換流站閥廳大電流柔性連接金具導流研究*

張 盼，楊國華，徐健濤，宋鐵創，常林晶，丁一帆

（平高集團有限公司，河南平頂山 467000）

0 引言

中國能源分布不均衡，西南地區水資源豐富，西北地區煤炭相對富集，并且風電和光伏發電等清潔能源豐富。在“西電東送，南北互連”的戰略布局下，把西南水電以及西北的大型火電、風電輸送至南方，將在中國新能源發展以及能源結構調整上扮演著無比重要的角色。隨著清潔能源比例的迅速增長，電能生產與負荷中間的距離不斷增大，中國電網共建成并投運高壓直流輸電工程約29個，將大量西部地區能源輸送至東部負荷中心，有效解決西部水電、風電、光伏等清潔能源開發、輸送和消費問題，產生巨大的經濟效益和社會效益。光伏發電的電力是以特高壓直流輸電方式外送電能為重點發展技術，自向-上、云-廣兩條特高壓直流輸電工程投入商業運行后，特高壓直流輸電工程在中國蓬勃發展，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。該技術在中國已得到了大量應用，并且逐漸成為中國未來遠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800 kV，輸送容量從向家壩-上海的640 萬kW 到錫盟-泰州的1 000 萬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、管母線與設備端子之間的機械連接，又要保證通流能力達到6 250 A，這對金具的耐熱性、可靠性是個很大的考驗[4-6]。

1 換流站閥廳金具結構分析

換流站閥廳金具主要運行在換流站閥廳內部，用來連接包括換流閥組、換流變壓器、閥廳接地開關、直流穿墻套管、避雷器、光CT等電氣主設備以及管母線和軟母線，在功能上需滿足額定電流、電暈、機械強度等多方面的要求。閥廳金具從結構上可以分為3個模塊，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，每種閥廳金具都會包括其中的2 種或3 種模塊[7-11]。由于閥廳內部大多采用管母線的連接方式，根據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，其芯部通過兩個萬向節與支撐部分相連，主要承擔機械負荷和安裝位置調節功能，鋁絞線和鑄鋁合金抱夾焊接構成的二通金具承擔電氣負荷，屏蔽球承擔電場屏蔽功能。

圖1 懸吊金具

1.1 閥廳金具導流結構分析

換流站閥廳金具導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實現剛性連接，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，純鋁鉸線具有價格低廉、重量較輕、能與鑄鋁件進行焊接、彎曲半徑小、易于彎曲成形的特點，在二通、三通金具中得到了廣泛應用。

1.1.1 連接管母線要求柔性連接

柔性連接即彈性連接，允許連接部位發生軸向伸縮、折轉和垂直于軸向產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，與之相對應的是剛性連接。柔性連接在與金具或管母之間連接時，為了減少金具連接時的角度或長度偏差，減少閥廳正常運轉時產生震動引起的偏差，設計時應考慮管母以及金具自重、閥廳環境溫度變化時管母及設備的伸縮應力、地震等苛刻情況下擺動所造成的沖擊力，以及短路時發生的電動沖擊力。

1.1.2 柔性連接結構形式分析

（1）鋁絞線連接。純鋁絞線連接可使金具結構多變，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構，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，同時也兼顧了換流變套管接線端子與管母線之間位移調節和角度調節的要求。并且換流變套管金具設計時，在鋁絞線兩端的鋁合金抱夾間設置了萬向節塊和滑塊，以適應設備間的位移和角度調節。因此，鋁絞線連接的結構適應性較強。

（2）導電帶連接。導電帶連接用于對通流能力有要求的金具，例如直流穿墻套管連接的金具。設計直流穿墻套管連接金具時，金具承載的電流為極線電流，2 h 過負荷電流達5 900 A，通流容量較大，普通鋁絞線安裝困難，因此用導電帶代替鋁絞線進行載流。

2 二通連接金具兩種結構形式的溫升仿真對比分析

本文采用有限元仿真分析方法進行電流場和溫度場耦合仿真計算[12-17]。金具結構的發熱來源于渦流損耗，這些熱量通過金具表面的自然對流換熱和熱輻射兩種方式發散到周圍環境。將渦流場計算得到的焦耳損耗作為熱源導入，并設定相應的輻射邊界條件，分別計算了兩種不同的二通金具結構的渦流損耗分布，并將結果導入Steady-State thermal 模塊，設置好接觸面和散熱面后進行計算，得到最終的溫度分布結果。

