±800 kV/10 000 MW換流站直流回路接頭端子設(shè)計(jì)及測試

陳 鵬 ，馬 亮 ，曾 靜 ，鄒榮盛 ，周國梁

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國能建工程研究院高壓直流技術(shù)研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

目前，我國特高壓直流輸電工程日益增多，輸送容量不斷提升，直流額定電流持續(xù)增加[1-3]。由大電流引起的特高壓換流站直流回路接頭端子的發(fā)熱問題日趨明顯[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，復(fù)奉、錦蘇、天中、賓金4條特高壓直流輸電通道的8座±800 kV換流站建成以來共發(fā)生了100多處發(fā)熱異常現(xiàn)象，其中有10處發(fā)熱嚴(yán)重以致申請臨時(shí)停運(yùn)處理，對輸電可靠性造成了重大影響。在所有發(fā)熱異常部位中，80%以上的發(fā)熱部位為換流站直流回路的接頭端子，造成接頭端子發(fā)熱的主要原因是設(shè)計(jì)裕度不足、安裝工藝不到位、金具質(zhì)量不合格等[5-6]。為有效地防治特高壓換流站已運(yùn)行和新建特高壓換流站直流回路接頭端子發(fā)熱異常的問題，提出±800 kV換流站直流回路接頭端子的設(shè)計(jì)原則顯得尤為重要。

為防治換流站直流回路接頭端子的發(fā)熱異常現(xiàn)象，文獻(xiàn)[7-9]對特高壓換流站接頭端子發(fā)熱異常現(xiàn)場進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，從設(shè)計(jì)、施工工藝、施工驗(yàn)收等方面對直流回路接頭端子提出了建議和措施，但該類文獻(xiàn)未從根本上對接頭端子的設(shè)計(jì)提出具體的要求；文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了接頭端子的大電流溫升試驗(yàn)，對接頭端子的材料、型式及溫升規(guī)律進(jìn)行了研究，并對銅板—銅板型式的接頭端子接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，提出了計(jì)及接觸電阻的銅板—銅板型接頭端子的溫升計(jì)算方法。該大電流溫升試驗(yàn)結(jié)論為直流回路接頭端子的設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，但該文獻(xiàn)尚未給出針對性的接頭端子發(fā)熱防治措施。

另外，在絕緣水平未顯著提升的情況下，直流電壓±800 kV、容量10 000 MW的直流輸電工程，其直流額定電流為6 250 A，可進(jìn)一步增強(qiáng)遠(yuǎn)距離電能輸送能力。但該類換流站工程同樣面臨直流回路接頭端子發(fā)熱的問題，且現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范未對直流額定電流6 250 A的接頭端子的材質(zhì)和型式選擇做出明確的要求。為此，本文根據(jù)接頭端子相關(guān)的規(guī)程規(guī)范和大電流溫升試驗(yàn)結(jié)果，提出額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的設(shè)計(jì)原則。并結(jié)合某換流站直流回路接頭端子設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了大負(fù)荷工況下接頭端子的紅外測溫結(jié)果，驗(yàn)證了本文所提出的直流回路接頭端子設(shè)計(jì)原則能夠滿足大負(fù)荷工況下接頭端子最高溫度(溫升)的規(guī)程要求。

1 直流回路接頭端子設(shè)計(jì)要求

為防治額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站直流回路接頭端子的發(fā)熱異常現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范要求和中國電科院提供的大電流溫升試驗(yàn)結(jié)果[10]，本文從直流回路接頭端子的溫度(溫升)限值、通流密度要求、端子尺寸建議以及施工工藝要求等幾個(gè)方面進(jìn)行說明。

1.1 接頭端子溫度(溫升)限值

根據(jù)GB/T 25840—2010《規(guī)定電氣設(shè)備部件(特別是接線端子)允許溫升的導(dǎo)則》和《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》中的相關(guān)規(guī)定[11-12]，直流回路接頭端子的溫度(溫升)限值主要取決于接頭端子的最大溫度和允許溫升。最大溫度主要受材料特性突變的溫度臨界值影響，如錫的蠕變點(diǎn)為105 ℃；允許溫升主要受材料與周圍環(huán)境溫度的溫差過高造成接頭端子電氣或機(jī)械性能退化加劇、壽命降低的影響。同時(shí)，參考DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》對電流致熱型設(shè)備缺陷的診斷判據(jù)[13]，直流回路接頭端子長期允許最高發(fā)熱溫度及溫升見表1所列。

