換流站閥廳載流金具通流研究分析

王文豪，楊國華，張 煒，高榮剛

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830092)

隨著我國特高壓直流輸電工程的蓬勃發(fā)展，輸送容量不斷提升，目前特高壓直流輸電工程額定電流達到6 250 A，額定電壓達到±1 100 kV[1]，在這樣高電壓大電流的長期運行下，部分特高壓換流站金具出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，金具作為設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與導(dǎo)體的連接件，金具過熱勢必影響換流站中設(shè)備的正常運行，對換流站的長期安全穩(wěn)定運行留下隱患。

換流站中閥廳金具形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按其用途可分為通流金具[2]、屏蔽金具[3]、支撐金具[4]三類；按其使用位置可以分為YY/YD側(cè)換流變套管連接金具[5]、穿墻套管連接金具[6]、管母支撐金具[7]、避雷器金具[8]和閥塔金具[9]等。上述不同分類金具中，YY/YD側(cè)換流變套管金具及與其直接連接的閥塔金具中所傳輸?shù)碾娏饕越涣鳛橹?，其余位置金具所傳輸電流均以直流為主，通流金具兩端是設(shè)備或?qū)w抱夾，中間用純鋁絞線連接，最終實現(xiàn)電氣通流，以往溫升試驗結(jié)果表明，通流金具在傳輸交流時，各個導(dǎo)線中存在通流不均衡現(xiàn)象，對于造成此現(xiàn)象的研究和原因我國鮮有文獻報道。通流金具在設(shè)計時，一般按金具中各個導(dǎo)線所傳輸電流是均衡進行設(shè)計，如果通流金具中各個導(dǎo)線中所傳輸電流存在較大差異，勢必削弱金具的實際通流能力，長期運行后造成金具過熱的現(xiàn)象[10]。本文將選取兩種典型通流金具進行交直流對比試驗，重點研究在交流和直流兩種工況下，金具中各個導(dǎo)線所傳輸電流均衡狀況，為后續(xù)特高壓換流站金具設(shè)計提供參考。

1 試驗金具及方法

1.1 試驗金具準備

選取兩種典型金具在試驗室進行交直流對比試驗，試驗室所使用的交流電源最大可輸出2 500 A電流、直流電源最大可輸出1 200 A電流，測電流裝置使用鉗形電流表。

本次試驗所選用的兩種典型金具如圖1和圖2所示，其中圖1為YY/YD側(cè)換流變套管金具，圖2為直流穿墻套管金具。YY/YD側(cè)換流變套管金具包括管母抱夾、換流變套管端子抱夾和純鋁絞線[11]；純鋁絞線兩端分別與管母抱夾及換流變套管端子抱夾焊接連接，管母抱夾和換流變套管端子抱夾均通過螺栓來實現(xiàn)與管母線和換流變套管端子的連接。穿墻套管金具包括卡爪、夾塊和穿墻套管抱夾三部分，卡爪、夾塊和穿墻套管抱夾均通過螺栓連接來實現(xiàn)對純鋁絞線和穿墻套管端子的夾緊，卡爪和穿墻套管抱夾亦通過螺栓連接來實現(xiàn)接觸通流。

圖1 YY/YD側(cè)換流變套管金具

圖2 穿墻套管金具

試驗前先將兩套金具的導(dǎo)電接觸面用砂紙和百潔布打磨去氧化層處理，隨后在打磨完成的位置噴涂酒精，最后使用干凈的白布將導(dǎo)電接觸面擦拭干凈，導(dǎo)電接觸面處理時應(yīng)注意各個接觸面應(yīng)一致，保證各個位置接觸電阻大致相同。導(dǎo)電接觸面處理完成后，將輔助管母線、輔助端子板、輔助純鋁絞線與兩套金具連接，連接時使用力矩扳手按照圖紙要求來緊固螺栓。

1.2 試驗布置

如圖3所示，YY/YD側(cè)換流變套管金具兩端分別與輔助端子板和輔助管母線連接，輔助端子板和輔助管母線通過兩根導(dǎo)電帶與交直流電源連接；同時在此金具的6根導(dǎo)線上貼上序號標簽，用以區(qū)分導(dǎo)線。

圖3 YY/YD側(cè)換流變套管金具試驗布置

如圖4所示，兩套穿墻套管金具之間通過6根等長純鋁絞線連接，保證各個位置對純鋁絞線的壓緊力一致，進而保證接觸電阻一致。兩套穿墻套管金具兩端分別與輔助端子板連接，輔助端子板通過兩根導(dǎo)電帶與交直流電源連接；同時在此套金具的6根輔助純鋁絞線上貼上序號標簽，用以區(qū)分導(dǎo)線。

