±800 kV/10 000 MW换流站直流回路接头端子设计及测试

陈 鹏 ，马 亮 ，曾 静 ，邹荣盛 ，周国梁

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.中国能建工程研究院高压直流技术研究所，湖北 武汉 430071)

0 引言

目前，我国特高压直流输电工程日益增多，输送容量不断提升，直流额定电流持续增加[1-3]。由大电流引起的特高压换流站直流回路接头端子的发热问题日趋明显[4]。据统计，复奉、锦苏、天中、宾金4条特高压直流输电通道的8座±800 kV换流站建成以来共发生了100多处发热异常现象，其中有10处发热严重以致申请临时停运处理，对输电可靠性造成了重大影响。在所有发热异常部位中，80%以上的发热部位为换流站直流回路的接头端子，造成接头端子发热的主要原因是设计裕度不足、安装工艺不到位、金具质量不合格等[5-6]。为有效地防治特高压换流站已运行和新建特高压换流站直流回路接头端子发热异常的问题，提出±800 kV换流站直流回路接头端子的设计原则显得尤为重要。

为防治换流站直流回路接头端子的发热异常现象，文献[7-9]对特高压换流站接头端子发热异常现场进行了统计和分析，从设计、施工工艺、施工验收等方面对直流回路接头端子提出了建议和措施，但该类文献未从根本上对接头端子的设计提出具体的要求；文献[10]进行了接头端子的大电流温升试验，对接头端子的材料、型式及温升规律进行了研究，并对铜板—铜板型式的接头端子接触电阻的经验公式参数进行了推导，提出了计及接触电阻的铜板—铜板型接头端子的温升计算方法。该大电流温升试验结论为直流回路接头端子的设计提供了重要的试验数据和理论基础，但该文献尚未给出针对性的接头端子发热防治措施。

另外，在绝缘水平未显著提升的情况下，直流电压±800 kV、容量10 000 MW的直流输电工程，其直流额定电流为6 250 A，可进一步增强远距离电能输送能力。但该类换流站工程同样面临直流回路接头端子发热的问题，且现有的规程规范未对直流额定电流6 250 A的接头端子的材质和型式选择做出明确的要求。为此，本文根据接头端子相关的规程规范和大电流温升试验结果，提出额定直流电压±800 kV、额定直流输送容量10 000 MW直流输电工程换流站的直流回路接头端子的设计原则。并结合某换流站直流回路接头端子设计实例，分析了大负荷工况下接头端子的红外测温结果，验证了本文所提出的直流回路接头端子设计原则能够满足大负荷工况下接头端子最高温度(温升)的规程要求。

1 直流回路接头端子设计要求

为防治额定直流电压±800 kV、额定直流输送容量10 000 MW直流输电工程换流站直流回路接头端子的发热异常现象，根据现有的规程规范要求和中国电科院提供的大电流温升试验结果[10]，本文从直流回路接头端子的温度(温升)限值、通流密度要求、端子尺寸建议以及施工工艺要求等几个方面进行说明。

1.1 接头端子温度(温升)限值

根据GB/T 25840—2010《规定电气设备部件(特别是接线端子)允许温升的导则》和《电力工程电气设计手册》中的相关规定[11-12]，直流回路接头端子的温度(温升)限值主要取决于接头端子的最大温度和允许温升。最大温度主要受材料特性突变的温度临界值影响，如锡的蠕变点为105 ℃；允许温升主要受材料与周围环境温度的温差过高造成接头端子电气或机械性能退化加剧、寿命降低的影响。同时，参考DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》对电流致热型设备缺陷的诊断判据[13]，直流回路接头端子长期允许最高发热温度及温升见表1所列。

表1 接头端子长期允许最高发热温度及温升限值

1.2 接头端子通流密度要求

根据DL/T 5222—2005《导体和电器选择技术规定》中相关规定[14]，当直流回路工作电流大于2 000 A时，无镀层铜板—铜板接头端子的接触面通流密度不宜超过0.12 A/mm2，无镀层铝板—铝板接头端子的接触面通流密度不宜超过0.093 6 A/mm2。直流电压±800 kV、输送容量10 000 MW的换流站工程，其直流额定电流为6 250 A，在进行直流回路接头端子设计时，除考虑直流回路额定直流电流外，还需考虑回路2 h过负荷最大工作电流6 700 A。计及表1中接头端子长期允许最高发热温度(温升)，结合以往工程经验，给出各种材质、各种型式直流回路接头端子通流密度设计值见表2所列。

表2 接头端子通流密度设计值

1.3 接头端子尺寸要求

根据表2中直流回路端子接头通流密度设计值，并参考GB/T 5273—2016《高压电器端子尺寸标准化》中的关于板型和棒状接头端子的开孔尺寸和开孔间距要求，得出各种材质、各种型式直流回路接头端子的尺寸推荐值见表3所列。

表3 接头端子尺寸推荐值

1.4 接头端子工艺要求

1.4.1 螺栓紧固力要求

根据接头端子大电流温升试验—紧固力影响试验结论，直流回路接头端子安装时应采用100%标准螺栓紧固力；且连接螺栓时宜采用碟形或鞍型弹垫等防松措施。

1.4.2 接头端子表面处理工艺要求

根据接头端子大电流温升试验—表面处理工艺试验结论，直流回路接头端子表面的光洁度宜控制在5 μm内，且接头端子进行安装或更换前，宜先使用400目细砂纸打磨，以去除表面氧化层，并用丙酮清洗打磨面，再用干净的白棉布或卫生纸擦拭干净后进行安装。

