高壓直流輸電用飽和電抗器及接頭發熱問題

舒平

國網四川省電力公司檢修公司 四川成都 610000

自我國開展高壓直流輸電工程的建設以來，我國現已建成多個高壓直流輸電線路并投入使用，其中換流閥是其線路中的核心器件，它的可靠程度直接關系著整條線路是否能夠安全的運行[1]。飽和電抗器作為其中的關鍵組件，對于整條線路的安全使用具有和重大的意義，其內部的鐵心在工作時會產生熱量的損耗，換流閥一次設備接頭在工作時公式也會發生過熱的情況，這二者直接影響著換流閥能否正常且安全的工作與運行。同時，飽和電抗器在進行工作的時候會產生熱量的損耗，從而直接導致了設備溫度的升高，這為設備的正常運轉與工作埋下了安全隱患。

換流閥內一次設備接頭包含多種接頭，例如進出線接頭、閥層之間的接頭等，各類接頭在高電流狀態下工作均有發生過熱情況的可能性，尤其是其中的電阻器出線接頭，雖然其發生過熱情況的占比不是很多，但由于工作時所需要的接頭較多，因此常會出現電抗器接頭發熱的情況，因此對其發熱的原因進行分析，并從中總結出相應的防護經驗、處理方法，對換流閥的安全運行來說是十分重要的。因此，應飽和電抗器的設計方案、工藝處理、運行維護等方面做出調整與改良，以使得飽和電抗器能夠安全、穩定的運行與使用。

1 高壓直流輸電用電抗器介紹

飽和電抗器是換流閥的核心器件，其功能是減小晶閘管開啟時的電流與時間的導數以及在沖擊電壓下晶閘管上所受到的力，以使晶閘管能夠保持安全、穩定的運行，并且其可以作為阻尼電路的補充，以切實的使得晶閘管上的電壓能夠保持均勻分布。一個完整的飽和電阻器其主要的組成部件是鐵心以及線圈。

光控的換流閥飽和電抗器通常采用敞開式設計方案。線圈以鋁管環繞而成，空心的管道腔體形成冷卻回路，常分成兩組。以網格板固定線圈，并以絕緣液體進行澆注，從而確保其導熱性及絕緣性。每個電抗器擁有兩個鐵心，二者的對接處是氣體縫隙，中間放置散熱器，以保證鐵心不會處于高溫狀態。同時以固定器械將鐵心固定好，并暴露于空氣中。

2 電抗器接頭發熱問題分析

2.1 電抗器損耗

飽和電抗器的損耗總體上來說，是由兩部分構成的，這兩部分為：帶負載運行時的損耗以及不帶負載運行時的損耗。其中前者在飽和電抗器在運行時所產生的損耗中占比較高，其損耗由線圈的阻抗及電流強度決定，常用水冷進行散熱；后者是鐵心所產生的損耗，因其不具有水冷系統，因此其散熱途徑僅限于熱傳導和熱輻射，這也是造成電抗器整體過熱的主因。電抗器利用線圈接頭與晶閘管級連接，由于該處的載流密度較強，十分容易造成溫度過高，這使得該設備在進行工作時安全系數大大下降、存在著一定程度的隱患。下面就接頭發生過熱的現象對其原因及影響因素進行合理溯源與分析[2]。

2.2 接頭發熱原因分析

設備會發生過熱的原因是因為電流流過導體時，所產生的能量損耗，逸散出來并表現為熱量的形式。其數值大小可以焦耳定律進行計算：

同時導體的溫度是受多種因素共同作用的結果。通過導體的電流密度、導體阻抗、周圍環境溫度、導體表面積、空氣流速等都會對其造成影響。伴隨著其溫度的上升，其表面溫度與環境溫度就會產生差值，且差值會隨著時間的上升逐漸增大，這也會使得導體的散熱速度增加，當其因導電而產生的熱量與逸散的熱量大致相等時，就會處于一個較為均衡的狀態，從而使得其體表溫度恒定在某一個定值或某個區間內。

換流閥其內部各塔呈對稱結構，其頂、底部都設置有空調的出口，并保持出風量一致，同時塔的電氣結構上也保持一致，因此造成接頭發熱程度不同的主因是有載流導體的發熱差異所造成的。

2.3 接觸電阻大小的影響因素分析

接頭電連接外表的構造是不平整的，其峰谷的形態、參數等與加工時的工藝相關聯。電連接接觸的實質是通過接觸面不平整的點在外界力的作用下形成的不規則的點接觸，形成α斑點，其實際所形成的接觸面積較標準面積而言偏小。其所形成的阻抗為所有實質發生接觸點的電阻的并聯值，各接觸點的電阻為：

