±800 kV/10 000 MW換流站直流回路接頭端子設計及測試

陳 鵬 ，馬 亮 ，曾 靜 ，鄒榮盛 ，周國梁

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國能建工程研究院高壓直流技術研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

目前，我國特高壓直流輸電工程日益增多，輸送容量不斷提升，直流額定電流持續增加[1-3]。由大電流引起的特高壓換流站直流回路接頭端子的發熱問題日趨明顯[4]。據統計，復奉、錦蘇、天中、賓金4條特高壓直流輸電通道的8座±800 kV換流站建成以來共發生了100多處發熱異常現象，其中有10處發熱嚴重以致申請臨時停運處理，對輸電可靠性造成了重大影響。在所有發熱異常部位中，80%以上的發熱部位為換流站直流回路的接頭端子，造成接頭端子發熱的主要原因是設計裕度不足、安裝工藝不到位、金具質量不合格等[5-6]。為有效地防治特高壓換流站已運行和新建特高壓換流站直流回路接頭端子發熱異常的問題，提出±800 kV換流站直流回路接頭端子的設計原則顯得尤為重要。

為防治換流站直流回路接頭端子的發熱異常現象，文獻[7-9]對特高壓換流站接頭端子發熱異常現場進行了統計和分析，從設計、施工工藝、施工驗收等方面對直流回路接頭端子提出了建議和措施，但該類文獻未從根本上對接頭端子的設計提出具體的要求；文獻[10]進行了接頭端子的大電流溫升試驗，對接頭端子的材料、型式及溫升規律進行了研究，并對銅板—銅板型式的接頭端子接觸電阻的經驗公式參數進行了推導，提出了計及接觸電阻的銅板—銅板型接頭端子的溫升計算方法。該大電流溫升試驗結論為直流回路接頭端子的設計提供了重要的試驗數據和理論基礎，但該文獻尚未給出針對性的接頭端子發熱防治措施。

另外，在絕緣水平未顯著提升的情況下，直流電壓±800 kV、容量10 000 MW的直流輸電工程，其直流額定電流為6 250 A，可進一步增強遠距離電能輸送能力。但該類換流站工程同樣面臨直流回路接頭端子發熱的問題，且現有的規程規范未對直流額定電流6 250 A的接頭端子的材質和型式選擇做出明確的要求。為此，本文根據接頭端子相關的規程規范和大電流溫升試驗結果，提出額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的設計原則。并結合某換流站直流回路接頭端子設計實例，分析了大負荷工況下接頭端子的紅外測溫結果，驗證了本文所提出的直流回路接頭端子設計原則能夠滿足大負荷工況下接頭端子最高溫度(溫升)的規程要求。

1 直流回路接頭端子設計要求

為防治額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站直流回路接頭端子的發熱異常現象，根據現有的規程規范要求和中國電科院提供的大電流溫升試驗結果[10]，本文從直流回路接頭端子的溫度(溫升)限值、通流密度要求、端子尺寸建議以及施工工藝要求等幾個方面進行說明。

1.1 接頭端子溫度(溫升)限值

根據GB/T 25840—2010《規定電氣設備部件(特別是接線端子)允許溫升的導則》和《電力工程電氣設計手冊》中的相關規定[11-12]，直流回路接頭端子的溫度(溫升)限值主要取決于接頭端子的最大溫度和允許溫升。最大溫度主要受材料特性突變的溫度臨界值影響，如錫的蠕變點為105 ℃；允許溫升主要受材料與周圍環境溫度的溫差過高造成接頭端子電氣或機械性能退化加劇、壽命降低的影響。同時，參考DL/T 664—2008《帶電設備紅外診斷應用規范》對電流致熱型設備缺陷的診斷判據[13]，直流回路接頭端子長期允許最高發熱溫度及溫升見表1所列。

表1 接頭端子長期允許最高發熱溫度及溫升限值

1.2 接頭端子通流密度要求

根據DL/T 5222—2005《導體和電器選擇技術規定》中相關規定[14]，當直流回路工作電流大于2 000 A時，無鍍層銅板—銅板接頭端子的接觸面通流密度不宜超過0.12 A/mm2，無鍍層鋁板—鋁板接頭端子的接觸面通流密度不宜超過0.093 6 A/mm2。直流電壓±800 kV、輸送容量10 000 MW的換流站工程，其直流額定電流為6 250 A，在進行直流回路接頭端子設計時，除考慮直流回路額定直流電流外，還需考慮回路2 h過負荷最大工作電流6 700 A。計及表1中接頭端子長期允許最高發熱溫度(溫升)，結合以往工程經驗，給出各種材質、各種型式直流回路接頭端子通流密度設計值見表2所列。

表2 接頭端子通流密度設計值

1.3 接頭端子尺寸要求

根據表2中直流回路端子接頭通流密度設計值，并參考GB/T 5273—2016《高壓電器端子尺寸標準化》中的關于板型和棒狀接頭端子的開孔尺寸和開孔間距要求，得出各種材質、各種型式直流回路接頭端子的尺寸推薦值見表3所列。

表3 接頭端子尺寸推薦值

1.4 接頭端子工藝要求

1.4.1 螺栓緊固力要求

根據接頭端子大電流溫升試驗—緊固力影響試驗結論，直流回路接頭端子安裝時應采用100%標準螺栓緊固力；且連接螺栓時宜采用碟形或鞍型彈墊等防松措施。

1.4.2 接頭端子表面處理工藝要求

根據接頭端子大電流溫升試驗—表面處理工藝試驗結論，直流回路接頭端子表面的光潔度宜控制在5 μm內，且接頭端子進行安裝或更換前，宜先使用400目細砂紙打磨，以去除表面氧化層，并用丙酮清洗打磨面，再用干凈的白棉布或衛生紙擦拭干凈后進行安裝。