2 直流回路接头端子设计实例

本文根据上述直流回路接头端子设计要求对某换流站户外直流场直流回路接头端子进行了设计，某换流站为直流额定电压±800 kV，额定输送容量10 000 MW直流输电工程受端换流站，是国内首座额定直流电流达6 250 A的直流输电受端换流站。该换流站户外直流场的直流回路采用铝板—铝板单面、铝板—铝板双面和铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡3种型式的接头端子。接下来分别以800 kV隔离开关接头端子(铝板—铝板单面)、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)滤波器中性线电抗器接头端子(铝板—铝板双面)和双极中性线零磁通电流互感器(current transformer，CT)接头端子(铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡)为例，对3种型式的接头端子的设计进行说明。

2.1 铝板—铝板单面接头端子设计

某换流站800 kV隔离开关接头端子采用铝板—铝板单面型式，接头端子的铝板单面与隔离开关本体螺接，另一端通过六分裂线夹固定导线，与极母线管母侧的接头端子连接。由表2和表3可知，铝板—铝板单面接头端子通流密度要求值为0.074 88 A/mm2，通流面积要求值为89 476 mm2，在满足通流密度和通流面积的基础上，考虑接头端子的机械强度以及隔离开关本体连接点的要求，设计800 kV隔离开关接头端子外形尺寸如图1所示，该接头端子的实际通流面积为89 958 mm2，实际通流密度为0.074 479 A/mm2。

图1 铝板—铝板单面接头端子尺寸图

2.2 铝板—铝板双面接头端子设计

PLC滤波器中性线电抗器的接头端子采用铝板—铝板双面型式，接头端子的铝板双面与PLC滤波器中性线电抗器本体螺接，另一端通过六分裂线夹固定导线，与中性线套管的接头端子连接。由表2和表3可知，铝板—铝板双面接头端子通流密度要求值为0.05 A/mm2，通流面积要求值为134 000 mm2，在满足通流密度和通流面积的基础上，考虑接头端子的机械强度以及PLC滤波器中性线电抗器本体连接点的要求，设计出PLC滤波器中性线电抗器的接头端子外形尺寸如图2所示，该接头端子的实际通流面积为151 854 mm2，实际通流密度为0.044 121 A/mm2。

图2 铝板—铝板双面接头端子尺寸图

2.3 铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡接头端子设计

双极中性线零磁通CT接头端子采用铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡型式，接头端子的抱夹与零磁通CT本体的铜棒连接，另一端通过六分裂线夹固定导线，与中性线管母侧的接头端子连接。由表2和表3可知，铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡接头端子通流密度要求值为0.093 6 A/mm2，通流面积要求值为71 581 mm2，在满足通流密度和通流面积的基础上，考虑接头端子的机械强度以及零磁通CT本体铜棒的连接要求，设计双极中性线零磁通CT接头端子外形尺寸如图3所示，该接头端子的实际通流面积为91 607.4 mm2，实际通流密度为0.073 138 A/mm2。

图3 铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡接头端子尺寸图

3 温升检测结果及分析

某换流站分别进行了极1高端直流系统、极1低端直流系统、极2高端直流系统和极2低端直流系统大负荷试验，即各系统工作在额定电流6 250 A，单阀组功率2 500 MW，环境温度为15 ℃工况下，持续通流2 h，对全站的户外直流场直流回路的各接头端子进行了红外测温。测温的结果表明，该换流站户外直流场直流回路接头端子的最高温度和温升均能满足规程规范的要求。其中，800 kV隔离开关接头端子(铝板—铝板单面)、PLC滤波器中性线电抗器接头端子(铝板—铝板双面)和双极中性线零磁通CT接头端子(铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡)3种型式接头端子的温升情况分别如图4～图6所示。

图4 800 kV隔离开关接头端子红外测温图

图5 PLC滤波器中性线电抗器接头端子红外测温图

图6 双极中性线零磁通CT接头端子红外测温图

大负荷工况下，整理3种接头端子红外测温结果见表4所列。

表4 3种型式的接头端子大负荷工况下实际测温结果

由表4可知，某换流站800 kV隔离开关接头端子(铝板—铝板单面)的温度为44.0℃，环境温度为15.0℃，温升为29.0K，满足表1中铝板—铝板单面接头端子温升限值40K的要求；PLC滤波器中性线电抗器接头端子(铝板—铝板双面)温度为47.9℃，环境温度为15℃，温升为31.9K，满足铝板—铝板双面接头端子温升限值40K的要求；双极中性线区域零磁通CT接头端子(铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡)温度为40.6℃，环境温度为15℃，温升为25.6K，满足铜棒镀银—铸铝抱夹镀锡接头端子温升限值50K、最高温度不超过105℃的要求。

4 结语

为防治换流站工程直流回路接头端子发热异常的问题，本文根据接头端子相关的规程规范以及科研单位提供的接头端子大电流温升试验结论，提出了额定直流电压±800 kV、额定直流输送容量10 000 MW直流输电工程换流站的直流回路接头端子的主要设计原则，并结合某换流站直流回路接头端子设计实例，分析了大负荷工况下接头端子的红外测温结果，验证了本文所提出的额定直流电压±800 kV、额定直流输送容量10 000 MW直流输电工程换流站的直流回路接头端子的设计原则能够有效地抑制直流回路接头端子的温升，满足规程规范对接头端子最高温度(温升)的要求。

本文的研究成果有利于进一步提升特高压换流站的运行稳定性，对后续换流站工程的设计具有重要的实用价值。