特高壓直流換流站通流回路接頭端子發(fā)熱限值研究

李 青，擺志俊，常喜強，焦春雷，劉 鵬，司佳鈞

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

特高壓直流換流站是特高壓直流工程中交、直流電轉(zhuǎn)換的核心組成部分，接頭端子是換流站廣泛應(yīng)用的金具，其作用是將換流站主設(shè)備相互連接形成導電通路。接頭端子在長期運行過程中不可避免地會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，引發(fā)發(fā)熱的主要原因是載流情況下的電阻致熱〔3-4〕。在長期發(fā)熱的情況下，金屬構(gòu)件的機械強度會顯著下降，在外力作用下容易發(fā)生變形損壞。統(tǒng)計資料顯示，2014年入夏以來，包括復奉線、錦蘇線、天中線和賓金線在內(nèi)的多個±800 kV特高壓直流換流站接頭端子均出現(xiàn)過發(fā)熱現(xiàn)象，其中114處發(fā)熱異常，10處發(fā)熱嚴重申請臨時停運。特高壓直流換流站端子發(fā)熱問題已成為危害電網(wǎng)輸電安全及可靠性的重要原因。

特高壓直流換流站通流回路接頭端子發(fā)熱的影響因素非常復雜，涉及材料特性、接觸方式、接觸面積、接觸條件以及環(huán)境條件等諸多方面〔5〕。作為國際上首次投運的特高壓直流工程，目前尚缺乏針對換流站接頭端子發(fā)熱影響因素及試驗方法的研究成果。開展特高壓直流換流站接頭端子載流-溫升特性及其影響因素的研究，能夠為接頭端子發(fā)熱防治措施的提出提供試驗數(shù)據(jù)支持，對于提升特高壓電網(wǎng)的運維檢修水平、保障特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要指導意義。

本文根據(jù)已投運±800 kV特高壓直流輸電工程換流站接頭端子的發(fā)熱情況，研究不同材質(zhì)、不同壓緊力條件、不同結(jié)構(gòu)型式、不同接觸面積、不同表面光潔度接頭端子的電流-溫升特性，分析材料特性對接頭端子電流-溫升特性的影響規(guī)律，為接頭端子的選擇、設(shè)計和優(yōu)化提供試驗和理論支撐。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗樣品準備

試驗所需設(shè)備主要包括大電流發(fā)生裝置和直流電阻測試裝置，依據(jù)試驗不同要求選用相關(guān)的試驗樣品。

1)用于材料特性影響試驗的樣品尺寸如表1所示。

表1 用于材料特性影響實驗的樣品尺寸

2)用于結(jié)構(gòu)特性影響試驗的樣品尺寸與表1中的樣品1鋁合金端子板相同。

3)用于/mm接觸條件影響試驗的事件尺寸在表1樣品1和樣品3的基礎(chǔ)上增加對照組樣品4和樣品5，詳見表2。

表2 用于接觸條件影響實驗的樣品尺寸

4)用于表面光潔度影響試驗的樣品尺寸為：接觸面粗糙度為25、6.3、3.2的鋁合金端子板各2塊，搭接面尺寸與樣品1鋁合金端子板相同。試驗樣品圖紙見圖1。

圖1 試驗樣品圖紙

試驗樣品的安裝要求：

1)依次使用200號、400號細砂紙打磨去除試驗樣品表面污穢和氧化層，用丙酮清洗打磨面，使用脫脂棉擦拭打磨面并吹干。銅板鍍銀面和鋁板鍍錫面加工完成后應(yīng)涂油保護，在安裝前把表面油脂清洗干凈。對于表面光潔度影響試驗用樣品，僅用丙酮清洗打磨面，使用脫脂棉擦拭打磨面并吹干。

