換流站典型金具典型發(fā)熱因素的試驗(yàn)研究

陶瑞祥, 董雪松, 駱闐彥, 徐 寧, 于 兵

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014)

交流高壓電器的觸指結(jié)構(gòu)[1]和換流站金具主要用于連通導(dǎo)流回路。其中，換流站金具能否正常運(yùn)行關(guān)乎換流站能否正常穩(wěn)定運(yùn)行，而金具發(fā)熱是現(xiàn)階段金具故障的主要原因?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在研究金具發(fā)熱時(shí)，基本思路都是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的發(fā)熱部件，首先查找發(fā)熱的具體位置，進(jìn)而分析發(fā)熱的可能原因，然后針對各條原因逐一進(jìn)行排查整改，例如文獻(xiàn)[2]分析了套管接頭發(fā)熱的原因，而后提出了相應(yīng)的整改措施；文獻(xiàn)[3-4]分析了特高壓直流換流閥電抗器端子發(fā)熱原因，并提出解決大組件閥電抗器端子發(fā)熱的方法。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，造成變電設(shè)備接頭發(fā)熱的因素基本集中在以下幾方面：①電壓等級高，通流大導(dǎo)致的電力負(fù)荷高；②開關(guān)動(dòng)靜觸頭長期暴露在室外，缺少必要的防護(hù)措施，易發(fā)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(dǎo)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(dǎo)電膏干結(jié)老化，使線夾接頭位置接觸電阻增大；⑧接觸面的電化學(xué)腐蝕；⑨電氣絕緣介質(zhì)的損耗也會(huì)導(dǎo)致變電運(yùn)行中的電氣接頭發(fā)熱[5-9]?？偟膩碚f，這些因素中的絕大多數(shù)最終都會(huì)在金具接頭的回路電阻上有所體現(xiàn)。針對上述因素造成金具發(fā)熱的機(jī)理，眾多學(xué)者進(jìn)行了更為深入的研究。文獻(xiàn)[10]對特高壓直流換流站通流回路接頭端子發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]基于溫升試驗(yàn)對特高壓換流站通流回路接頭端子的接觸電阻經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有針對導(dǎo)致?lián)Q流站典型金具接頭發(fā)熱的典型因素進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證研究的，對這些典型因素影響金具接頭發(fā)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(yīng)、螺栓力矩、分接頭通流不均衡4方面因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同因素對金具接頭回路的電阻的影響，為現(xiàn)階段研究換流站金具接頭發(fā)熱問題打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)主要儀器

試驗(yàn)所用的主要試驗(yàn)儀器如表1所示，其中數(shù)字多用表(型號8846A)用于測量金具通流時(shí)兩側(cè)的電壓，鉗型電流表用于測量金具的通流大小，環(huán)溫油瓶3個(gè)，通過獲取其平均值用于標(biāo)識環(huán)境溫度。

表1 試驗(yàn)儀器Table 1 Testing devices

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 測量電流對金具接頭回路電阻影響的試驗(yàn)

現(xiàn)階段運(yùn)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?；芈冯娮鑳x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(shè)計(jì)試驗(yàn)檢驗(yàn)不同測量電流對金具接頭回路電阻測量結(jié)果的影響，試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖1所示。調(diào)節(jié)直流電流源，分別輸出100、200、600、800、1 000 A共5個(gè)不同梯度的測量電流。每個(gè)梯度測量電流的通流時(shí)間設(shè)置為60 s，每隔10 s記錄一次電壓數(shù)據(jù)，如表2所示。

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

圖1 主要實(shí)驗(yàn)儀器Fig.1 Main test instrument

表2 不同測量電流下金具兩側(cè)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(jù)表3的數(shù)據(jù)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(yùn)維檢修過程中測量金具接頭回路電阻時(shí)，可以依然采用當(dāng)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(yīng)對金具接頭回路電阻影響的試驗(yàn)

