换流站典型金具典型发热因素的试验研究

陶瑞祥, 董雪松, 骆阗彦, 徐 宁, 于 兵

(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院， 杭州 310014)

交流高压电器的触指结构[1]和换流站金具主要用于连通导流回路。其中，换流站金具能否正常运行关乎换流站能否正常稳定运行，而金具发热是现阶段金具故障的主要原因。现有文献在研究金具发热时，基本思路都是结合生产实践中遇到的发热部件，首先查找发热的具体位置，进而分析发热的可能原因，然后针对各条原因逐一进行排查整改，例如文献[2]分析了套管接头发热的原因，而后提出了相应的整改措施；文献[3-4]分析了特高压直流换流阀电抗器端子发热原因，并提出解决大组件阀电抗器端子发热的方法。从现有文献看，造成变电设备接头发热的因素基本集中在以下几方面：①电压等级高，通流大导致的电力负荷高；②开关动静触头长期暴露在室外，缺少必要的防护措施，易发生锈蚀；③接触面镀层脱落；④弹簧垫片疲劳造成线夹夹紧力度不足；⑤连接过程中，砂纸打磨造成的划痕导致接触面积减小；⑥螺栓力矩过大或过小造成接触面变形；⑦导电膏干结老化，使线夹接头位置接触电阻增大；⑧接触面的电化学腐蚀；⑨电气绝缘介质的损耗也会导致变电运行中的电气接头发热[5-9]。总的来说，这些因素中的绝大多数最终都会在金具接头的回路电阻上有所体现。针对上述因素造成金具发热的机理，众多学者进行了更为深入的研究。文献[10]对特高压直流换流站通流回路接头端子发热机理进行了研究。文献[11]基于温升试验对特高压换流站通流回路接头端子的接触电阻经验公式参数进行了推导。然而，现有文献鲜有针对导致换流站典型金具接头发热的典型因素进行试验验证研究的，对这些典型因素影响金具接头发热的分析不足。本文选取换流站典型的六分裂金具线夹，选取换流站金具接头回路电阻的测量电流、温升效应、螺栓力矩、分接头通流不均衡4方面因素设计试验，通过分析试验数据，研究不同因素对金具接头回路的电阻的影响，为现阶段研究换流站金具接头发热问题打下基础。

1 试验主要仪器

试验所用的主要试验仪器如表1所示，其中数字多用表(型号8846A)用于测量金具通流时两侧的电压，钳型电流表用于测量金具的通流大小，环温油瓶3个，通过获取其平均值用于标识环境温度。

表1 试验仪器Table 1 Testing devices

2 验证试验

2.1 测量电流对金具接头回路电阻影响的试验

现阶段运维检修过程中，普遍采用回路电阻仪测量各金具接头的回路电阻。回路电阻仪测量回路电阻的过程中对金具施加的测量电流为100 A，本文设计试验检验不同测量电流对金具接头回路电阻测量结果的影响，试验现场布置如图1所示。调节直流电流源，分别输出100、200、600、800、1 000 A共5个不同梯度的测量电流。每个梯度测量电流的通流时间设置为60 s，每隔10 s记录一次电压数据，如表2所示。

依据欧姆定律，计算不同测量电流条件下金具接头的回路电阻，并计算回路电阻平均值，如表3所示。从图1的布置看，计算得到的回路电阻包含了3部分，即两侧金具接头与导线的接触电阻和导线本身的电阻，若忽略导线本身的电阻，则计算得到的回路电阻为两侧金具接头与导线的接触电阻。

图1 主要实验仪器Fig.1 Main test instrument

表2 不同测量电流下金具两侧电压Table 2 Voltage on both sides of conductor under different measuring current

表3 不同测量电流下金具接头回路电阻Table 3 Loop resistance of armour clamp joint under different measuring current

为更直观地展示不同测量电流情况下金具接头回路电阻的差异，依据表3的数据得到不同测量电流下的金具接头回路电阻柱状图，如图2所示。

从图2可以直观地看出，随着测量电流的增加，金具接头回路电阻的测量值略有增长，但不同测量电流条件下，金具接头回路电阻的差异较小，最大差异仅为1.7 μΩ，因此，在运维检修过程中测量金具接头回路电阻时，可以依然采用当前普遍采用的100 A测量电流。

图2 不同测量电流下金具接头回路电阻Fig.2 Loop resistance of armour clamp joint under different measuring current

