換流站閥廳大電流柔性連接金具導(dǎo)流研究*

張 盼，楊國(guó)華，徐健濤，宋鐵創(chuàng)，常林晶，丁一帆

（平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467000）

0 引言

中國(guó)能源分布不均衡，西南地區(qū)水資源豐富，西北地區(qū)煤炭相對(duì)富集，并且風(fēng)電和光伏發(fā)電等清潔能源豐富。在“西電東送，南北互連”的戰(zhàn)略布局下，把西南水電以及西北的大型火電、風(fēng)電輸送至南方，將在中國(guó)新能源發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整上扮演著無(wú)比重要的角色。隨著清潔能源比例的迅速增長(zhǎng)，電能生產(chǎn)與負(fù)荷中間的距離不斷增大，中國(guó)電網(wǎng)共建成并投運(yùn)高壓直流輸電工程約29個(gè)，將大量西部地區(qū)能源輸送至東部負(fù)荷中心，有效解決西部水電、風(fēng)電、光伏等清潔能源開發(fā)、輸送和消費(fèi)問(wèn)題，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。光伏發(fā)電的電力是以特高壓直流輸電方式外送電能為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，自向-上、云-廣兩條特高壓直流輸電工程投入商業(yè)運(yùn)行后，特高壓直流輸電工程在中國(guó)蓬勃發(fā)展，目前已建成14條直流特高壓輸電線路，擬建的特高壓直流輸電工程6條。該技術(shù)在中國(guó)已得到了大量應(yīng)用，并且逐漸成為中國(guó)未來(lái)遠(yuǎn)距離大容量輸電工程的主流[1-3]。

特高壓直流輸電工程的額定輸送電壓已達(dá)800 kV，輸送容量從向家壩-上海的640 萬(wàn)kW 到錫盟-泰州的1 000 萬(wàn)kW，提高了將近0.6 倍；輸送工程的額定電流也從向上工程的4 000 A提高到錫泰工程的6 250 A。提高輸送電流意味著換流站閥廳金具所承載的電流能力不斷增大，既要保證管母線與管母線、管母線與設(shè)備端子之間的機(jī)械連接，又要保證通流能力達(dá)到6 250 A，這對(duì)金具的耐熱性、可靠性是個(gè)很大的考驗(yàn)[4-6]。

1 換流站閥廳金具結(jié)構(gòu)分析

換流站閥廳金具主要運(yùn)行在換流站閥廳內(nèi)部，用來(lái)連接包括換流閥組、換流變壓器、閥廳接地開關(guān)、直流穿墻套管、避雷器、光CT等電氣主設(shè)備以及管母線和軟母線，在功能上需滿足額定電流、電暈、機(jī)械強(qiáng)度等多方面的要求。閥廳金具從結(jié)構(gòu)上可以分為3個(gè)模塊，即載流金具模塊、屏蔽金具模塊和連接金具模塊。一般情況下，每種閥廳金具都會(huì)包括其中的2 種或3 種模塊[7-11]。由于閥廳內(nèi)部大多采用管母線的連接方式，根據(jù)安裝方式可以分為支柱絕緣子支撐金具和懸吊絕緣子串懸掛金具等。圖1 所示為懸吊絕緣子串懸掛二通金具，其芯部通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)與支撐部分相連，主要承擔(dān)機(jī)械負(fù)荷和安裝位置調(diào)節(jié)功能，鋁絞線和鑄鋁合金抱夾焊接構(gòu)成的二通金具承擔(dān)電氣負(fù)荷，屏蔽球承擔(dān)電場(chǎng)屏蔽功能。

圖1 懸吊金具

1.1 閥廳金具導(dǎo)流結(jié)構(gòu)分析

換流站閥廳金具導(dǎo)流部分可以分為兩種，第一種是硬連接，即管母連接，外部則由管母線與鑄鋁合金抱夾采用螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)剛性連接，管母與管母之間采用鑄鋁合金抱夾連接，類似于接續(xù)金具；第二種是軟連接，即鋁鉸線、銅鉸線、鋼芯鋁鉸線連接，一般情況下選取純鋁鉸線作為二通、三通金具中的焊接鋁絞線，純鋁鉸線具有價(jià)格低廉、重量較輕、能與鑄鋁件進(jìn)行焊接、彎曲半徑小、易于彎曲成形的特點(diǎn)，在二通、三通金具中得到了廣泛應(yīng)用。

1.1.1 連接管母線要求柔性連接

柔性連接即彈性連接，允許連接部位發(fā)生軸向伸縮、折轉(zhuǎn)和垂直于軸向產(chǎn)生一定位移量的連接方式。常見的柔性連接是鉸接、有彈簧隔振這些連接，與之相對(duì)應(yīng)的是剛性連接。柔性連接在與金具或管母之間連接時(shí)，為了減少金具連接時(shí)的角度或長(zhǎng)度偏差，減少閥廳正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)引起的偏差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管母以及金具自重、閥廳環(huán)境溫度變化時(shí)管母及設(shè)備的伸縮應(yīng)力、地震等苛刻情況下擺動(dòng)所造成的沖擊力，以及短路時(shí)發(fā)生的電動(dòng)沖擊力。

