±800 kV直流換流站電氣設(shè)備接頭發(fā)熱分析及優(yōu)化建議

史磊，雷戰(zhàn)斐

（國網(wǎng)寧夏電力公司，寧夏銀川 750011）

±800 kV直流換流站電氣設(shè)備接頭發(fā)熱分析及優(yōu)化建議

史磊，雷戰(zhàn)斐

（國網(wǎng)寧夏電力公司，寧夏銀川 750011）

電氣設(shè)備是直流換流站內(nèi)重要的構(gòu)成部分，其接頭發(fā)熱嚴(yán)重影響換流站的安全穩(wěn)定運行。分析了接頭發(fā)熱的5種原因，針對5種可能造成接頭發(fā)熱的原因提出10項對策，結(jié)合哈鄭直流主回路設(shè)備接線板的發(fā)熱及復(fù)奉直流400 kV刀閘過熱的原因進行計算分析，發(fā)現(xiàn)其接線板設(shè)計偏小，載流密度不滿足要求，并對換流站運維及新建換流站的施工驗收工作提出了防范措施和建議。

±800 kV；直流換流站；電氣設(shè)備；接頭發(fā)熱

哈鄭直流輸電工程是國家實施“疆電外送”戰(zhàn)略的第一個特高壓直流輸電工程，也是通流能力首個達到5 000 A的特高壓直流輸電工程，其額定電壓為±800 kV，額定輸送功率為800萬kW，一旦發(fā)生極、閥組閉鎖，將對2端電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而一次電氣設(shè)備接頭發(fā)熱則是影響其安全穩(wěn)定運行的重要因素[1-2]。哈鄭、復(fù)奉直流輸電工程均在驗收，其他調(diào)試及運行中發(fā)生過接頭發(fā)熱，影響設(shè)備運行的情況，通過對其他換流站運行經(jīng)驗進行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備接頭發(fā)熱為設(shè)備缺陷的主要原因之一，因此對設(shè)備接頭發(fā)熱的原因進行分析，總結(jié)預(yù)防經(jīng)驗及制定處理措施，對換流站的運行維護工作很有必要[3-4]。本文分析了設(shè)備接頭發(fā)熱的原因，對具體案例進行分析，總結(jié)出接頭發(fā)熱的預(yù)防經(jīng)驗，并給出了處理措施。

1 電氣設(shè)備發(fā)熱原因

通過對直流換流站工程驗收、調(diào)試、運行期間電氣設(shè)備發(fā)熱的問題進行統(tǒng)計分析，設(shè)備發(fā)熱主要有安裝不當(dāng)、螺栓松動、接觸面不平整、引線斷股、導(dǎo)電膏涂抹不當(dāng)、接頭或者線夾的表面氧化和設(shè)計原因?qū)е螺d流密度超過限制值等原因[5-6]。2010—2011年南網(wǎng)某局轄屬的5個重要換流站共發(fā)生101起發(fā)熱缺陷，其中32例在檢查過程中未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致發(fā)熱的明顯原因，處理過程僅對其進行接觸面的打磨、涂抹導(dǎo)電膏和螺栓緊固后，后續(xù)紅外測溫未再發(fā)現(xiàn)溫度異常[7]。對發(fā)熱原因進行統(tǒng)計分析，其中由于螺栓松動原因造成的次數(shù)占到總數(shù)的28%，由于接觸面不平整和設(shè)計原因（如載流板面積不夠、在強電場環(huán)境下使用導(dǎo)電螺栓等）造成的發(fā)熱分別占16%、13%。

1.1 螺栓松動

螺栓松動實為接頭壓力不夠，力矩不符合標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致接觸電阻變大。金屬在壓力的作用下會發(fā)生蠕變（蠕變就是金屬在壓力下緩慢的冷變形）。蠕變特性取決于金屬和合金的類別及它們的硬度。一般來說，合金比純金屬的蠕變小。常用的電氣設(shè)備接頭是純金屬的蠕變也就很大。鋁的蠕變是銅的許多倍。通過實驗和計算知，接觸電阻R與總的施加接觸壓力F成反比，即R=C/F（其中C表示常數(shù)，其值隨材料的不同而不同）。圖1為接觸電阻與壓力的典型關(guān)系曲線。