2.2 温升效应对金具接头回路电阻影响的试验

本试验依然采用图1的现场布置，试验开始时，测量金具接头①②处的初始温度。调节直流电流源，施加不同梯度的测量电流，记录初始时刻不同测量电流下金具接头两侧的电压。继续通流直至数字多用表的读数基本趋于稳定则判定金具在本测量电流条件下达到热平衡，记录此时金具接头两侧的电压，并测量金具接头①②处的温度，测量数据如表4。

表4 温升试验过程中金具两侧电压Table 4 Voltage on both sides of conductor during temperature rise experiment

依据欧姆定律计算得到温升试验前后金具接头的回路电阻，并按照式(1)换算至26 ℃下的回路电阻，如表5所示。

(1)

式(1)中：R1、R2为t1、t2时刻回路电阻值；T为常数，文中铝导线取T=225。

从表5可以看出，温升会导致金具接头回路电阻的变化，但换算至同一温度下时，回路电阻的变化微小。

表5 温升试验时金具接头回路电阻Table 5 Loop resistance of armour clamp joint during temperature rise experiment

2.3 不同力矩下的金具接头回路电阻试验

合适力矩的螺栓可使得金具接头与导线保持良好的接触。力矩过大会使得金具接头与导线接触面变形，力矩过小会使得金具接头与导线连接不紧密，两种情况都会增大接触面的电阻，进而导致金具接头发热。为验证螺栓不同力矩对金具接头回路电阻的影响，确认金具接头螺栓型号M12，设置正常力矩值为30 N·m，通过逐步减小接头4个螺栓的力矩并测量金具接头回路电阻，验证螺栓力矩对金具接头回路电阻的影响。

具体分为5种类型：①4个螺栓均为30 N·m；②4个螺栓力矩中1个为10 N·m，3个为30 N·m；③4个螺栓力矩中2个为10 N·m，2个为30 N·m；④4个螺栓力矩中3个为10 N·m，1个为30 N·m；⑤4个螺栓力矩中4个为10 N·m。其中，类型③中4个螺栓的力矩分布如图3所示。5种不同力矩条件下的金具接头回路电阻测量结果，如表6所示。

图3 不同力矩类型下金具接头回路电阻Fig.3 Loop resistance of armour clamp joint under different torque types

为了更直观表示不同力矩条件下金具接头回路电阻的差异，依据表6的数据得到不同力矩条件下的金具接头回路电阻，如图4所示。

从图4可以看出，接头处的螺栓力矩由正常力矩逐渐减小的过程中，金具接头的回路电阻变化不大。

表6 5种不同力矩条件下的金具接头回路电阻Table 6 Loop resistance of armour clamp joint under 5 different torque conditions

图4 不同力矩类型下金具接头回路电阻Fig.4 Loop resistance of armour clamp joint under 5 different torque types

2.4 影响金具分接头通流不均衡的因素试验

由于设备本身、安装工艺等诸多因素的影响，金具的各分裂接头流过的电流会有所不同，如果各分接头中的通流相差过大，就会导致金具某个分裂接头出现过热现象。

本文试验选取换流站典型的六分裂设备线夹，JL-11500型导线，作为研究对象，如图5所示，图5中编号不代表导线编号，而是导线所处各分线夹的编号。采用直流电源向六分裂导线中注入1 000 A的直流电流，采用钳型电流表测量每条分裂导线中的电流大小，在多次测量结果中选取相邻两次测量相差较小的结果作为最终的测量数据，如表7所示。

从表7可以看出，线夹3中导线通流最小，为验证是否导线本身造成线夹3中导线通流最小，试验中将线夹3与线夹4中的导线互换，重新测量各分裂导线中的电流，如表8所示。

图5 六分裂设备线夹及导线Fig.5 Six split clamp and wires

从表8可以看出，导线5中的电流最小，因此，导线本身的差异不是造成各分线夹导线中电流不均衡的主要因素。

为验证回路电阻对导线通流占比的影响，本试验测量了导线3、5、6中的电流和两端的电压，计算了回路电阻，如表9所示。

表7 各分裂导线电流测量值Table 7 Current measurement of each split wire

表8 线夹3与线夹4中导线互换后各分裂导线电流测量值Table 8 Current measurement of each split wire after the exchange of wires in clamp 3 and clamp 4

表9 线夹3、5、6中导线的电流、两端电压及回路电阻Table 9 Current measurement and voltage of wire in clamp 3, 5 and 6 and loop resistance

从表9可以看出，导线5与金具分线夹的回路电阻最大，导线3次之，导线6最小。这说明回路电阻是影响各分裂导线中电流大小的主要原因。此外，导线5与导线3回路电阻相差1.01 μΩ，电流相差12 A，导线5与导线6回路电阻相差2.26 μΩ，电流相差25 A，据此可以得出，本试验中回路电阻每相差1 μΩ，电流相差11～12 A。理想情况下，六分裂导线中通入1 000 A的电流，各分裂导线的通流相等且均为167 A，根据本试验的试验结果，回路电阻相差1 μΩ，电流相差6%～7%。