1.1.2 柔性連接結(jié)構(gòu)形式分析

（1）鋁絞線連接。純鋁絞線連接可使金具結(jié)構(gòu)多變，例如，用于管母線懸吊連接金具和管母線支撐連接金具，或換流變套管連接金具中等。以換流變套管金具為例，換流變套管接線端子和管母端部均采用鋁合金鑄件抱夾結(jié)構(gòu)，中間部位采用純鋁絞線與兩端的抱夾焊接，既可以滿足通流的要求，同時(shí)也兼顧了換流變套管接線端子與管母線之間位移調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)的要求。并且換流變套管金具設(shè)計(jì)時(shí)，在鋁絞線兩端的鋁合金抱夾間設(shè)置了萬(wàn)向節(jié)塊和滑塊，以適應(yīng)設(shè)備間的位移和角度調(diào)節(jié)。因此，鋁絞線連接的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強(qiáng)。

（2）導(dǎo)電帶連接。導(dǎo)電帶連接用于對(duì)通流能力有要求的金具，例如直流穿墻套管連接的金具。設(shè)計(jì)直流穿墻套管連接金具時(shí)，金具承載的電流為極線電流，2 h 過(guò)負(fù)荷電流達(dá)5 900 A，通流容量較大，普通鋁絞線安裝困難，因此用導(dǎo)電帶代替鋁絞線進(jìn)行載流。

2 二通連接金具兩種結(jié)構(gòu)形式的溫升仿真對(duì)比分析

本文采用有限元仿真分析方法進(jìn)行電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合仿真計(jì)算[12-17]。金具結(jié)構(gòu)的發(fā)熱來(lái)源于渦流損耗，這些熱量通過(guò)金具表面的自然對(duì)流換熱和熱輻射兩種方式發(fā)散到周圍環(huán)境。將渦流場(chǎng)計(jì)算得到的焦耳損耗作為熱源導(dǎo)入，并設(shè)定相應(yīng)的輻射邊界條件，分別計(jì)算了兩種不同的二通金具結(jié)構(gòu)的渦流損耗分布，并將結(jié)果導(dǎo)入Steady-State thermal 模塊，設(shè)置好接觸面和散熱面后進(jìn)行計(jì)算，得到最終的溫度分布結(jié)果。

在建模過(guò)程中，絞線和抱夾焊接處以及鋁導(dǎo)電帶與聯(lián)板的螺栓連接處的接觸電阻均簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化時(shí)盡量與實(shí)際尺寸保持一致[18]。仿真出的結(jié)果如圖2～3 所示，當(dāng)激勵(lì)電流為7 500 A時(shí)，鋁絞線的最大溫升出現(xiàn)在導(dǎo)線中部，最大溫升為53.08 ℃，最小溫升為46 ℃；導(dǎo)電帶連接結(jié)構(gòu)的最大溫升出現(xiàn)在導(dǎo)電帶中部，最大溫升為44.369 ℃，最小溫升為抱夾所在位置，為36 ℃。比較溫升試驗(yàn)的最終溫度分布，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果中，導(dǎo)電帶金具的溫升值基本符合實(shí)際情況，實(shí)際溫升較仿真結(jié)果變化更大，金具的局部過(guò)熱現(xiàn)象更為明顯，但是最大溫升值的位置與實(shí)際情況有偏差，而鋁絞線連接金具的溫升值高于導(dǎo)電帶連接金具的溫升值，原因是導(dǎo)電帶簡(jiǎn)化為20 mm×90 mm×1 000 mm 的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，減小了導(dǎo)電帶的電阻，增大了導(dǎo)電帶的散熱面積。關(guān)于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求有待進(jìn)一步研究。

圖2 鋁絞線連接金具仿真溫度分布

圖3 導(dǎo)電帶連接金具仿真溫度分布

3 典型結(jié)構(gòu)閥廳金具溫升試驗(yàn)對(duì)比

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

金具大電流溫升試驗(yàn)在某檢測(cè)中心試驗(yàn)站完成，環(huán)境溫度為+10 ～+40 ℃。當(dāng)試驗(yàn)電流為6 250 A，電流頻率為50 Hz，風(fēng)速＜0.5 m/s，穩(wěn)定后溫升＜40 K；當(dāng)試驗(yàn)電流為7 500 A 時(shí)，要求穩(wěn)定溫升＜65 K。通過(guò)對(duì)±1 100 kV 直流換流站541a閥廳二通金具和±1 100 kV直流換流站603閥廳二通金具進(jìn)行輸入電流的調(diào)節(jié)，從而可使金具的電流達(dá)到試驗(yàn)加載電流，再利用紅外熱像儀和熱電偶對(duì)金具制品表面溫度進(jìn)行測(cè)量。