圖4 穿墻套管金具試驗布置

1.3 試驗方法

本次試驗采用對照試驗法，對YY/YD側(cè)換流變套管金具設(shè)置兩組對比試驗，對穿墻套管金具設(shè)置三組對比試驗。

1.3.1 YY/YD側(cè)換流變套管金具

第一組試驗：使用如圖3布置方式對YY/YD側(cè)換流變套管金具進行交直流對比試驗，將導(dǎo)電帶分別接到交流源和直流源上，調(diào)整電流源輸出電流值大小一致，用鉗形電流表分別測量YY/YD側(cè)換流變套管金具上6跟導(dǎo)線所傳輸電流，并記錄；交直流均測三組數(shù)據(jù)，求得每根導(dǎo)線上的平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)。

第二組試驗：依然按圖3布置，將YY/YD側(cè)換流變套管金具的6跟導(dǎo)線向一起聚攏，即減小此金具導(dǎo)線之間的距離，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗一致，然后重復(fù)第一組試驗步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.2 穿墻套管金具

第一組試驗：使用如圖4布置方式對穿墻套管金具進行交直流對比試驗，導(dǎo)線與電源位置示意如圖5所示，將導(dǎo)電帶分別接到交流源和直流源上，調(diào)整電流源輸出電流值大小一致，用鉗形電流表分別測量穿墻套管金具上6跟導(dǎo)線所傳輸電流，并記錄；交直流均測三組數(shù)據(jù)，求得每根導(dǎo)線上的平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)。

圖5 第一組試驗

第二組試驗：依然按圖4布置，將此套金具沿軸線旋轉(zhuǎn)30°，旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)線與電源位置示意如圖6所示，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗一致，然后重復(fù)第一組試驗步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

圖6 第二組試驗

第三組試驗：依然按圖4布置，將此套金具在第二組試驗基礎(chǔ)上再沿軸線旋轉(zhuǎn)30°，旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)線與電源位置示意如圖7所示，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗一致，然后重復(fù)第一組試驗步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

圖7 第三組試驗

2 試驗結(jié)果

2.1 對比試驗結(jié)果

YY/YD側(cè)換流變套管金具交直流對比試驗結(jié)果見表1和圖8。穿墻套管金具交直流對比試驗結(jié)果見表2和圖9。

表1 YY/YD側(cè)換流變套管金具交直流對比試驗結(jié)果 A

圖8 YY/YD側(cè)換流變套管金具對比試驗結(jié)果折線圖

表2 穿墻套管金具交直流對比試驗結(jié)果 A

圖9 穿墻套管金具交直流對比試驗結(jié)果折線圖

2.2 試驗結(jié)果規(guī)律總結(jié)

2.2.1 兩套金具共性規(guī)律

由歐姆定律R=U/I可知，影響電流大小的主要因素是阻抗和電壓[12]，對于此2套金具而言，6根導(dǎo)線是并聯(lián)連接，加載到6根導(dǎo)線上的電壓是相等的，因此對于此2套金具而言影響電流大小的主要原因歸結(jié)于阻抗，現(xiàn)可直觀得到以下結(jié)論：

(1)分別在兩套金具中通入直流電流時，兩套金具的6根導(dǎo)線直流電流均在200 A上下微小浮動，且導(dǎo)線上電流大小基本不隨導(dǎo)線形狀及位置的改變而改變，即影響6根導(dǎo)線通流的直流阻抗大小基本一致，且在導(dǎo)線間距及位置發(fā)生變化時能夠保持不變。

(2)分別在兩套金具中通入交流電流時，兩套金具的6根導(dǎo)線的交流電流差別較大，電流大小大致呈對稱分布，改變金具導(dǎo)線形狀和位置后，通過導(dǎo)線的交流電流大小發(fā)生改變，即影響6根導(dǎo)線通流的交流阻抗隨導(dǎo)線間距及位置的變化而改變。

2.2.2 YY/YD側(cè)換流變套管金具交流對比試驗單獨結(jié)果

從二組交流試驗數(shù)據(jù)可以看出：

(1)6根導(dǎo)線中通過交流電流大小呈現(xiàn)如下規(guī)律：6#≈1#>5#≈2#>4#≈3#。

(2)將導(dǎo)線間距縮小之后，6跟導(dǎo)線上電流大小出現(xiàn)了變化，且電流分布的不均勻性增加，即導(dǎo)線間距調(diào)整后，影響6跟導(dǎo)線通流的交流阻抗大小發(fā)生變化，且不均勻性增加。