表1 接頭端子長期允許最高發(fā)熱溫度及溫升限值

1.2 接頭端子通流密度要求

根據(jù)DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇技術(shù)規(guī)定》中相關(guān)規(guī)定[14]，當(dāng)直流回路工作電流大于2 000 A時(shí)，無鍍層銅板—銅板接頭端子的接觸面通流密度不宜超過0.12 A/mm2，無鍍層鋁板—鋁板接頭端子的接觸面通流密度不宜超過0.093 6 A/mm2。直流電壓±800 kV、輸送容量10 000 MW的換流站工程，其直流額定電流為6 250 A，在進(jìn)行直流回路接頭端子設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮直流回路額定直流電流外，還需考慮回路2 h過負(fù)荷最大工作電流6 700 A。計(jì)及表1中接頭端子長期允許最高發(fā)熱溫度(溫升)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，給出各種材質(zhì)、各種型式直流回路接頭端子通流密度設(shè)計(jì)值見表2所列。

表2 接頭端子通流密度設(shè)計(jì)值

1.3 接頭端子尺寸要求

根據(jù)表2中直流回路端子接頭通流密度設(shè)計(jì)值，并參考GB/T 5273—2016《高壓電器端子尺寸標(biāo)準(zhǔn)化》中的關(guān)于板型和棒狀接頭端子的開孔尺寸和開孔間距要求，得出各種材質(zhì)、各種型式直流回路接頭端子的尺寸推薦值見表3所列。

表3 接頭端子尺寸推薦值

1.4 接頭端子工藝要求

1.4.1 螺栓緊固力要求

根據(jù)接頭端子大電流溫升試驗(yàn)—緊固力影響試驗(yàn)結(jié)論，直流回路接頭端子安裝時(shí)應(yīng)采用100%標(biāo)準(zhǔn)螺栓緊固力；且連接螺栓時(shí)宜采用碟形或鞍型彈墊等防松措施。

1.4.2 接頭端子表面處理工藝要求

根據(jù)接頭端子大電流溫升試驗(yàn)—表面處理工藝試驗(yàn)結(jié)論，直流回路接頭端子表面的光潔度宜控制在5 μm內(nèi)，且接頭端子進(jìn)行安裝或更換前，宜先使用400目細(xì)砂紙打磨，以去除表面氧化層，并用丙酮清洗打磨面，再用干凈的白棉布或衛(wèi)生紙擦拭干凈后進(jìn)行安裝。

2 直流回路接頭端子設(shè)計(jì)實(shí)例

本文根據(jù)上述直流回路接頭端子設(shè)計(jì)要求對某換流站戶外直流場直流回路接頭端子進(jìn)行了設(shè)計(jì)，某換流站為直流額定電壓±800 kV，額定輸送容量10 000 MW直流輸電工程受端換流站，是國內(nèi)首座額定直流電流達(dá)6 250 A的直流輸電受端換流站。該換流站戶外直流場的直流回路采用鋁板—鋁板單面、鋁板—鋁板雙面和銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫3種型式的接頭端子。接下來分別以800 kV隔離開關(guān)接頭端子(鋁板—鋁板單面)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)和雙極中性線零磁通電流互感器(current transformer，CT)接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)為例，對3種型式的接頭端子的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

2.1 鋁板—鋁板單面接頭端子設(shè)計(jì)

某換流站800 kV隔離開關(guān)接頭端子采用鋁板—鋁板單面型式，接頭端子的鋁板單面與隔離開關(guān)本體螺接，另一端通過六分裂線夾固定導(dǎo)線，與極母線管母側(cè)的接頭端子連接。由表2和表3可知，鋁板—鋁板單面接頭端子通流密度要求值為0.074 88 A/mm2，通流面積要求值為89 476 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎(chǔ)上，考慮接頭端子的機(jī)械強(qiáng)度以及隔離開關(guān)本體連接點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)800 kV隔離開關(guān)接頭端子外形尺寸如圖1所示，該接頭端子的實(shí)際通流面積為89 958 mm2，實(shí)際通流密度為0.074 479 A/mm2。

圖1 鋁板—鋁板單面接頭端子尺寸圖

2.2 鋁板—鋁板雙面接頭端子設(shè)計(jì)