被測(cè)試的樣品分為鋁絞線類金具及導(dǎo)電帶類金具，如圖4所示。圖4（a）所示的金具為鋁絞線類，該類金具主要由抱夾、鋁絞線以及必要的連接螺栓組成；圖（b）所示的金具為導(dǎo)電帶類，該類金具主要由抱夾、導(dǎo)電帶端板、導(dǎo)電帶以及連接螺栓組成，相對(duì)于鋁絞線的焊裝，螺栓連接相對(duì)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。目前特高壓直流換流站通流回路接頭端子之間多采用螺栓連接，接頭端子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與螺栓連接產(chǎn)生的預(yù)緊力有直接關(guān)系。由相關(guān)文獻(xiàn)得知，當(dāng)螺栓緊固力矩達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩的80%以上時(shí)，接頭端子的接觸電阻基本保持穩(wěn)定。

圖4 被測(cè)金具試品

3.2 大電流溫升試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

鋁絞線連接二通金具結(jié)構(gòu)及溫度分布如圖5 所示。圖5（a）為鋁絞線連接二通金具測(cè)量點(diǎn)分布，相對(duì)均勻地選取有代表性的點(diǎn)進(jìn)行升溫試驗(yàn)測(cè)量；圖5（b）為鋁絞線連接二通金具溫度分布。541a 閥廳二通金具共6 根鋁絞線，鋁絞線型號(hào)為JL-1120，每根鋁絞線的截面積為1 120 mm2，6根總截面為6 720 mm2。按6 250 A×1.05通流分析。

圖5 鋁絞線連接二通金具結(jié)構(gòu)及溫度分布

導(dǎo)電帶連接二通金具結(jié)構(gòu)及溫度分布如圖6 所示。內(nèi)圈兩根導(dǎo)電帶，外圈兩根導(dǎo)電帶，每根導(dǎo)電帶的截面積為1 620 mm2，4根總截面為6 480 mm2，按6 250 A×1.05通流分析。

圖6 導(dǎo)電帶連接二通金具結(jié)構(gòu)及溫度分布

圖5（b）和圖6（b）分別是兩種不同結(jié)構(gòu)金具不同位置的溫升試驗(yàn)結(jié)果折線圖，主回路電阻的測(cè)量（≤30 μΩ）和主回路的溫升試驗(yàn)（試驗(yàn)電流：額定電流為6 250 A，2 h過(guò)負(fù)荷7 500 A）結(jié)果均通過(guò)，受到接觸電阻的影響，鋁絞線及導(dǎo)電帶分流不均勻。比較圖5～6 可直觀看出，螺栓連接的導(dǎo)電帶的金具不均勻化程度要比焊接連接的鋁絞線更大，溫升的波動(dòng)更明顯。對(duì)于541a 金具，當(dāng)通的試驗(yàn)電流為6 250 A 時(shí)，鋁絞線金具最大溫升為31.94 ℃；當(dāng)通的試驗(yàn)電流為7 500 A 時(shí)，鋁絞線金具的最大溫升為42.65 ℃。對(duì)于603 金具，當(dāng)通的試驗(yàn)電流為6 250 A 時(shí)，導(dǎo)電帶金具的最大溫升為33.69 ℃；當(dāng)通的試驗(yàn)電流為7 500 A 時(shí)，導(dǎo)電帶金具的最大溫升為49.68 ℃。能夠看出，隨著當(dāng)通電流的增大，無(wú)論是鋁絞線金具還是導(dǎo)電帶金具的最大溫升都在增大，導(dǎo)電帶金具的溫升較鋁絞線的溫升大一些，閥廳金具焊接以及螺栓緊固造成的接觸電阻是引起金具局部過(guò)熱的主要因素[19]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比分析仿真計(jì)算與溫升試驗(yàn)，鋁絞線金具A和導(dǎo)電帶金具B 的仿真值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本文采用的有限元仿真計(jì)算結(jié)果的可行性。但是同樣的電流下，金具仿真值要比試驗(yàn)結(jié)果偏高，主要原因是建模過(guò)程中對(duì)金具模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以及導(dǎo)電帶和鋁絞線的長(zhǎng)度對(duì)溫度會(huì)產(chǎn)生影響。

（2）在7 500 A的激勵(lì)電流下，鋁導(dǎo)電帶類金具和鋁絞線金具均存在分流不均勻和局部過(guò)熱的現(xiàn)象，兩種金具的最大溫升均已超過(guò)40 ℃。由折線圖可明顯看出，鋁導(dǎo)電帶類金具分流和局部過(guò)熱現(xiàn)象更明顯。