop resistance of armour clamp joint under different measuring current

2.2 溫升效應對金具接頭回路電阻影響的試驗

本試驗依然采用圖1的現場布置，試驗開始時，測量金具接頭①②處的初始溫度。調節直流電流源，施加不同梯度的測量電流，記錄初始時刻不同測量電流下金具接頭兩側的電壓。繼續通流直至數字多用表的讀數基本趨于穩定則判定金具在本測量電流條件下達到熱平衡，記錄此時金具接頭兩側的電壓，并測量金具接頭①②處的溫度，測量數據如表4。

表4 溫升試驗過程中金具兩側電壓Table 4 Voltage on both sides of conductor during temperature rise experiment

依據歐姆定律計算得到溫升試驗前后金具接頭的回路電阻，并按照式(1)換算至26 ℃下的回路電阻，如表5所示。

(1)

式(1)中：R1、R2為t1、t2時刻回路電阻值；T為常數，文中鋁導線取T=225。

從表5可以看出，溫升會導致金具接頭回路電阻的變化，但換算至同一溫度下時，回路電阻的變化微小。

表5 溫升試驗時金具接頭回路電阻Table 5 Loop resistance of armour clamp joint during temperature rise experiment

2.3 不同力矩下的金具接頭回路電阻試驗

合適力矩的螺栓可使得金具接頭與導線保持良好的接觸。力矩過大會使得金具接頭與導線接觸面變形，力矩過小會使得金具接頭與導線連接不緊密，兩種情況都會增大接觸面的電阻，進而導致金具接頭發熱。為驗證螺栓不同力矩對金具接頭回路電阻的影響，確認金具接頭螺栓型號M12，設置正常力矩值為30 N·m，通過逐步減小接頭4個螺栓的力矩并測量金具接頭回路電阻，驗證螺栓力矩對金具接頭回路電阻的影響。

具體分為5種類型：①4個螺栓均為30 N·m；②4個螺栓力矩中1個為10 N·m，3個為30 N·m；③4個螺栓力矩中2個為10 N·m，2個為30 N·m；④4個螺栓力矩中3個為10 N·m，1個為30 N·m；⑤4個螺栓力矩中4個為10 N·m。其中，類型③中4個螺栓的力矩分布如圖3所示。5種不同力矩條件下的金具接頭回路電阻測量結果，如表6所示。

圖3 不同力矩類型下金具接頭回路電阻Fig.3 Loop resistance of armour clamp joint under different torque types

為了更直觀表示不同力矩條件下金具接頭回路電阻的差異，依據表6的數據得到不同力矩條件下的金具接頭回路電阻，如圖4所示。

從圖4可以看出，接頭處的螺栓力矩由正常力矩逐漸減小的過程中，金具接頭的回路電阻變化不大。

表6 5種不同力矩條件下的金具接頭回路電阻Table 6 Loop resistance of armour clamp joint under 5 different torque conditions

圖4 不同力矩類型下金具接頭回路電阻Fig.4 Loop resistance of armour clamp joint under 5 different torque types

2.4 影響金具分接頭通流不均衡的因素試驗

由于設備本身、安裝工藝等諸多因素的影響，金具的各分裂接頭流過的電流會有所不同，如果各分接頭中的通流相差過大，就會導致金具某個分裂接頭出現過熱現象。

本文試驗選取換流站典型的六分裂設備線夾，JL-11500型導線，作為研究對象，如圖5所示，圖5中編號不代表導線編號，而是導線所處各分線夾的編號。采用直流電源向六分裂導線中注入1 000 A的直流電流，采用鉗型電流表測量每條分裂導線中的電流大小，在多次測量結果中選取相鄰兩次測量相差較小的結果作為最終的測量數據，如表7所示。

從表7可以看出，線夾3中導線通流最小，為驗證是否導線本身造成線夾3中導線通流最小，試驗中將線夾3與線夾4中的導線互換，重新測量各分裂導線中的電流，如表8所示。

圖5 六分裂設備線夾及導線Fig.5 Six split clamp and wires

從表8可以看出，導線5中的電流最小，因此，導線本身的差異不是造成各分線夾導線中電流不均衡的主要因素。

為驗證回路電阻對導線通流占比的影響，本試驗測量了導線3、5、6中的電流和兩端的電壓，計算了回路電阻，如表9所示。

表7 各分裂導線電流測量值Table 7 Current measurement of each split wire

表8 線夾3與線夾4中導線互換后各分裂導線電流測量值Table 8 Current measurement of each split wire after the exchange of wires in clamp 3 and clamp 4

表9 線夾3、5、6中導線的電流、兩端電壓及回路電阻Table 9 Current measurement and voltage of wire in clamp 3, 5 and 6 and loop resistance

