基于温升试验的特高压换流站通流回路接头端子接触电阻经验公式参数推导研究

王景朝 周立宪 司佳钧 刘 彬 刘胜春 李冬青 孙 娜

(中国电力科学研究院， 北京 102401)

基于温升试验的特高压换流站通流回路接头端子接触电阻经验公式参数推导研究

王景朝 周立宪 司佳钧 刘 彬 刘胜春 李冬青 孙 娜

(中国电力科学研究院， 北京 102401)

随着直流输电容量的不断提升，对换流站金具通流容量，载流的可靠性、耐热性提出了更高的要求．2014年以来，多个直流特高压工程换流站接头金具发生过热现象，对输电可靠性造成了严重影响．换流站中的通流回路金具承担着全电流的传输作用，其运行电流大、工作电压高、散热条件较差，因此，亟需对金具发热开展深入的研究工作，确保特高压电网的安全稳定运行．本文基于特高压换流站通流回路接头端子大电流温升试验结果，以铜-铜接触端子为例，完成了相关接触电阻经验公式参数推导研究，同时基于推导的参数开展了仿真计算，并将仿真结果与试验数据进行了比较验证．本研究为今后仿真计算接触电阻模型的计算提供了一种有效的方法．

换流站； 接头端子； 过热； 大电流温升试验； 接触电阻； 参数推导

目前，我国电网已建成为世界上结构最复杂、规模最大的电网．我国特高压直流输电工程的额定输送电压已达800 kV，在不显著升高系统绝缘水平的基础上，提高输送电流将增强远距离电能输送能力，对完成全国范围内的资源优化配置具有重要意义[1-3]．

换流站中的通流回路金具承担着全电流的传输作用[4]，因此运行电流的提升容易使金具出现局部过热而引发事故．通过对复奉线、锦苏线、天中线和宾金线4条特高压直流工程8个换流站主通流回路上接头设备的统计，设备数量超过15 000多个．2014年以来，包括±800 kV特高压直流工程复奉线、锦苏线、天中线和宾金线在内的多个直流特高压工程换流站接头金具发生过热现象，对输电可靠性造成了严重的影响．直流特高压换流站金具严重发热故障的统计结果如图1所示．

图1 特高压直流换流站接头金具发热统计

特高压直流换流站通流回路金具过热问题已成为一种普遍现象并成为危害电网输电安全及可靠性的一种严重威胁[5]．因此，亟需对金具发热开展深入的研究工作，确保特高压电网的安全稳定运行．

本文基于特高压换流站通流回路接头端子大电流温升试验结果，以铜-铜接触端子为例，完成了相关接触电阻经验公式参数推导研究，同时基于推导的参数开展了仿真计算，并将仿真结果与试验数据进行了比较验证．本研究为今后仿真计算接触电阻模型的计算提供了一种有效的方法．

1 大电流温升试验

1.1 铜-铜接触端子大电流温升试验

金具大电流温升试验在大电流实验室内完成，室内温度能够进行小范围调节．试验电源的最大输出电流为10 000 A，通过主控台可以对输出电流进行连续调节，输出电压低于人体安全电压36 V，在试验中采用温度传感器对端子表面不同位置温度进行测量与记录，并通过改变电流大小，得到铜板-铜板温升K与电流密度J的关系．

试件要求：1)端子板接触面设计电流密度计算值为0.094 0 A/mm2，通流6 250 A，压紧力为1 440 kN，螺栓扭矩190 N·m，平整度为0.5 mm；2)安装前先使用400目细砂纸打磨去除表面氧化层，用丙酮清洗打磨面，再用干净的白棉布或卫生纸擦拭干净，然后进行安装连接；3)在端子板的表面布置7个测温点，端子板螺栓之间布置5个，端子板连接处的两端布置2个．

试验步骤：1)加电流到5 000 A，稳定2 h，记录温升值K1；2)继续加电流至5 750 A，稳定2 h，记录温升值K2；3)继续加电流至6 250 A，稳定2 h，记录温升值K3；4)继续加电流至6 750 A，稳定2 h，记录温升值K4；5)继续加电流至7 250 A，稳定2 h，记录温升值K5．样品如图2～3所示．

图2 铜板-铜板试件

图3 试验照片

1.2 试验结果

试验结果如图4所示，从图中可以看出，以平均温度进行衡量，此次试验的铜-铜端子试件，在6 250 A情况下温度不超过80℃，符合GB/T 25840-2010《规定电气设备部件(特别是接线端子)允许温升的导则》的规定．

图4 铜-铜端子时间(电流)-温升曲线

2 计算模型

本文根据通流回路接头端子的特点，建立了温度场数学模型，给出了结合边界条件求解通流回路接头端子温度场是数值计算的基本流程[6]．通流回路接头端子与散热之间的关系框图如图5所示，对于室内放置的通流回路接头端子而言，可忽略吸收太阳日照的热量；由于空气的导热系数很小，对空气的导热可忽略不计[7]；同时由于接头端子接触表面的温度低于400 K，散热辐射的影响可以忽略[8]．