2.3 穿墻套管金具交流對比試驗單獨結(jié)果

為了更容易看出試驗數(shù)據(jù)的規(guī)律性結(jié)論，將圖9所示橫坐標軸數(shù)據(jù)變?yōu)槲恢?-6，位置1-6的與交流電源相對關(guān)系示意如圖10所示，對于第一組試驗，1#導(dǎo)線在位置6，2#導(dǎo)線在位置1，以此類推；對于第二組和第三組試驗，導(dǎo)線編號和位置編號基本一致；調(diào)整后，試驗數(shù)據(jù)見表3，試驗結(jié)果曲線如圖11所示。

圖10 位置1-6示意

圖11 穿墻套管金具交直流對比試驗結(jié)果折線圖

表3 穿墻套管金具交流對比試驗結(jié)果 A

從三組交流試驗數(shù)據(jù)可以看出：

(1)調(diào)整導(dǎo)線與交流電源相對位置后，每根導(dǎo)線電流大小發(fā)生變化，但電流大小按照位置1-6的排列順序呈現(xiàn)出一致性。

(2)對于第一組和第三組試驗，交流電源大概位于位置1和位置6對稱延長線上， 2組數(shù)據(jù)沿此線呈現(xiàn)出對稱性，即位置1與位置6、位置2和位置5、位置3和位置4電流大小基本一致；

(3)對于第三組試驗，交流電源基本位于位置1和位置4連線的延長線上，此試驗數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出了對稱性，位置2和位置6、位置3和位置5電流大小基本一致，位置1電流最大，位置4電流最小。

3 試驗結(jié)果分析

前文已經(jīng)說明，影響兩套金具電流分布的主要因素是阻抗，下面通過對影響交直流試驗阻抗的因素分析，進而對試驗結(jié)果進行分析。

3.1 直流試驗

通過分析兩套金具可知，兩套金具都可以看成是6根純鋁絞線的并聯(lián)回路，每根純鋁絞線回路的直流阻抗主要可分為兩部分，第一部分是純鋁絞線自身的阻抗，第二部分是純鋁絞線與抱夾或純鋁絞線與卡爪的接觸電阻。

第一部分：材料的阻抗是材料的固有屬性，根據(jù)公式R=ρl/s可知，材料自身的阻抗只與材料的長度，橫截面積和電阻率有關(guān)與其他因素無關(guān)[13]；而兩套金具中所分別使用的純鋁絞線，其橫截面積和導(dǎo)電率在純鋁絞線生產(chǎn)完成便已經(jīng)確定，只有純鋁絞線長度可能因測量的誤差而導(dǎo)致截取時有微小差別。

第二部分：影響接觸電阻的因素包括外部因素和內(nèi)部因素兩方面[14]。外部因素主要包括環(huán)境溫度、通風(fēng)情況等，內(nèi)部因素包括接頭部分的材料特性、接觸方式、接觸面積、接觸條件等，其中接觸條件包括拆裝操作、壓緊力、接觸面粗糙度、涂覆電力復(fù)合脂、采用防松措施等。兩套金具分別進行試驗時，純鋁絞線所面臨的外部因素是一致的，因此不考慮其對接觸電阻的影響。內(nèi)部因素方面，金具與純鋁絞線的材料特性及接觸方式都是完全一致的，接觸面積及接觸條件按試驗要求也應(yīng)該是一致的，但這兩方面影響因素均由人為控制，不能保證其完全一致，但差別不會太大。

通過上述分析，很容易得到兩套金具的6根純鋁絞線回路的直流阻抗基本是一致的，因此通過6根純鋁絞線的直流電流大小基本一致。分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

3.2 交流試驗

整體分析交流試驗結(jié)果之前，需要引入鄰近效應(yīng)的概念，當采用數(shù)個導(dǎo)體時，一導(dǎo)體中電流密度的分布受鄰近載流導(dǎo)體電磁場的影響而改變狀態(tài)，由于一載流導(dǎo)體的存在使另一載流導(dǎo)體電流密度的分布發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為鄰近效應(yīng)[15]。兩套金具均有6根導(dǎo)線，當金具中通入交流電流時，每根導(dǎo)線會受到另外5根導(dǎo)線及交流電源的磁場影響，導(dǎo)致每根導(dǎo)線中的電流密度分布發(fā)生畸變，不再是沿導(dǎo)線外圍均勻分布，這樣就導(dǎo)致每根導(dǎo)線的交流阻抗發(fā)生了變化。

3.2.1 YY/YD側(cè)換流變套管金具交流試驗結(jié)果分析

當不同鄰近導(dǎo)體電流方向一致時，電流產(chǎn)生的自感磁通與來自其他導(dǎo)體電流產(chǎn)生的互感磁通是互相助增的[16]，這就使這一導(dǎo)體的等值電感增大，即增大導(dǎo)體自身交流阻抗；當不同鄰近導(dǎo)體電流方向相反時，電流產(chǎn)生的自感磁通與來自其他導(dǎo)體電流產(chǎn)生的互感磁通是互相削減的，這就使這一導(dǎo)體的等值電感減小，即減小導(dǎo)體自身交流阻抗。電流方向相同時，導(dǎo)體自身交流阻抗的與導(dǎo)體間的互幾何均距大致呈如下函數(shù)關(guān)系，因試驗工況并非理想情況，故此函數(shù)關(guān)系只用于定性分析而不用于定量分析。