2)通過螺栓連接方式將試驗樣品接入試驗回路。試驗樣品與其他連接件之間保持一定的距離，避免熱擾動的影響。

3)在試驗樣品表面均勻布置溫度傳感器，用于在試驗過程中實時監(jiān)測試驗樣品溫度，端子板測溫點布置具體情況詳如圖2所示。

圖2 端子板測溫點布置示意圖

1.2 材料特性影響實驗

本研究以不同材質(zhì)接頭端子的電流-溫升試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，分析材料特性對接頭端子發(fā)熱限值的影響，樣品包括鋁板、銅板、銅板鍍銀、鋁板鍍錫。通過改變電流大小，試驗得到鋁板-鋁板、銅板-銅板與銅板鍍銀-鋁板鍍錫溫升K與電流密度J的關(guān)系曲線K=f(J)。

試驗步驟如下：

1)加載電流至5 000 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄試驗樣品表面各溫度傳感器所示溫度，將最高溫值作為試驗樣品的穩(wěn)定溫度；

2)繼續(xù)加電流至5 750 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄穩(wěn)定溫度值；

3)重復步驟2)直至加載電流至6 750 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄穩(wěn)定溫度值。

1.3 結(jié)構(gòu)強度影響試驗

本研究以不同壓緊力條件下接頭端子的電流-溫升試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，分析結(jié)構(gòu)強度對接頭端子發(fā)熱限值的影響，試驗樣品采用鋁板。接頭端子壓緊力與螺栓緊固力矩呈正比，通過改變螺栓緊固力矩，試驗得到樣品緊固力矩F與電阻R的關(guān)系曲線R=f(F)，考察壓緊力對接觸電阻的影響。

(1) 壓緊力對接觸電阻的影響試驗。

試驗步驟如下：

1)緊固件試驗樣品搭接處的螺栓，扭矩為190 N·m(100%)，測定試驗樣品的接觸電阻。

2)反方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)試驗樣品搭接處的螺栓，旋轉(zhuǎn)扭矩為9.5 N·m，總扭矩降至180.5 N·m(95%)，測定試驗樣品的接觸電阻；

3)重復步驟2)，直至總扭矩降至76 N·m(40%)，測定試驗樣品的接觸電阻。

(2) 壓緊力對溫升的影響試驗。

試驗步驟如下：

1)緊固試驗樣品搭接處的螺栓，扭矩為190 N·m(100%)，加載電流至6 750 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄試驗樣品表面各溫度傳感器所示溫度，將最高溫值作為試驗樣品的穩(wěn)定溫度，退電流至零；

2)松開螺栓連接，重新進行表面處理，重新緊固試驗樣品搭接處的螺栓，扭矩為161.5 N·m(85%)，加載電流至6 750 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄穩(wěn)定溫度值，退電流至零；

3)重復步驟2)，直至扭矩降至76 N·m(40%)，加載電流至6 750 A，待試驗樣品溫度基本保持不變后，記錄穩(wěn)定溫度值，退電流至零。

1.4 接觸條件對接頭端子發(fā)熱限值影響試驗

本研究以不同接觸面積及不同表面光潔度條件下接頭端子的電流-溫升試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，分析接觸條件對接頭端子發(fā)熱限值的影響，試驗樣品采用鋁板與銅板鍍銀和鋁板鍍錫。對于接觸面積影響試驗，通過改變電流大小，試驗得到鋁板-鋁板溫升K與電流密度J的關(guān)系曲線K=f(J)；對于表面光潔度影響試驗，通過改變接頭端子接觸面的光潔度，得到試件表面光潔度Ra與接觸電阻R的關(guān)系曲線R=f(Ra)〔6-8〕。

(1)接觸面積影響試驗。

試驗步驟同材料特性影響實驗

(2)表面光潔度影響試驗。

試驗步驟如下：

1)分別針對接觸面光潔度25、6.3、3.2的試驗樣品，緊固試驗樣品搭接處螺栓，扭矩為190 N·m(100%)，測定試驗樣品接觸電阻；

2)反方向松開試驗樣品搭接處螺栓，旋轉(zhuǎn)扭矩為9.5 N·m，總扭矩降至161.5 N·m(85%)，測定試驗樣品的接觸電阻；

3)重復步驟2)，直至總扭矩降至76 N·m(40%)，測定試驗樣品的接觸電阻。

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 材料特性影響試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案對不同材質(zhì)的接頭端子試件開展溫升試驗，試驗結(jié)果見圖3至圖5。圖中橫坐標表示通流時間(h)，縱坐標表示試件表面平均溫度(℃)。