图5 接头端子发热模型

2.1 接头端子发热模型

通流回路接头端子在工作的时候，由于电流、电压的作用，将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损发热．允许负荷下的发热在电气设备的运行故障中占有很大的比重，是电气设备的主要故障之一．发热故障会导致电气设备的绝缘击穿、导体连接部位的热变形、甚至熔焊，严重危及电气设备的安全运行．据焦耳定律：Q=I2RT可知，造成通流回路接头端子发热的原因有两个：一个是电流I，另一个是电路的电阻R[9]．

在建模过程中，整块接触端子的电阻由两块端子板以及接触面的电阻串联可得，根据霍尔效应，端子板的电阻可以由下式计算得到．

(1)

式中，ρ′表示材料电阻率；L和S分别代表端子板的长度与截面积．

接触电阻由收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb两部分组成．当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点或小面产生了真正的接触，其中仅仅是一部分导线斑点才能导电．当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然发生收缩现象．由于电流线的收缩，电阻值相应增大．这个因电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量．而接触点上导体表面氧化膜、硫化膜、油膜、水膜及尘埃等的存在，改变了电流通路中的位势分布，影响自由电子的运动，也会引入一个额外电阻增量，这个电阻增量称为表面膜电阻，它是构成接触电阻的另一个分量．

接触电阻的理论公式可以表示为

(2)

式中，H为相对较软材料的硬度，η为干净界面有序单元的经验系数，F为接触面压紧力，ρ为收缩区内各点的电阻率，σ为隧道电阻率，n为接触表面中导电斑点．

由于计算导电斑点数n和平均半径ap等参数非常困难，所以工程上常用以下经验公式求接触电阻，即

(3)

式中，F为接触压力；Rj为接触电阻；m为接触形式，压力范围和实际接触点的数目等因素有关的指数．试验证明，在压力不太大的范围内，对于点接触m=0.5，线接触m=0.5～0.8，一般取m=0.7，面接触m=1；kj为与接触材料、表面状况等有关的系数，本文通过推导kj，以获得满足换流站通流回路铜-铜接触端子的电阻经验公式[10]．

2.2 通流回路接头端子对流传热模型

当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在靠近壁面的地方流速逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止而处于无滑移状态，即在贴壁处流体没有相对于壁面的流动．图6表示了近壁面处流速的变化．

图6 壁面附近速度分布的示意图

特高压直流换流站通流回路接头端子对流传热问题可以简化为边界层类型的问题，即在主流方向上的二阶导数可以忽略，当流体中有旋涡产生时，流场与温度场必须用完全的Navier-Stokes方程及能量方程描写．对于二维稳态的边界层类型的问题，流场与温度场的控制方程如下所示.

质量守恒方程：

(4)

动量守恒方程：

(5)

能量守恒方程：

(6)

对上述微分方程组配上定解条件即可求解，对于主流场是匀速ua，均温ta，并给定恒壁温，即y=0时t=tw的问题，定解条件可表示为

y=0时，u=0，v=0，t=tw

式中，t表示温度(℃)；cp表示比定压热容[J/(kg·K)]；ρ表示密度(kg/m3)；λ表示导热系数[W/(m·K)]．上述方程是描写粘性流体流动过程的控制方程，对于不可压缩粘性流体的层流及湍流流动都适用．

端子板一般是通过对流散热与外界进行热交换，其热传递的速率方程分别为：

(7)

式中，Φ为热流率(W)；h为表面传热系数[W/(m2·K)]；A为金具的对流面积(m2)；Δt为金具与环境温度差(℃)[11]．

3 参数推导与计算验证

3.1 忽略温度对接触电阻影响的计算结果

推导采用迭代方式进行计算，根据铜-铜表面理想状态时，kj最小取值等于0.08开始计算，每次循环时增加0.02，对比每次计算结果与试验数据的最高温度和最低温度，当端子板表面温升与试验值相等时，确定kj的取值．当kj=0.3时，Rj=2.04 μΩ，得到在通流5 000 A，稳定2 h，此时平均温升K1=25.944℃，试验平均温升K1=27.762℃，温度误差小于6%，如图7所示，端子板的温度分布如图8所示．

图7 计算曲线与试验曲线对比(通流5 000 A，稳定2 h)

图8 2 h时的端子板温度分布

忽略温度对接触电阻的影响，在此计算基础上，继续加电流至7 250 A，每个温度稳定2 h．计算结果见表1．

表1 计算结果比较

对比平均数据可知，仿真得到的温度逐渐大于试验数据，且误差越来越大，即仿真时随着电流的增大，接触板的温升比试验测得的温升越来越大．可初步推断，随着温度的升高，接触电阻在逐渐变小．在后续仿真中，应根据温度的不同，改变接触电阻的大小．