在建模過程中，絞線和抱夾焊接處以及鋁導電帶與聯板的螺栓連接處的接觸電阻均簡化處理，簡化時盡量與實際尺寸保持一致[18]。仿真出的結果如圖2～3 所示，當激勵電流為7 500 A時，鋁絞線的最大溫升出現在導線中部，最大溫升為53.08 ℃，最小溫升為46 ℃；導電帶連接結構的最大溫升出現在導電帶中部，最大溫升為44.369 ℃，最小溫升為抱夾所在位置，為36 ℃。比較溫升試驗的最終溫度分布，發現仿真結果中，導電帶金具的溫升值基本符合實際情況，實際溫升較仿真結果變化更大，金具的局部過熱現象更為明顯，但是最大溫升值的位置與實際情況有偏差，而鋁絞線連接金具的溫升值高于導電帶連接金具的溫升值，原因是導電帶簡化為20 mm×90 mm×1 000 mm 的長方體結構，減小了導電帶的電阻，增大了導電帶的散熱面積。關于簡化結構的技術要求有待進一步研究。

圖2 鋁絞線連接金具仿真溫度分布

圖3 導電帶連接金具仿真溫度分布

3 典型結構閥廳金具溫升試驗對比

3.1 試驗過程

金具大電流溫升試驗在某檢測中心試驗站完成，環境溫度為+10 ～+40 ℃。當試驗電流為6 250 A，電流頻率為50 Hz，風速＜0.5 m/s，穩定后溫升＜40 K；當試驗電流為7 500 A 時，要求穩定溫升＜65 K。通過對±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閥廳二通金具進行輸入電流的調節，從而可使金具的電流達到試驗加載電流，再利用紅外熱像儀和熱電偶對金具制品表面溫度進行測量。

被測試的樣品分為鋁絞線類金具及導電帶類金具，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）所示的金具為導電帶類，該類金具主要由抱夾、導電帶端板、導電帶以及連接螺栓組成，相對于鋁絞線的焊裝，螺栓連接相對結構適應性強。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，接頭端子的結構強度與螺栓連接產生的預緊力有直接關系。由相關文獻得知，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定。

圖4 被測金具試品

3.2 大電流溫升試驗結果對比

鋁絞線連接二通金具結構及溫度分布如圖5 所示。圖5（a）為鋁絞線連接二通金具測量點分布，相對均勻地選取有代表性的點進行升溫試驗測量；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構及溫度分布

導電帶連接二通金具結構及溫度分布如圖6 所示。內圈兩根導電帶，外圈兩根導電帶，每根導電帶的截面積為1 620 mm2，4根總截面為6 480 mm2，按6 250 A×1.05通流分析。

圖6 導電帶連接二通金具結構及溫度分布

圖5（b）和圖6（b）分別是兩種不同結構金具不同位置的溫升試驗結果折線圖，主回路電阻的測量（≤30 μΩ）和主回路的溫升試驗（試驗電流：額定電流為6 250 A，2 h過負荷7 500 A）結果均通過，受到接觸電阻的影響，鋁絞線及導電帶分流不均勻。比較圖5～6 可直觀看出，螺栓連接的導電帶的金具不均勻化程度要比焊接連接的鋁絞線更大，溫升的波動更明顯。對于541a 金具，當通的試驗電流為6 250 A 時，鋁絞線金具最大溫升為31.94 ℃；當通的試驗電流為7 500 A 時，鋁絞線金具的最大溫升為42.65 ℃。對于603 金具，當通的試驗電流為6 250 A 時，導電帶金具的最大溫升為33.69 ℃；當通的試驗電流為7 500 A 時，導電帶金具的最大溫升為49.68 ℃。能夠看出，隨著當通電流的增大，無論是鋁絞線金具還是導電帶金具的最大溫升都在增大，導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熱的主要因素[19]。

4 結束語

（1）通過對比分析仿真計算與溫升試驗，鋁絞線金具A和導電帶金具B 的仿真值與試驗結果基本吻合，驗證了本文采用的有限元仿真計算結果的可行性。但是同樣的電流下，金具仿真值要比試驗結果偏高，主要原因是建模過程中對金具模型進行簡化以及導電帶和鋁絞線的長度對溫度會產生影響。

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