圖1 接觸電阻和接觸壓力的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve of the contact resistance and contact pressure

圖1中曲線表明接觸電阻R隨壓力F的增加而不斷減少；當(dāng)達到最大接觸壓力時，接觸電阻為最低，在運行中發(fā)生蠕變，壓力將逐漸下降并穩(wěn)定在一個不再進一步蠕變的數(shù)值上。

1.2 接觸面不平整

在接頭材料的接觸面加工中，無論如何處理，從微觀上來說，其表面上總是不平整的，因而接觸面也是不完全吻合的[8-9]。當(dāng)兩金屬表面互相接觸時，只有少數(shù)凸出的點發(fā)生了真正的接觸，其中僅僅是一小部分金屬接觸或準(zhǔn)金屬接觸的斑點才能導(dǎo)電。當(dāng)電流通過這些很小的導(dǎo)電斑點時，電流線必然會發(fā)生收縮現(xiàn)象。因電流線收縮，使流過導(dǎo)電斑點附近的電流路徑增長，有效導(dǎo)電面積減小，故電阻值相應(yīng)增大，見圖2。

1.3 接頭或線夾的表面氧化

電氣設(shè)備接頭一般常用螺栓連接，當(dāng)接頭因冬夏氣候變化或通過電流密度太大等原因產(chǎn)生過熱時，會導(dǎo)致膨脹，而鋁和銅的膨脹系數(shù)大于鋼，此時因鋼制墊圈所限，母線接頭不能自由膨脹；當(dāng)母線電流減小等原因致溫度降低時，母線的收縮大于螺栓，于是壓力下降，形成一個間隙，此時接觸面位置錯開，接觸壓力降低，而接觸電阻增加。溫度的升高，又使母線接觸面氧化，破壞了原來接頭金屬面的直接接觸，氧化膜的形成，又使接觸電阻更大。每次溫度變化循環(huán)使接觸電阻增加，又使下一次循環(huán)時熱量增加，較高的溫度使接觸進一步惡化。再者，金屬在空氣中一般都會生成一層氧化薄膜。例如：鋁的氧化膜是極其堅硬牢固的，正因為鋁的氧化膜的堅固性，使鋁具有良好的防腐性能，但鋁的氧化物電阻率高，達到1×1016Ω·m，而鋁的電阻率只有2.9×10-2Ω·m，兩者相差很大，如果氧化膜不清除，接觸電阻仍是很高的。而鋁在高溫下，化學(xué)性質(zhì)很活躍，尤其是通過5 000 A的大電流，即使清除氧化膜，如果不和空氣隔絕，又會立即生成一層新的氧化膜，從而使接觸電阻增大，設(shè)備接頭發(fā)熱。

圖2 接觸電阻的收縮現(xiàn)象Fig.2 Contraction of the current line in the case of electrical contact

1.4 設(shè)計原因?qū)е螺d流密度超過規(guī)定值

從設(shè)計入手，尤其對新產(chǎn)品的接頭截面、連接導(dǎo)線和螺栓等進行載流量分析非常重要。電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家未對接頭設(shè)計進行認(rèn)真核算，從而載流密度超過規(guī)定值，導(dǎo)致接觸電阻增大。電氣設(shè)備接頭截面積及所采用導(dǎo)線、螺栓等均有一定的載流限制，若設(shè)備生產(chǎn)廠家缺少相應(yīng)的核算機制和電磁場分析，設(shè)計缺陷將在長時高電壓、大電流的運行下，很快引起大面積的發(fā)熱缺陷。