圖3 樣品1的通流時間(電流)-溫升曲線

圖4 樣品2的通流時間(電流)-溫升曲線

圖5 樣品3的通流時間(電流)-溫升曲線

從圖中可以看到，以試件表面平均溫度進行衡量，在通流6 250 A條件下，樣品2、3表面平均溫度不超過80 ℃，樣品1表面平均溫度超過80 ℃但低于90 ℃。將樣品2、3進一步對比發(fā)現(xiàn)，在通流6 250 A條件下，樣品2、3的溫升水平接近。

材料特性對接頭端子溫升的影響表現(xiàn)為在相同的通電流條件下，對于相同結(jié)構(gòu)型式和接觸面積的接頭端子，不同材質(zhì)接頭端子電阻率的差異對溫升水平具有顯著影響，在接頭端子接觸面增加鍍銀(錫)層后，可在一定程度上降低溫升水平。特高壓直流換流站通流回路接頭端子應(yīng)盡量選用銅或銅表面鍍銀材質(zhì)，若選用鋁材質(zhì)，應(yīng)提高設(shè)計裕度。

2.2 結(jié)構(gòu)強度影響試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案對不同壓緊力條件下接頭端子試件的溫升試驗。圖6是接頭端子的緊固力矩-接觸電阻曲線圖。圖中橫坐標表示螺栓緊固力矩(N·m)，縱坐標表示接頭端子的接觸電阻(μΩ)。

圖6 接頭端子的緊固力矩-接觸電阻曲線

從圖中可以看到，隨著螺栓緊固力矩的增加，接頭端子的接觸電阻逐漸下降，當螺栓緊固力矩達到標準緊固力矩的80%以上時，接頭端子的接觸電阻基本保持穩(wěn)定。這是因為隨著壓緊力的增加，端子板之間的有效接觸面積增大，從而使接觸電阻降低。而當壓緊力達到標準壓緊力的80%以上時，端子板之間的有效接觸面積接近最大值，因此接觸電阻基本保持不變。

圖7是接頭端子的緊固力矩-溫升曲線圖。圖中橫坐標表示螺栓緊固力矩占標準緊固力矩的百分比(%)，縱坐標表示試件表面溫度(℃)。

圖7 接頭端子的緊固力矩-溫升曲線

從圖中可以看到，隨著螺栓緊固力矩的增加(由40%標準緊固力矩增加至100%標準緊固力矩)，接頭端子的溫升水平呈下降趨勢。這與緊固力矩-接觸電阻曲線的變化趨勢基本保持一致。

對于鋁合金搭接型式接頭端子，當螺栓緊固力矩達到標準緊固力矩的80%以上時，接觸電阻基本達到最小值，溫升水平接近與100%標準緊固力矩時的溫升水平。在特高壓直流換流站通流回路接頭端子工作溫度的范圍內(nèi)，不同壓緊力條件下接頭端子的電流-溫升曲線均呈上升趨勢，未出現(xiàn)拐點，因此，結(jié)構(gòu)強度對接頭端子發(fā)熱限值不存在影響。

2.3 接觸條件影響試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案對不同接觸面積的接頭端子試件開展溫升試驗，試驗結(jié)果見圖8、圖9。圖中橫坐標表示通流時間(h)，縱坐標表示試件表面平均溫度(℃)。接觸面電流密度設(shè)計值為0.093 6 A/mm2的鋁板-鋁板，銅板鍍銀-鋁板鍍錫型式接頭端子的溫升試驗結(jié)果已在圖3、圖5中給出。