2 直流回路接頭端子設計實例

本文根據上述直流回路接頭端子設計要求對某換流站戶外直流場直流回路接頭端子進行了設計，某換流站為直流額定電壓±800 kV，額定輸送容量10 000 MW直流輸電工程受端換流站，是國內首座額定直流電流達6 250 A的直流輸電受端換流站。該換流站戶外直流場的直流回路采用鋁板—鋁板單面、鋁板—鋁板雙面和銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫3種型式的接頭端子。接下來分別以800 kV隔離開關接頭端子(鋁板—鋁板單面)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)和雙極中性線零磁通電流互感器(current transformer，CT)接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)為例，對3種型式的接頭端子的設計進行說明。

2.1 鋁板—鋁板單面接頭端子設計

某換流站800 kV隔離開關接頭端子采用鋁板—鋁板單面型式，接頭端子的鋁板單面與隔離開關本體螺接，另一端通過六分裂線夾固定導線，與極母線管母側的接頭端子連接。由表2和表3可知，鋁板—鋁板單面接頭端子通流密度要求值為0.074 88 A/mm2，通流面積要求值為89 476 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎上，考慮接頭端子的機械強度以及隔離開關本體連接點的要求，設計800 kV隔離開關接頭端子外形尺寸如圖1所示，該接頭端子的實際通流面積為89 958 mm2，實際通流密度為0.074 479 A/mm2。

圖1 鋁板—鋁板單面接頭端子尺寸圖

2.2 鋁板—鋁板雙面接頭端子設計

PLC濾波器中性線電抗器的接頭端子采用鋁板—鋁板雙面型式，接頭端子的鋁板雙面與PLC濾波器中性線電抗器本體螺接，另一端通過六分裂線夾固定導線，與中性線套管的接頭端子連接。由表2和表3可知，鋁板—鋁板雙面接頭端子通流密度要求值為0.05 A/mm2，通流面積要求值為134 000 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎上，考慮接頭端子的機械強度以及PLC濾波器中性線電抗器本體連接點的要求，設計出PLC濾波器中性線電抗器的接頭端子外形尺寸如圖2所示，該接頭端子的實際通流面積為151 854 mm2，實際通流密度為0.044 121 A/mm2。

圖2 鋁板—鋁板雙面接頭端子尺寸圖

2.3 銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子設計

雙極中性線零磁通CT接頭端子采用銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫型式，接頭端子的抱夾與零磁通CT本體的銅棒連接，另一端通過六分裂線夾固定導線，與中性線管母側的接頭端子連接。由表2和表3可知，銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子通流密度要求值為0.093 6 A/mm2，通流面積要求值為71 581 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎上，考慮接頭端子的機械強度以及零磁通CT本體銅棒的連接要求，設計雙極中性線零磁通CT接頭端子外形尺寸如圖3所示，該接頭端子的實際通流面積為91 607.4 mm2，實際通流密度為0.073 138 A/mm2。

圖3 銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子尺寸圖

3 溫升檢測結果及分析

某換流站分別進行了極1高端直流系統、極1低端直流系統、極2高端直流系統和極2低端直流系統大負荷試驗，即各系統工作在額定電流6 250 A，單閥組功率2 500 MW，環境溫度為15 ℃工況下，持續通流2 h，對全站的戶外直流場直流回路的各接頭端子進行了紅外測溫。測溫的結果表明，該換流站戶外直流場直流回路接頭端子的最高溫度和溫升均能滿足規程規范的要求。其中，800 kV隔離開關接頭端子(鋁板—鋁板單面)、PLC濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)和雙極中性線零磁通CT接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)3種型式接頭端子的溫升情況分別如圖4～圖6所示。

圖4 800?kV隔離開關接頭端子紅外測溫圖

圖5 PLC濾波器中性線電抗器接頭端子紅外測溫圖

圖6 雙極中性線零磁通CT接頭端子紅外測溫圖

大負荷工況下，整理3種接頭端子紅外測溫結果見表4所列。

表4 3種型式的接頭端子大負荷工況下實際測溫結果

由表4可知，某換流站800 kV隔離開關接頭端子(鋁板—鋁板單面)的溫度為44.0℃，環境溫度為15.0℃，溫升為29.0K，滿足表1中鋁板—鋁板單面接頭端子溫升限值40K的要求；PLC濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)溫度為47.9℃，環境溫度為15℃，溫升為31.9K，滿足鋁板—鋁板雙面接頭端子溫升限值40K的要求；雙極中性線區域零磁通CT接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)溫度為40.6℃，環境溫度為15℃，溫升為25.6K，滿足銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子溫升限值50K、最高溫度不超過105℃的要求。

4 結語

為防治換流站工程直流回路接頭端子發熱異常的問題，本文根據接頭端子相關的規程規范以及科研單位提供的接頭端子大電流溫升試驗結論，提出了額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的主要設計原則，并結合某換流站直流回路接頭端子設計實例，分析了大負荷工況下接頭端子的紅外測溫結果，驗證了本文所提出的額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的設計原則能夠有效地抑制直流回路接頭端子的溫升，滿足規程規范對接頭端子最高溫度(溫升)的要求。

本文的研究成果有利于進一步提升特高壓換流站的運行穩定性，對后續換流站工程的設計具有重要的實用價值。