1.5 防氧化層涂抹不當(dāng)或涂抹材料不合適

中性凡士林無任何導(dǎo)電作用，只能起到防止水份滲入和隔離空氣的作用，而且凡士林的滴點僅為54℃，當(dāng)運行溫度高于54℃時，凡士林就會慢慢滲化流失而干涸，空氣中的水份和有害介質(zhì)沿接觸面空隙侵入，使接頭表面氧化腐蝕，而且中性凡士林使電接觸部位更易集灰，且中性凡士林易干，增加摩擦阻力，造成接頭接觸不良，但防氧化層涂抹過厚，也會導(dǎo)致接觸電阻增大，造成設(shè)備接頭局部發(fā)熱，導(dǎo)致接觸電阻增大。而新型的電力復(fù)合脂滴點達180～220℃，當(dāng)運行溫度達70℃時，電力復(fù)合脂的蒸發(fā)度不大于5%，依然能在接頭整個表面形成一個保護層而起到氧化的作用；對于不同材質(zhì)接頭，特別是銅鋁接頭，由于電力復(fù)合脂所含的鋅元素的介入，使銅鋁兩者電位差縮小，可減緩銅鋁電化腐蝕；涂敷在接觸面的電力復(fù)合脂，經(jīng)螺栓緊固后，借“隧道效應(yīng)”實現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，大大降低了接觸電阻。

1.6 螺栓頭和螺帽的大小設(shè)計不合理

電氣觸頭的有效載流面積應(yīng)是在足夠的壓力直接作用下的電氣觸頭導(dǎo)體的面積。實際有效載流截面積就是螺帽壓緊觸頭導(dǎo)體處的面積及螺帽表面的截面積。普通螺栓緊固電氣觸頭時，因螺帽外徑小，所以造成電氣觸頭的有效載流截面積不足；若在螺帽下加裝彈墊（彈墊外徑小于螺帽外徑），緊固時螺帽施加的力作用在彈墊上，彈墊作用在平墊上的面積就是彈墊受力側(cè)的面積，實際直接著力于觸頭上的面積等于彈墊受力側(cè)的面積，即為有效載流面積，其有效載流截面積更小，從而導(dǎo)致設(shè)備局部發(fā)熱。

2 典型發(fā)熱故障的分析與處理

2.1 天中直流場主通流回路設(shè)備接線板的發(fā)熱原因

2.1.1 故障描述

2013年12月15日，±800 kV天、中直流換流站在高、低端大負荷調(diào)試期間通過紅外測溫發(fā)現(xiàn)直流刀閘接線板、NBS斷路器連接板和平抗等設(shè)備接頭均存在不同程度的發(fā)熱。圖3和圖4為發(fā)熱設(shè)備接頭的紅外圖譜。

圖3 平抗出線接頭（環(huán)溫-13℃）Fig.3 Infrared spectrogram of the smooth reactor joint（ambient temperature-13℃）

圖4 40 kV直流刀閘接頭（環(huán)溫4℃）Fig.4 Infrared spectrogram of the DC breaker joint（ambient temperature 4℃）

2.1.2 故障分析

1）設(shè)備接頭力矩檢查。按照國家標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 223-2008《±800 kV換流站母線裝置施工及驗收規(guī)范》及編制說明中規(guī)定“母線的接觸面應(yīng)連接緊密，連接螺栓應(yīng)用力矩扳手緊固。4.8級鋼制螺栓的緊固力矩值應(yīng)符合表1的規(guī)定；4.8級以上的鋼制螺栓的緊固力矩值應(yīng)符合設(shè)計或制造廠家規(guī)定”，現(xiàn)場運維人員在停電期間對發(fā)熱接頭的力矩值和接觸電阻進行檢查，發(fā)熱接頭的力矩值和接觸電阻均滿足要求，其中平抗接頭還增加了防松螺栓，但在高端大負荷調(diào)試期間仍然還有發(fā)熱現(xiàn)象，故排除因為力矩不滿足導(dǎo)致接頭發(fā)熱的因素。表1為4.8級鋼制螺栓的緊固力矩值。