3.2 考虑温度对接触电阻影响的计算结果

根据以上计算结果，可以确定，通流5 000 A，稳定2 h时，kj取值为0.3，随着温度的升高，铜板的接触电阻逐渐减小．在迭代计算程序中，设置kj值随温度变化的一组范围，最终计算结果见表2．

表2 kj计算结果

不断变更kj值随温度变化的数据，对温度场进行循环计算，输入最高温升，与试验数据进行对比，结果如表3和图9所示．

表3 计算结果比较

图9 计算曲线与试验曲线对比

从上表中可以看出，计算结果与试验数据的温度误差均在3℃以内，误差百分比在7%以内．因此，可以推导出试验所用的铜板之间的接触电阻与温度的关系近似于表4所示．

表4 试验铜板间接触电阻与温度的关系

4 结 论

本文根据特高压换流站通流回路接头端子的特点，建立了接头端子温度场数学模型，同时基于铜板-铜板搭接型式接头端子的大电流-温升特性试验，计

算推导了铜板-铜板搭接型式典型端子的电阻经验公式．

1)铜-铜接触端子板接触面设计电流密度计算为0.094 0 A/mm2时，在6 250 A情况下温度不超过80℃，符合GB/T 25840-2010 《规定电气设备部件(特别是接线端子)允许温升的导则》的规定．

2)通过计算推导，获得了铜板-铜板搭接型式接头端子接触电阻经验公式参数kj随温度变化的一组数值，可知随着温度的增加，参数kj相应减小．因此，当温度较高时，可以忽略通流回路端子间的接触电阻，以简化计算过程．

3)通过仿真计算，对比分析了加入接触电阻后仿真计算结果与大电流温升试验数据，可知计算结果与试验结果相吻合．验证了所采用的计算方法的可行性，该方法可以为其他接触形式的接头端子接触电阻经验公式推导提供技术支撑．

[1] 赵畹君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004：18-21．

[2] 吴 昊，彭宗仁，杨 媛，等．阀厅金具大电流温升试验及仿真计算[J]．电力建设，2015，36(9)：16-21．

[3] 张施令，彭宗仁，刘 鹏，等．电热耦合模型应用于高压干式直流套管径向温度和电场分布计算[J]．中国电机工程学报，2013，33(22)：191-200．

[4] 王丽杰，杨金根．高岭背靠背换流站阀厅金具设计[J]．电力建设，2009，30(9)：31-35．

[5] 吴励坚．大电流母线的理论基础与设计[M]．北京：水利电力出版社，1985：179-193．

[6] 孔庆东，罗敬安，林福本．大电流母线的设计、制造及安装[M]．北京：水利电力出版社,1988：59-67．

[7] 熊信银．发电厂电气部分[M]．北京：中国电力出版社，2005：79-93．

[8] 苏秀苹，陆俭国，刘帼巾，等．小型直流电磁继电器温度场仿真分析[J]．电工技术学报，2011，26(08)：185-189．

[9] 陶文铨．传热学[M]．西安：西北工业大学出版社，2006：18．

[10] 程礼椿．电接触理论及应用[M]．北京：机械工业出版社，1988：18-22．

[11] 吴晓文，舒乃秋，李洪涛，等．基于流体多组分传输的气体绝缘母线温度场数值计算与分析[J]．中国电机工程学报，2012，32(33)：141-147．

[责任编辑 张 莉]

Research on Parameter Deduction in Contact Resistance Empirical Formula of Contact Terminal in Converter Station Based on Large Current Temperature Rise Test

Wang Jingchao Zhou Lixian Si Jiajun Liu Bin Liu Shengchun Li Dongqing Sun Na

(China Electric Power Research Institute, Beijing 102401, China)

The improvement of DC transmission capacity proposes a higher request on the discharge current capacity，current-carrying reliability and heat resistance of valve hall fittings．Since 2014, more and more overheating phenomena of contact terminals in converter station have been observed which caused serious impact on the transmission reliability. In DC transmission project，valve the fittings which operate with large current，high working voltage and poor heat dissipation, undertake the function of electrical connection，so it is essential to carry out in-depth research work on overheating problems. Taking the copper-copper terminal as the test piece, the research on parameter deduction in contact resistance empirical formula has been finished in this paper based on the large current temperature rise test. From the comparison between calculated results and test results, the contact resistance empirical formula agrees favorably with experimental results, so as to provide an effective method in contact resistance calculation in the later numerical simulation.

converter station； contact terminal； overheating； large current temperature rise test； contact resistance； parameter deduction

2016-12-23

国家电网公司科技项目“±800kV特高压直流换流站典型金具性能优化研究及工程应用”(GCB17201600179)

王景朝(1962-)，男，教授级高级工程师，主要从事输变电工程电力金具研究工作．E-mail：wangjingchao@epri.sgcc.com.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.016

TM743

A

1672-948X(2017)02-0074-05