圖8 樣品4的通流時間(電流)-溫升曲線

圖9 樣品5的通流時間(電流)-溫升曲線

根據(jù)不同接觸面積接頭端子的溫升試驗結(jié)果，對不同接觸面積接頭端子的電流密度-溫升特性進行分析。圖10、圖11是不同接觸面積接頭端子的電流密度-溫升曲線圖。圖中橫坐標代表電流密度(A/mm2)，縱坐標代表試件表面溫度(℃)。

圖10 樣品1和4的電流密度-溫升曲線

圖11 樣品3和5的電流密度-溫升曲線

可以看到，對于相同材質(zhì)的接頭端子，當電流密度相同時，接觸面積越大，接頭端子的溫升值越高。

圖12、圖13是不同接觸面積接頭端子的溫升保持曲線圖。圖中橫坐標表示試件表面測溫點編號，縱坐標表示試件表面溫度(℃)。

圖12 樣品1和4的的溫升保持曲線

圖13 樣品3和5的的溫升保持曲線

從圖中可以看到，在通流6 250 A條件下，增大接觸面積后，鋁合金搭接型式接頭端子的溫升值明顯下降，但銅板鍍銀-鋁板鍍錫型式接頭端子的溫升值變化不明顯。

圖14是不同表面光潔度條件下鋁板-鋁板搭接型式接頭端子的緊固力矩-接觸電阻曲線圖。圖中橫坐標表示螺栓緊固力矩占標準緊固力矩的百分比(%)，縱坐標表示試件接觸電阻(μΩ)。

圖14 不同表面光潔度條件下接頭端子的緊固力矩-接觸電阻曲線

從圖14中可以看到，當螺栓緊固力矩達到標準緊固力矩的90%以上時，不同表面光潔度的接頭端子的接觸電阻基本保持不變。當表面光潔度較差時，接頭端子的接觸電阻測量值的分散性較大，當表面光潔度達到3.2 μm時，接頭端子的接觸電阻測量值分散性較小。

對于接觸面積對接頭端子溫升的影響，在相同的通電流條件下，增大接觸面積后，鋁板-鋁板搭接型式接頭端子的溫升水平明顯下降，但其它型式接頭端子的溫升水平無明顯變化。提高設(shè)計裕度對鋁板-鋁板搭接型式接頭端子的電流-溫升特性具有顯著影響，能夠有效降低接頭端子的溫升水平。

對于表面光潔度對接頭端子溫升的影響，當螺栓緊固力矩達到100%標準緊固力矩時，不同表面處理工藝條件下接頭端子的接觸電阻的差別較小。在100%標準緊固力矩條件下，接頭端子的表面光潔度達到25 μm及以下即可滿足工程應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)已投運±800 kV特高壓直流輸電工程換流站接頭端子的發(fā)熱情況，研究不同材質(zhì)、不同壓緊力條件、不同結(jié)構(gòu)型式、不同接觸面積、不同表面光潔度接頭端子的電流-溫升特性，分析材料特性對接頭端子電流-溫升特性的影響規(guī)律。獲得的主要結(jié)論如下：

1)在特高壓直流換流站通流回路接頭端子試驗工況范圍內(nèi)，不同材料特性、不同結(jié)構(gòu)強度、不同電氣特性以及不同接觸條件對接頭端子發(fā)熱限值不存在影響。

2)隨著螺栓緊固力矩的增加，接頭端子的接觸電阻和溫升水平逐漸下降并趨于穩(wěn)定。在安裝接頭端子時，應(yīng)保證螺栓旋緊到位，并定期緊固。

3)在相同螺栓緊固力矩條件下，接頭端子的接觸電阻隨接觸面表面光潔度的減小而下降。當螺栓緊固力矩達到標準緊固力矩的90%以上時，接觸面表面光潔度對接頭端子的接觸電阻已無明顯影響。按正常加工工藝加工成型的接頭端子的接觸面表面光潔度即可滿足實際使用需要，無需進行特殊打磨處理。