表1 鋼制螺栓的緊固力矩值Tab.1 Tighten torque value of steel bolts

2）發(fā)熱設(shè)備接頭的鍍層材質(zhì)核實。按照Q/GDW 223-2008《±800 kV換流站母線裝置施工及驗收規(guī)范》及編制說明中的規(guī)定：“①銅與銅在室外、高溫且潮濕之處以及存在對母線有腐蝕性氣體的室內(nèi)，必須搪錫。在干燥的室內(nèi)可直接連接；②鋁與鋁直接連接。③銅與鋁在干燥的室內(nèi)，銅導(dǎo)體應(yīng)搪錫；在室外或空氣相對濕度接近100%的室內(nèi)，應(yīng)采用銅鋁過渡板，銅端應(yīng)搪錫。④鋼與銅或鋁，鋼搭接面必須搪錫或熱鍍鋅，銅端應(yīng)搪錫。⑤封閉母線螺栓固定搭接面應(yīng)鍍銀。運維人員對設(shè)備發(fā)熱接頭材質(zhì)進行了核查統(tǒng)計（見表2）。

表2 發(fā)熱設(shè)備接線板和金具材質(zhì)Tab.2 Material of the patch panel and fittings of the heating equipment

從表2的統(tǒng)計情況和驗收規(guī)范綜合分析，也排除發(fā)熱接頭鍍層材質(zhì)不合適，導(dǎo)致接頭發(fā)熱的原因。

3）發(fā)熱設(shè)備接頭載流密度的核實?？紤]到哈鄭直流工程的通流能力首次達到5 000 A（向上工程為4 000 A，錦蘇工程為4 500 A），運維人員便從設(shè)計入手，對設(shè)備接線板和金具的載流量進行了分析、計算。從而發(fā)現(xiàn)了接線板和金具的載流密度超過規(guī)定值，導(dǎo)致設(shè)備接頭發(fā)熱的缺陷。具體分析過程（以平波電抗器為例）如下：①直流場設(shè)備主回路通流能力達到5 000 A，便用額定電流5 000 A，計算出工程主通流回路設(shè)備接頭標(biāo)準(zhǔn)接觸面積53 418.8 mm2。②根據(jù)DL5222-2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定，導(dǎo)體無鍍層接頭接觸面的電流密度，不宜超過表3所列數(shù)值。矩形導(dǎo)體接頭的搭接長度不應(yīng)小于導(dǎo)體的寬度。其中無鍍層接頭接觸面的電流密度為0.093 6 A/mm2。③找到相應(yīng)設(shè)備發(fā)熱接頭的設(shè)計圖紙，設(shè)備接線板和金具的接觸面積則在設(shè)計圖紙上算出。通過公式J=I/S計算出設(shè)備接線板和金具的載流密度為0.1 A/mm2。④將計算出設(shè)備接線板的載流密度0.1 A/mm2同DL5222-2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中接頭接觸面的電流密度0.093 6 A/mm2進行比較，結(jié)果表明設(shè)備接頭載流密度設(shè)計不滿足要求。利用停電機會，通過實地測量知，接頭的接觸面積為46 222 mm2，小于計算出的接線板接觸面積53 418.8 mm2，也證實了這一原因。對其他發(fā)熱接頭利用相同的方法進行核查計算，發(fā)現(xiàn)都存在載流密度超過設(shè)計要求的問題。⑤發(fā)熱接頭處理。發(fā)熱平波電抗器高壓側(cè)平抗軟導(dǎo)線載流面積為6×40=240 mm2，低壓側(cè)平抗軟導(dǎo)線載流面積為6×40=240 mm2，針對平抗之間連接的金具，可以通過增加一對金具直接連接到管母上，此時的接觸面積增加到88 973 mm2，接觸電流密度減小到0.056 A/mm2，具體圖紙如圖6所示。

表3 無鍍層接頭接觸面的電流密度Tab.3 The current density of the un-coated joint contact surface （A·mm-2）