其中分母部分為材料電阻率；a為α接觸點的半徑。

由以上的式子可以看到，接觸電阻的大小是由多種因素綜合得出的，而非是由單一因素決定，所形成的斑點也就越多，接觸電阻就越小。

2.3.1 接觸材料電阻率

有一般的工程知識課得知，電力系統里面常以銅或者鋁作為大載流材料，其中銅的電阻率較鋁而言更小，銅材料約為鋁材料電阻率的三分之二。在開展實質的工程時，由于接頭表面會因與氧氣接觸而發生氧化，從而導致其電阻率上升，所以常在接頭上涂抹導電膏以延緩其氧化作用。

2.3.2 α斑點半徑

經過實際的測量與檢驗科得知，α斑點的半徑和接頭之間壓力的大小直接相關，經過實際的測量與計算得知，接觸電阻與總的壓力成反比。在實際工作的過程中，由于電抗器會產生振動，偶爾會導致其壓力降低，為應對該種情況，常要用到特殊的手段對其進行防松處理。

2.3.3 α斑點數

為了滿足工程的需要，應盡量將接頭處的接觸材料處理至平整狀態，同時由于其表面涂抹有導電膏，其內部含有的導電微粒填充于二者的縫隙之中，有效的增大了斑點數目與半徑，從而增大其接觸面積。

2.3.4 接觸面積

除去微觀上的減小接觸電阻的手段，在整體上可以修改接頭形狀的手段來增加其斑點數目并增大其接觸面積，以使其接觸面積增大，從而達成降低接觸電阻的效果。

3 改進方案

3.1 針對光控電阻器的改進措施

3.1.1 更改飽和電抗器設計方案

對其飽和電抗器的設計方案進行改良與改善，使其更為科學與合理。可以通過去除設備中的光控電阻器中的二次阻尼電阻以減小其發生溫度過高情況的可能性，同時選擇使用電阻器鐵心阻尼以保證電抗器上的電流過零；在電抗器上加設散熱器，將原有的水路變更為串聯水路，以使水冷優先流過鐵心散熱器再流過線圈，從而確保電抗器能夠切實的實現溫度的降低，有效使得電抗器保持在一個合適的溫度內[3]。

3.1.2 接頭的處理工藝改良

接頭處的發熱是一個很嚴重的問題，因此對其進行處理工藝改良就顯得尤為重要。可調節接觸壓力、改善其接頭的處理工藝、降低其接觸點的電阻以使接頭處的發熱情況不那么嚴重。

3.1.3 接頭處載流密度優化

過高的載流密度也是造成設備溫度升高的一個重要原因。為避免以上問題的發生，可增大電抗器端子排的厚度及其面積，并在其與外部組件接頭處，采用五毫米厚度的C型夾固定，從而增強其接頭處的電流流通的能力，降低其接頭處的載流面積，降低該處的接觸電阻。

3.2 新方案

對光控飽和電抗器的設計方案進行改良與改善，使其更為科學與合理。去除設備中的光控電阻器中的二次阻尼電阻以減小其發生溫度過高情況的可能性，同時選擇使用電阻器鐵心阻尼以保證電抗器上的電流過零；在電抗器上加設散熱器，將原有的水路變更為串聯水路；調節接觸壓力、改善其接頭的處理工藝、降低其接觸點的電阻；增大電抗器端子排的厚度及其面積，并在其與外部組件接頭處，采用C型夾固定，增強接頭處的電流流通的能力，降低載流面積，降低接觸電阻。

4 結語

飽和電抗器作為其中的關鍵組件，對于整條線路的安全使用具有和重大的意義，其內部的鐵心在工作時會產生熱量的損耗，換流閥一次設備接頭在工作時公式也會發生過熱的情況，這二者直接影響著換流閥能否正常且安全的工作與運行。電抗器利用線圈接頭與晶閘管級連接，由于該處的載流密度較強，十分容易造成溫度過高，這使得該設備在進行工作時安全系數大大下降、存在著一定程度的隱患。本文以接觸電阻的角度來分析，確定了導致飽和電抗器其接頭過熱的因素，融合了光控與電控換流閥的飽和電抗器的設計，綜合提出了其具體的改進方案，最后所獲得的結論如下。

（1）影響飽和電阻器接頭的接觸電阻的主要原因有材料的電導率、α斑點半徑、斑點數。

（2）其改良措施為在鐵心處加設散熱器，并科學合理改善水路的結構，改良接頭處的工藝并通過增大面積的方法優化接頭處的載流密度。

（3）經過實際的測試結果來看，以上的方法與手段可以有效改善接頭過熱的情況。