(1)

式中：Z為導(dǎo)線交流阻抗變化幅度分析函數(shù)；R0為導(dǎo)體自身交流阻抗，Ω；D為導(dǎo)體間的互幾何均距，cm；j為虛數(shù)因子。

導(dǎo)體間互幾何均距等于導(dǎo)體間距離乘積的N次方根。

如圖12所示，假定YY/YD側(cè)換流變套管金具6根導(dǎo)線之間的距離均為a，6導(dǎo)線到交流電源之間的距離分別為b1、b2、b3、b4、b5、b6，6根導(dǎo)線的交流阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，由于導(dǎo)線之間距離a遠小于與導(dǎo)線到交流電源之間距離，故可認為b1=b2=b3=b4=b5=b6， 也可粗略認為交流電源對6根導(dǎo)線的影響程度一致。下邊分別計算6根導(dǎo)線的互幾何均距，從而分析出6根導(dǎo)線的交流阻抗。

圖12 YY/YD側(cè)換流變套管金具導(dǎo)線與交流電源位置示意

因此可以認為Z3=Z4>Z2=Z5>Z1=Z6，考慮到試驗數(shù)據(jù)測量誤差、交流電源、金具實際導(dǎo)線間距離不完全相等及其他磁場對試驗結(jié)果的影響，可粗略認為此分析結(jié)果與兩組交流試驗結(jié)果一致。

3.2.2 穿墻套管金具交流試驗結(jié)果分析

從前文分析可知，當只考慮此套金具6根導(dǎo)線之間的鄰近效應(yīng)時，每根導(dǎo)線都受到另外5根導(dǎo)線的影響，且金具的6根導(dǎo)線沿圓周均勻分布，每根導(dǎo)線所受其他導(dǎo)線的影響都是一致的，因此6根導(dǎo)線在此種情況下的交流阻抗都是相等的。當只考慮交流電源對此套金具影響時，此套金具每根導(dǎo)線距離交流電源的距離差異較大，每根導(dǎo)線受到交流電源鄰近效應(yīng)的影響差異較大，不可忽略交流電源對6根導(dǎo)線的影響；因此下面只需要分析交流電源對6根導(dǎo)線的影響即可。

在同一時刻，交流電源中流過的電流方向與金具中流過的電流方向是相反的，因此金具導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的自感磁通與來自交流電源電流產(chǎn)生的互感磁通是互相削減的，這就使這一導(dǎo)體的等值電感減小，這種情況下的交流阻抗和互幾何均距可以用式(2)來表示，因試驗工況并非理想情況，故此函數(shù)關(guān)系只用于定性分析而不用于定量分析。

(2)

從式(1)～式(2)可以看出，交流阻抗與互幾何均距呈負相關(guān)，即導(dǎo)線距離交流電源距離越近，其交流阻抗越小，三組試驗導(dǎo)線距離交流電源關(guān)系如下：

第一組試驗：D1≈D2

第二組試驗：D1

第三組試驗：D1≈D6

因此三組試驗的導(dǎo)線電流大小關(guān)系如下：

第一組試驗：I1≈I2>I3≈I6>I4≈I5

第二組試驗：I1>I2≈I6>I3≈I5>I4

第三組試驗：I1≈I6>I2≈I5>I3≈I4

此分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)直流電流的情況下，兩種典型金具都能保持電流均勻分布，并且通過分析可知金具中導(dǎo)線的自阻抗和接觸位置的接觸電阻是影響直流電流分布的主要因素。

(2)交流電流情況下，YY/YD側(cè)換流變套管金具的6根導(dǎo)線因受鄰近效應(yīng)的影響，出現(xiàn)了分布不均勻的現(xiàn)象，并且導(dǎo)線之間距離越近，電流分布不均勻的現(xiàn)象越嚴重。

(3)交流電流情況下，穿墻套管金具的6根導(dǎo)線在導(dǎo)線和交流電源雙重影響下，出現(xiàn)了電流分布不均勻的現(xiàn)象，但通過分析可知，如果屏蔽了交流電源的影響，此種金具的6根導(dǎo)線電流分布是均勻的。

本文對特高壓換流站中常用的兩種典型金具進行交直流電流分布對比試驗同時對試驗結(jié)果進行理論分析研究，旨在弄清楚交直流狀況下兩種典型金具中電流分布的真實狀況，為后續(xù)特高壓換流站金具設(shè)計、安裝提供參考。