從表9可以看出，導線5與金具分線夾的回路電阻最大，導線3次之，導線6最小。這說明回路電阻是影響各分裂導線中電流大小的主要原因。此外，導線5與導線3回路電阻相差1.01 μΩ，電流相差12 A，導線5與導線6回路電阻相差2.26 μΩ，電流相差25 A，據此可以得出，本試驗中回路電阻每相差1 μΩ，電流相差11～12 A。理想情況下，六分裂導線中通入1 000 A的電流，各分裂導線的通流相等且均為167 A，根據本試驗的試驗結果，回路電阻相差1 μΩ，電流相差6%～7%。

在保證導線、螺栓、金具接頭等其他因素基本相同的情況下，經觀察發現，分線夾3、5、6兩側與導線的連接情況如圖6所示。

圖6 導線兩側與金具的連接情況Fig.6 Connection between two sides of wire and clamp

圖7 測點分布圖Fig.7 Distribution of testing points

從圖6分線夾與導線兩側的連接情況看，與金具分線夾接觸面積最小的導線5通流最小，而與金具分線夾接觸面積最大的導線6通流最大。換言之，導線與金具線夾的接觸面積影響了金具接頭的回路電阻，進而影響各導線中通流的不均衡，且導線與金具分線夾的接觸面積與各導線中的通流大小成正比。

2.5 交流條件下金具溫升試驗

由于本文試驗中所用的直流電源輸出電流幅值無法達到金具實際運行電流大小，故本文采用可以輸出較大電流的交流電流源對金具進行溫升試驗，以期為研究金具在實際運行狀態下容易發熱的位置提供借鑒。試驗前，按照圖7在實際金具的相應位置布設測溫點并通過熱電偶導線與自動溫升測試儀連接。將3個環溫油瓶通過熱電偶導線與自動溫升測試儀連接，取3個環溫油瓶的平均溫度作為參考環境溫度。設置自動溫升測試儀記錄時間間隔為0.5 h。調節交流電流源，輸出金具額定設計電流5 000 A的交流電流，直至金具各測點在1 h內的溫升不超過1 K，此時，認定金具達到熱平衡。在金具達到熱平衡后，調節交流電源輸出額定設計電流值的1.25倍即6 250 A的交流電流，并通流0.5 h。試驗現場布置如圖8所示。

試驗電流為5 000 A條件下，通流6 h后，金具基本達到熱平衡，將試驗電流調整為6 250 A，通流0.5 h，各測點溫度變化如圖9所示。

圖8 試驗現場布置圖Fig.8 Site layout

圖9 各測點溫度變化Fig.9 Temperature change of each testing point

圖9表明，金具中通入交流大電流后，金具各處發熱現象明顯，其中，距離注流銅排最近的測點1、44由于受注流銅排的影響而溫度較高。金具匯流排測點28、29相較于其他金具測點也普遍溫度較高。金具其他位置也存在溫升相對明顯的測點：測點9、15、16、21、22、23，結合測點分布圖7，可以看出，這些測點位于金具接頭與導線的連接處。實際運行過程中，金具易發熱點恰好集中在金具匯流排和金具接頭與導線連接處，這是因為金具匯流排通過的電流是各分裂導線中電流的總和，相較于金具其他部位較易發熱；而金具接頭與導線的連接處常常由于回路電阻增大而發熱。因此，本試驗可為今后研究金具發熱的分布情況提供重要參考。

3 結論

通過對試驗數據進行分析，可以得出以下結論。

(1)由于不同測量電流條件下，回路電阻的測量值相差微小，因此，在現有的運維檢修過程中，測量接頭回路電阻時可繼續采用現有100 A的測量電流，而無需采用更高梯度的測量電流。

(2)實驗室條件下的溫升效應以金具達到熱平衡為時間節點，試驗時間短，且沒有綜合考慮環境因素的影響，因此，單就實驗室條件下的溫升效應試驗而言，溫升確實會造成金具接頭回路電阻的增大，但增大不明顯。

(3)金具接頭處的螺栓在力矩由正常力矩逐漸減小的過程中，由于正常力矩條件下的螺栓已經基本保證金具與導線的有效接觸，因此即便螺栓力矩有所減小，也不會對金具與導線的有效接觸造成實質性的影響，因此回路電阻不會出現較大變化。但如果在力矩減小過程中，導線本身發生形變、散股、下垂或強風等因素導致導線與金具的有效接觸面積發生變化，則回路電阻可能發生較大變化。

(4)導線兩側與金具接頭的接觸面積是導致分裂導線通流不均衡的重要原因。導線與金具接頭接觸面積的減小使得導線兩側回路電阻增大，使得該導線通流能力降低。金具發熱與該導線通流的平方成正比，因此，通流不均衡會導致通流較大的金具接頭出現局部發熱情況。

(5)在交流通流條件下的溫升試驗中，金具發熱明顯的點位于金具匯流排和金具接頭與導線的連接處。匯流排發熱明顯是因為匯流排中流通的電流是各分裂導線中電流的總和，相對金具其他部位而言更容易發熱。金具接頭與導線之間較容易因回路電阻過高而過熱。這與實際換流站運行過程中金具經常發熱的位置相吻合，進一步證明本試驗具有一定的參考價值。