本試驗(yàn)依然采用圖1的現(xiàn)場布置，試驗(yàn)開始時(shí)，測量金具接頭①②處的初始溫度。調(diào)節(jié)直流電流源，施加不同梯度的測量電流，記錄初始時(shí)刻不同測量電流下金具接頭兩側(cè)的電壓。繼續(xù)通流直至數(shù)字多用表的讀數(shù)基本趨于穩(wěn)定則判定金具在本測量電流條件下達(dá)到熱平衡，記錄此時(shí)金具接頭兩側(cè)的電壓，并測量金具接頭①②處的溫度，測量數(shù)據(jù)如表4。

表4 溫升試驗(yàn)過程中金具兩側(cè)電壓Table 4 Voltage on both sides of conductor during temperature rise experiment

依據(jù)歐姆定律計(jì)算得到溫升試驗(yàn)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(shí)刻回路電阻值；T為常數(shù)，文中鋁導(dǎo)線取T=225。

從表5可以看出，溫升會(huì)導(dǎo)致金具接頭回路電阻的變化，但換算至同一溫度下時(shí)，回路電阻的變化微小。

表5 溫升試驗(yàn)時(shí)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(yàn)

合適力矩的螺栓可使得金具接頭與導(dǎo)線保持良好的接觸。力矩過大會(huì)使得金具接頭與導(dǎo)線接觸面變形，力矩過小會(huì)使得金具接頭與導(dǎo)線連接不緊密，兩種情況都會(huì)增大接觸面的電阻，進(jìn)而導(dǎo)致金具接頭發(fā)熱。為驗(yàn)證螺栓不同力矩對金具接頭回路電阻的影響，確認(rèn)金具接頭螺栓型號M12，設(shè)置正常力矩值為30 N·m，通過逐步減小接頭4個(gè)螺栓的力矩并測量金具接頭回路電阻，驗(yàn)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(gè)螺栓均為30 N·m；②4個(gè)螺栓力矩中1個(gè)為10 N·m，3個(gè)為30 N·m；③4個(gè)螺栓力矩中2個(gè)為10 N·m，2個(gè)為30 N·m；④4個(gè)螺栓力矩中3個(gè)為10 N·m，1個(gè)為30 N·m；⑤4個(gè)螺栓力矩中4個(gè)為10 N·m。其中，類型③中4個(gè)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(jié)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(jù)表6的數(shù)據(jù)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(yàn)

由于設(shè)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(huì)有所不同，如果各分接頭中的通流相差過大，就會(huì)導(dǎo)致金具某個(gè)分裂接頭出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

本文試驗(yàn)選取換流站典型的六分裂設(shè)備線夾，JL-11500型導(dǎo)線，作為研究對象，如圖5所示，圖5中編號不代表導(dǎo)線編號，而是導(dǎo)線所處各分線夾的編號。采用直流電源向六分裂導(dǎo)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(dǎo)線中的電流大小，在多次測量結(jié)果中選取相鄰兩次測量相差較小的結(jié)果作為最終的測量數(shù)據(jù)，如表7所示。

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

圖5 六分裂設(shè)備線夾及導(dǎo)線Fig.5 Six split clamp and wires

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

為驗(yàn)證回路電阻對導(dǎo)線通流占比的影響，本試驗(yàn)測量了導(dǎo)線3、5、6中的電流和兩端的電壓，計(jì)算了回路電阻，如表9所示。

表7 各分裂導(dǎo)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(dǎo)線互換后各分裂導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線5與金具分線夾的回路電阻最大，導(dǎo)線3次之，導(dǎo)線6最小。這說明回路電阻是影響各分裂導(dǎo)線中電流大小的主要原因。此外，導(dǎo)線5與導(dǎo)線3回路電阻相差1.01 μΩ，電流相差12 A，導(dǎo)線5與導(dǎo)線6回路電阻相差2.26 μΩ，電流相差25 A，據(jù)此可以得出，本試驗(yàn)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(dǎo)線中通入1 000 A的電流，各分裂導(dǎo)線的通流相等且均為167 A，根據(jù)本試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，回路電阻相差1 μΩ，電流相差6%～7%。