2.2 復(fù)奉直流400 kV直流刀閘過熱分析

2.2.1 故障描述

2013年4月16日，復(fù)奉直流雙極滿負荷運行試驗期間，根據(jù)調(diào)度曲線安排復(fù)奉直流計劃10：00—12：30功率由3 000 MW升至6 400 MW，12：30—16：30分保持6 400 MW運行4 h，復(fù)龍站安排檢修人員進行不間斷站內(nèi)一次設(shè)備紅外測溫，發(fā)現(xiàn)直流場80112、80121、80212、80221 4臺400 kV刀閘靜觸頭與導(dǎo)流板接觸部位有過熱現(xiàn)象，溫度分別為102℃、80℃、110℃和101℃。

圖5 平抗接頭圖紙（單位：mm）Fig.5 Design drawings of the smooth reactor joints（unit:mm）

圖6 平抗接頭新增金具（單位：mm）Fig.6 The drawing of the added metal fittings of the smooth reactor joints（unit：mm）

2.2.2 故障分析

1）紅外圖片分析。從紅外測溫圖片（見圖7）顯示所有直流刀閘的發(fā)熱點都在刀閘靜觸頭與匯流板連接處，測量靜觸頭喇叭口內(nèi)部、動觸頭及靜觸頭桿部均未發(fā)現(xiàn)過熱現(xiàn)象，可以排除由于動靜觸頭接觸不好導(dǎo)致的發(fā)熱。

2）刀閘直流電阻情況。從2010年7月投運至今的例行試驗回路電阻測量數(shù)據(jù)綜合分析刀閘一次回路接觸良好，復(fù)龍換流站例行試驗回路電阻測量結(jié)果見表4。

圖7 80212刀閘紅外圖譜和靜觸頭發(fā)熱部位示意圖Fig.7 Diagram of infrared spectrogram of the 80212 DC field breaker and heating position of the static contact

表4 2010—2013直流刀閘回路電阻測量數(shù)據(jù)表Tab.4 Testing data of the DC breaker loop resistance during the year 2010—2013

3）動靜觸頭接觸情況分析。廠家服務(wù)人員與現(xiàn)場運行人員一起對400 kV刀閘（運行編號：80112）及800 kV刀閘（運行編號：80111）進行檢查確認(rèn)，刀閘動觸頭與靜觸頭接觸良好，刀閘手動合閘時動觸頭伸入靜觸頭140 mm，電動合閘時動觸頭伸入靜觸頭160 mm，滿足設(shè)備說書要求的合閘時動觸頭伸入靜觸頭165 mm（-30～+10 mm）要求，且動靜觸頭接觸良好，可以排除因現(xiàn)場安裝和運行維護導(dǎo)致的刀閘發(fā)熱。

4）靜觸頭結(jié)構(gòu)分析?，F(xiàn)場對400 kV刀閘靜觸頭備品進行了解體檢查，靜觸頭與匯流板的接觸面為49.48 mm2，靜觸頭采用銅渡銀，匯流板采用鋁渡銀，經(jīng)過分析計算發(fā)現(xiàn)刀閘靜觸頭與匯流板之間的接觸面偏小，導(dǎo)致載流密度不夠。（廠家設(shè)備說明書參數(shù)：20℃時刀閘連續(xù)運行電流為4 614 A，僅額定電流的1.15倍，40℃時刀閘連續(xù)運行電流為4 497 A，僅額定電流的1.12倍），因此認(rèn)為刀閘過熱的原因為刀閘靜觸頭與匯流板之間的接觸面偏小，通流能力裕度偏小，導(dǎo)致滿負荷運行時刀閘發(fā)熱。在接觸面接觸電阻、刀閘安裝位置通風(fēng)狀況，以及環(huán)境溫度不同的情況下，刀閘發(fā)熱情況會有所不同。

3 總結(jié)建議

隨著特高壓直流輸電的發(fā)展，換流站設(shè)備通流回路接觸部位發(fā)熱，危害極大，嚴(yán)重時導(dǎo)致直流閉鎖及一次設(shè)備損壞，嚴(yán)重影響特高壓直流的安全穩(wěn)定運行。因此，對接頭發(fā)熱缺陷既要處理及時又要采取一定的預(yù)防措施，從安裝或缺陷處理的源頭上采取措施，提高施工和檢修質(zhì)量。對此，本文提出一些想法和建議：