在保证导线、螺栓、金具接头等其他因素基本相同的情况下，经观察发现，分线夹3、5、6两侧与导线的连接情况如图6所示。

图6 导线两侧与金具的连接情况Fig.6 Connection between two sides of wire and clamp

图7 测点分布图Fig.7 Distribution of testing points

从图6分线夹与导线两侧的连接情况看，与金具分线夹接触面积最小的导线5通流最小，而与金具分线夹接触面积最大的导线6通流最大。换言之，导线与金具线夹的接触面积影响了金具接头的回路电阻，进而影响各导线中通流的不均衡，且导线与金具分线夹的接触面积与各导线中的通流大小成正比。

2.5 交流条件下金具温升试验

由于本文试验中所用的直流电源输出电流幅值无法达到金具实际运行电流大小，故本文采用可以输出较大电流的交流电流源对金具进行温升试验，以期为研究金具在实际运行状态下容易发热的位置提供借鉴。试验前，按照图7在实际金具的相应位置布设测温点并通过热电偶导线与自动温升测试仪连接。将3个环温油瓶通过热电偶导线与自动温升测试仪连接，取3个环温油瓶的平均温度作为参考环境温度。设置自动温升测试仪记录时间间隔为0.5 h。调节交流电流源，输出金具额定设计电流5 000 A的交流电流，直至金具各测点在1 h内的温升不超过1 K，此时，认定金具达到热平衡。在金具达到热平衡后，调节交流电源输出额定设计电流值的1.25倍即6 250 A的交流电流，并通流0.5 h。试验现场布置如图8所示。

试验电流为5 000 A条件下，通流6 h后，金具基本达到热平衡，将试验电流调整为6 250 A，通流0.5 h，各测点温度变化如图9所示。

图8 试验现场布置图Fig.8 Site layout

图9 各测点温度变化Fig.9 Temperature change of each testing point

图9表明，金具中通入交流大电流后，金具各处发热现象明显，其中，距离注流铜排最近的测点1、44由于受注流铜排的影响而温度较高。金具汇流排测点28、29相较于其他金具测点也普遍温度较高。金具其他位置也存在温升相对明显的测点：测点9、15、16、21、22、23，结合测点分布图7，可以看出，这些测点位于金具接头与导线的连接处。实际运行过程中，金具易发热点恰好集中在金具汇流排和金具接头与导线连接处，这是因为金具汇流排通过的电流是各分裂导线中电流的总和，相较于金具其他部位较易发热；而金具接头与导线的连接处常常由于回路电阻增大而发热。因此，本试验可为今后研究金具发热的分布情况提供重要参考。

3 结论

通过对试验数据进行分析，可以得出以下结论。

(1)由于不同测量电流条件下，回路电阻的测量值相差微小，因此，在现有的运维检修过程中，测量接头回路电阻时可继续采用现有100 A的测量电流，而无需采用更高梯度的测量电流。

(2)实验室条件下的温升效应以金具达到热平衡为时间节点，试验时间短，且没有综合考虑环境因素的影响，因此，单就实验室条件下的温升效应试验而言，温升确实会造成金具接头回路电阻的增大，但增大不明显。

(3)金具接头处的螺栓在力矩由正常力矩逐渐减小的过程中，由于正常力矩条件下的螺栓已经基本保证金具与导线的有效接触，因此即便螺栓力矩有所减小，也不会对金具与导线的有效接触造成实质性的影响，因此回路电阻不会出现较大变化。但如果在力矩减小过程中，导线本身发生形变、散股、下垂或强风等因素导致导线与金具的有效接触面积发生变化，则回路电阻可能发生较大变化。

(4)导线两侧与金具接头的接触面积是导致分裂导线通流不均衡的重要原因。导线与金具接头接触面积的减小使得导线两侧回路电阻增大，使得该导线通流能力降低。金具发热与该导线通流的平方成正比，因此，通流不均衡会导致通流较大的金具接头出现局部发热情况。

(5)在交流通流条件下的温升试验中，金具发热明显的点位于金具汇流排和金具接头与导线的连接处。汇流排发热明显是因为汇流排中流通的电流是各分裂导线中电流的总和，相对金具其他部位而言更容易发热。金具接头与导线之间较容易因回路电阻过高而过热。这与实际换流站运行过程中金具经常发热的位置相吻合，进一步证明本试验具有一定的参考价值。