在保證導(dǎo)線、螺栓、金具接頭等其他因素基本相同的情況下，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，分線夾3、5、6兩側(cè)與導(dǎo)線的連接情況如圖6所示。

圖6 導(dǎo)線兩側(cè)與金具的連接情況Fig.6 Connection between two sides of wire and clamp

圖7 測點(diǎn)分布圖Fig.7 Distribution of testing points

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

2.5 交流條件下金具溫升試驗(yàn)

由于本文試驗(yàn)中所用的直流電源輸出電流幅值無法達(dá)到金具實(shí)際運(yùn)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(jìn)行溫升試驗(yàn)，以期為研究金具在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下容易發(fā)熱的位置提供借鑒。試驗(yàn)前，按照圖7在實(shí)際金具的相應(yīng)位置布設(shè)測溫點(diǎn)并通過熱電偶導(dǎo)線與自動(dòng)溫升測試儀連接。將3個(gè)環(huán)溫油瓶通過熱電偶導(dǎo)線與自動(dòng)溫升測試儀連接，取3個(gè)環(huán)溫油瓶的平均溫度作為參考環(huán)境溫度。設(shè)置自動(dòng)溫升測試儀記錄時(shí)間間隔為0.5 h。調(diào)節(jié)交流電流源，輸出金具額定設(shè)計(jì)電流5 000 A的交流電流，直至金具各測點(diǎn)在1 h內(nèi)的溫升不超過1 K，此時(shí)，認(rèn)定金具達(dá)到熱平衡。在金具達(dá)到熱平衡后，調(diào)節(jié)交流電源輸出額定設(shè)計(jì)電流值的1.25倍即6 250 A的交流電流，并通流0.5 h。試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖8所示。

試驗(yàn)電流為5 000 A條件下，通流6 h后，金具基本達(dá)到熱平衡，將試驗(yàn)電流調(diào)整為6 250 A，通流0.5 h，各測點(diǎn)溫度變化如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖Fig.8 Site layout

圖9 各測點(diǎn)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(fā)熱現(xiàn)象明顯，其中，距離注流銅排最近的測點(diǎn)1、44由于受注流銅排的影響而溫度較高。金具匯流排測點(diǎn)28、29相較于其他金具測點(diǎn)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(diǎn)：測點(diǎn)9、15、16、21、22、23，結(jié)合測點(diǎn)分布圖7，可以看出，這些測點(diǎn)位于金具接頭與導(dǎo)線的連接處。實(shí)際運(yùn)行過程中，金具易發(fā)熱點(diǎn)恰好集中在金具匯流排和金具接頭與導(dǎo)線連接處，這是因?yàn)榻鹁邊R流排通過的電流是各分裂導(dǎo)線中電流的總和，相較于金具其他部位較易發(fā)熱；而金具接頭與導(dǎo)線的連接處常常由于回路電阻增大而發(fā)熱。因此，本試驗(yàn)可為今后研究金具發(fā)熱的分布情況提供重要參考。

3 結(jié)論

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)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(xiàn)有的運(yùn)維檢修過程中，測量接頭回路電阻時(shí)可繼續(xù)采用現(xiàn)有100 A的測量電流，而無需采用更高梯度的測量電流。

(2)實(shí)驗(yàn)室條件下的溫升效應(yīng)以金具達(dá)到熱平衡為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)間短，且沒有綜合考慮環(huán)境因素的影響，因此，單就實(shí)驗(yàn)室條件下的溫升效應(yīng)試驗(yàn)而言，溫升確實(shí)會(huì)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(jīng)基本保證金具與導(dǎo)線的有效接觸，因此即便螺栓力矩有所減小，也不會(huì)對金具與導(dǎo)線的有效接觸造成實(shí)質(zhì)性的影響，因此回路電阻不會(huì)出現(xiàn)較大變化。但如果在力矩減小過程中，導(dǎo)線本身發(fā)生形變、散股、下垂或強(qiáng)風(fēng)等因素導(dǎo)致導(dǎo)線與金具的有效接觸面積發(fā)生變化，則回路電阻可能發(fā)生較大變化。

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

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