1）新建特高壓直流工程中，建議在接頭處理效果評價中進一步推進接觸電阻、夾緊力等預(yù)試內(nèi)容，并編制專門針對特高壓換流站的電氣設(shè)備接頭的處理規(guī)范。

2）鑒于導(dǎo)電膏涂抹不當(dāng)也會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱，再者，現(xiàn)有導(dǎo)電膏材質(zhì)的選取缺少統(tǒng)一規(guī)范和考核標(biāo)準(zhǔn)，涂抹導(dǎo)電膏的方式僅僅采用目測和施工經(jīng)驗，有必要在導(dǎo)電膏的選取和使用方式上進一步開展研究，設(shè)計制造方便導(dǎo)電膏涂抹的工器具。

3）對于換流站直流設(shè)備不便于停電處理的特點，可以采取輔助降溫措施（比如風(fēng)冷）。

4）哈鄭工程是通流能力首個達到5 000 A的特高壓直流工程，在后續(xù)特高壓直流工程中，對直流設(shè)備通流能力要求越來越高，建議直流設(shè)備接頭相應(yīng)接觸面積應(yīng)盡量設(shè)計大一些，保證額定電流同正常運行電流相比有30%的裕度以上，這樣即使工藝上公差偶有偏差也不至于引起嚴(yán)重過熱，從而保證直流設(shè)備的良好運行。

5）為確保溫升試驗?zāi)苷鎸嵎从吃O(shè)備實際情況，建議在現(xiàn)場真實模擬設(shè)備和金具連接進行溫升試驗，避免設(shè)備和金具連接的有效面積小而發(fā)熱。

6）新建特高壓直流工程中要進行嚴(yán)格的質(zhì)量和工藝把關(guān)（包括安裝工藝），對于換流站母線金具及設(shè)備接線板，應(yīng)根據(jù)需要選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，載流量及動熱穩(wěn)定性能符合設(shè)計要求，除了對設(shè)計圖紙的技術(shù)參數(shù)進行核對計算之外，也應(yīng)該對接線板的接觸面積和接觸電阻進行實測。

7）建議加強點檢和定期維護工作，采取以上一些措施，能有效杜絕一些電氣設(shè)備接頭過熱事故，但有時由于各種原因還可能會出現(xiàn)過熱情況，必須加強定期的設(shè)備巡檢和溫度監(jiān)視，堅決杜絕發(fā)熱事故的發(fā)生。

8）對于新安裝的接觸部位，為確保各接觸面的接觸良好，最好在全部安裝工作結(jié)束后對導(dǎo)電回路進行整體接觸電阻測量，以確定接觸是否良好，為設(shè)備投運后的安全運行打下基礎(chǔ)。

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Analysis on±800 kV DC Converter Station Electric Equipment Joint Heating and Its Optimization Suggestions

SHI Lei，LEI Zhanfei
（State Grid Ningxia Electric Power Maintenance Company，Yinchuan 750011，Ningxia，China）

As an important part of DC converter station，the joint heating of electrical equipment will seriously affect the safe and stable running of the station.This paper analyzed the five possible causes of joint heating，and put forward ten countermeasures.Through the analysis of the causes of the main DC circuit joint board heating in the Ha-Zheng and the overhead of DC breaker in Fu-Feng 400 kV circuit，it was found that the design of patch panel was too small，and current-carrying density did not meet the requirements.Finally，preventive measures and suggestions were offered on the operation and maintenance of converter station and acceptance of newly built stations.

±800 kV；DC converter station；electrical equipment；joint heat

2016-03-25。

史 磊（1987—），男，本科，工程師，現(xiàn)從事?lián)Q流站運維檢修管理工作；

（編輯 董小兵）

中國博士后科學(xué)基金資助項目（2015M82543）。

Project Supported by the China Postdoctoral Science Foundation（2015M82543）.

1674-3814（2017）03-0049-07

TM723

A

雷戰(zhàn)斐（1991—），男，本科，工助理工程師，現(xiàn)從事?lián)Q流站運維檢修工作。