PLC濾波器中性線電抗器的接頭端子采用鋁板—鋁板雙面型式，接頭端子的鋁板雙面與PLC濾波器中性線電抗器本體螺接，另一端通過六分裂線夾固定導(dǎo)線，與中性線套管的接頭端子連接。由表2和表3可知，鋁板—鋁板雙面接頭端子通流密度要求值為0.05 A/mm2，通流面積要求值為134 000 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎(chǔ)上，考慮接頭端子的機(jī)械強(qiáng)度以及PLC濾波器中性線電抗器本體連接點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)出PLC濾波器中性線電抗器的接頭端子外形尺寸如圖2所示，該接頭端子的實(shí)際通流面積為151 854 mm2，實(shí)際通流密度為0.044 121 A/mm2。

圖2 鋁板—鋁板雙面接頭端子尺寸圖

2.3 銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子設(shè)計(jì)

雙極中性線零磁通CT接頭端子采用銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫型式，接頭端子的抱夾與零磁通CT本體的銅棒連接，另一端通過六分裂線夾固定導(dǎo)線，與中性線管母側(cè)的接頭端子連接。由表2和表3可知，銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子通流密度要求值為0.093 6 A/mm2，通流面積要求值為71 581 mm2，在滿足通流密度和通流面積的基礎(chǔ)上，考慮接頭端子的機(jī)械強(qiáng)度以及零磁通CT本體銅棒的連接要求，設(shè)計(jì)雙極中性線零磁通CT接頭端子外形尺寸如圖3所示，該接頭端子的實(shí)際通流面積為91 607.4 mm2，實(shí)際通流密度為0.073 138 A/mm2。

圖3 銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子尺寸圖

3 溫升檢測結(jié)果及分析

某換流站分別進(jìn)行了極1高端直流系統(tǒng)、極1低端直流系統(tǒng)、極2高端直流系統(tǒng)和極2低端直流系統(tǒng)大負(fù)荷試驗(yàn)，即各系統(tǒng)工作在額定電流6 250 A，單閥組功率2 500 MW，環(huán)境溫度為15 ℃工況下，持續(xù)通流2 h，對全站的戶外直流場直流回路的各接頭端子進(jìn)行了紅外測溫。測溫的結(jié)果表明，該換流站戶外直流場直流回路接頭端子的最高溫度和溫升均能滿足規(guī)程規(guī)范的要求。其中，800 kV隔離開關(guān)接頭端子(鋁板—鋁板單面)、PLC濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)和雙極中性線零磁通CT接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)3種型式接頭端子的溫升情況分別如圖4～圖6所示。

圖4 800?kV隔離開關(guān)接頭端子紅外測溫圖

圖5 PLC濾波器中性線電抗器接頭端子紅外測溫圖

圖6 雙極中性線零磁通CT接頭端子紅外測溫圖

大負(fù)荷工況下，整理3種接頭端子紅外測溫結(jié)果見表4所列。

表4 3種型式的接頭端子大負(fù)荷工況下實(shí)際測溫結(jié)果

由表4可知，某換流站800 kV隔離開關(guān)接頭端子(鋁板—鋁板單面)的溫度為44.0℃，環(huán)境溫度為15.0℃，溫升為29.0K，滿足表1中鋁板—鋁板單面接頭端子溫升限值40K的要求；PLC濾波器中性線電抗器接頭端子(鋁板—鋁板雙面)溫度為47.9℃，環(huán)境溫度為15℃，溫升為31.9K，滿足鋁板—鋁板雙面接頭端子溫升限值40K的要求；雙極中性線區(qū)域零磁通CT接頭端子(銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫)溫度為40.6℃，環(huán)境溫度為15℃，溫升為25.6K，滿足銅棒鍍銀—鑄鋁抱夾鍍錫接頭端子溫升限值50K、最高溫度不超過105℃的要求。

4 結(jié)語

為防治換流站工程直流回路接頭端子發(fā)熱異常的問題，本文根據(jù)接頭端子相關(guān)的規(guī)程規(guī)范以及科研單位提供的接頭端子大電流溫升試驗(yàn)結(jié)論，提出了額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的主要設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合某換流站直流回路接頭端子設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了大負(fù)荷工況下接頭端子的紅外測溫結(jié)果，驗(yàn)證了本文所提出的額定直流電壓±800 kV、額定直流輸送容量10 000 MW直流輸電工程換流站的直流回路接頭端子的設(shè)計(jì)原則能夠有效地抑制直流回路接頭端子的溫升，滿足規(guī)程規(guī)范對接頭端子最高溫度(溫升)的要求。

本文的研究成果有利于進(jìn)一步提升特高壓換流站的運(yùn)行穩(wěn)定性，對后續(xù)換流站工程的設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值。