高压直流输电用饱和电抗器及接头发热问题

舒平

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自我国开展高压直流输电工程的建设以来，我国现已建成多个高压直流输电线路并投入使用，其中换流阀是其线路中的核心器件，它的可靠程度直接关系着整条线路是否能够安全的运行[1]。饱和电抗器作为其中的关键组件，对于整条线路的安全使用具有和重大的意义，其内部的铁心在工作时会产生热量的损耗，换流阀一次设备接头在工作时公式也会发生过热的情况，这二者直接影响着换流阀能否正常且安全的工作与运行。同时，饱和电抗器在进行工作的时候会产生热量的损耗，从而直接导致了设备温度的升高，这为设备的正常运转与工作埋下了安全隐患。

换流阀内一次设备接头包含多种接头，例如进出线接头、阀层之间的接头等，各类接头在高电流状态下工作均有发生过热情况的可能性，尤其是其中的电阻器出线接头，虽然其发生过热情况的占比不是很多，但由于工作时所需要的接头较多，因此常会出现电抗器接头发热的情况，因此对其发热的原因进行分析，并从中总结出相应的防护经验、处理方法，对换流阀的安全运行来说是十分重要的。因此，应饱和电抗器的设计方案、工艺处理、运行维护等方面做出调整与改良，以使得饱和电抗器能够安全、稳定的运行与使用。

1 高压直流输电用电抗器介绍

饱和电抗器是换流阀的核心器件，其功能是减小晶闸管开启时的电流与时间的导数以及在冲击电压下晶闸管上所受到的力，以使晶闸管能够保持安全、稳定的运行，并且其可以作为阻尼电路的补充，以切实的使得晶闸管上的电压能够保持均匀分布。一个完整的饱和电阻器其主要的组成部件是铁心以及线圈。

光控的换流阀饱和电抗器通常采用敞开式设计方案。线圈以铝管环绕而成，空心的管道腔体形成冷却回路，常分成两组。以网格板固定线圈，并以绝缘液体进行浇注，从而确保其导热性及绝缘性。每个电抗器拥有两个铁心，二者的对接处是气体缝隙，中间放置散热器，以保证铁心不会处于高温状态。同时以固定器械将铁心固定好，并暴露于空气中。

2 电抗器接头发热问题分析

2.1 电抗器损耗

饱和电抗器的损耗总体上来说，是由两部分构成的，这两部分为：带负载运行时的损耗以及不带负载运行时的损耗。其中前者在饱和电抗器在运行时所产生的损耗中占比较高，其损耗由线圈的阻抗及电流强度决定，常用水冷进行散热；后者是铁心所产生的损耗，因其不具有水冷系统，因此其散热途径仅限于热传导和热辐射，这也是造成电抗器整体过热的主因。电抗器利用线圈接头与晶闸管级连接，由于该处的载流密度较强，十分容易造成温度过高，这使得该设备在进行工作时安全系数大大下降、存在着一定程度的隐患。下面就接头发生过热的现象对其原因及影响因素进行合理溯源与分析[2]。

2.2 接头发热原因分析

设备会发生过热的原因是因为电流流过导体时，所产生的能量损耗，逸散出来并表现为热量的形式。其数值大小可以焦耳定律进行计算：

同时导体的温度是受多种因素共同作用的结果。通过导体的电流密度、导体阻抗、周围环境温度、导体表面积、空气流速等都会对其造成影响。伴随着其温度的上升，其表面温度与环境温度就会产生差值，且差值会随着时间的上升逐渐增大，这也会使得导体的散热速度增加，当其因导电而产生的热量与逸散的热量大致相等时，就会处于一个较为均衡的状态，从而使得其体表温度恒定在某一个定值或某个区间内。

换流阀其内部各塔呈对称结构，其顶、底部都设置有空调的出口，并保持出风量一致，同时塔的电气结构上也保持一致，因此造成接头发热程度不同的主因是有载流导体的发热差异所造成的。

2.3 接触电阻大小的影响因素分析

接头电连接外表的构造是不平整的，其峰谷的形态、参数等与加工时的工艺相关联。电连接接触的实质是通过接触面不平整的点在外界力的作用下形成的不规则的点接触，形成α斑点，其实际所形成的接触面积较标准面积而言偏小。其所形成的阻抗为所有实质发生接触点的电阻的并联值，各接触点的电阻为：

其中分母部分为材料电阻率；a为α接触点的半径。

由以上的式子可以看到，接触电阻的大小是由多种因素综合得出的，而非是由单一因素决定，所形成的斑点也就越多，接触电阻就越小。

2.3.1 接触材料电阻率

有一般的工程知识课得知，电力系统里面常以铜或者铝作为大载流材料，其中铜的电阻率较铝而言更小，铜材料约为铝材料电阻率的三分之二。在开展实质的工程时，由于接头表面会因与氧气接触而发生氧化，从而导致其电阻率上升，所以常在接头上涂抹导电膏以延缓其氧化作用。

2.3.2 α斑点半径

经过实际的测量与检验科得知，α斑点的半径和接头之间压力的大小直接相关，经过实际的测量与计算得知，接触电阻与总的压力成反比。在实际工作的过程中，由于电抗器会产生振动，偶尔会导致其压力降低，为应对该种情况，常要用到特殊的手段对其进行防松处理。

2.3.3 α斑点数

为了满足工程的需要，应尽量将接头处的接触材料处理至平整状态，同时由于其表面涂抹有导电膏，其内部含有的导电微粒填充于二者的缝隙之中，有效的增大了斑点数目与半径，从而增大其接触面积。

2.3.4 接触面积

除去微观上的减小接触电阻的手段，在整体上可以修改接头形状的手段来增加其斑点数目并增大其接触面积，以使其接触面积增大，从而达成降低接触电阻的效果。

3 改进方案

3.1 针对光控电阻器的改进措施

3.1.1 更改饱和电抗器设计方案

对其饱和电抗器的设计方案进行改良与改善，使其更为科学与合理。可以通过去除设备中的光控电阻器中的二次阻尼电阻以减小其发生温度过高情况的可能性，同时选择使用电阻器铁心阻尼以保证电抗器上的电流过零；在电抗器上加设散热器，将原有的水路变更为串联水路，以使水冷优先流过铁心散热器再流过线圈，从而确保电抗器能够切实的实现温度的降低，有效使得电抗器保持在一个合适的温度内[3]。

3.1.2 接头的处理工艺改良

接头处的发热是一个很严重的问题，因此对其进行处理工艺改良就显得尤为重要。可调节接触压力、改善其接头的处理工艺、降低其接触点的电阻以使接头处的发热情况不那么严重。

3.1.3 接头处载流密度优化

过高的载流密度也是造成设备温度升高的一个重要原因。为避免以上问题的发生，可增大电抗器端子排的厚度及其面积，并在其与外部组件接头处，采用五毫米厚度的C型夹固定，从而增强其接头处的电流流通的能力，降低其接头处的载流面积，降低该处的接触电阻。

3.2 新方案

对光控饱和电抗器的设计方案进行改良与改善，使其更为科学与合理。去除设备中的光控电阻器中的二次阻尼电阻以减小其发生温度过高情况的可能性，同时选择使用电阻器铁心阻尼以保证电抗器上的电流过零；在电抗器上加设散热器，将原有的水路变更为串联水路；调节接触压力、改善其接头的处理工艺、降低其接触点的电阻；增大电抗器端子排的厚度及其面积，并在其与外部组件接头处，采用C型夹固定，增强接头处的电流流通的能力，降低载流面积，降低接触电阻。

4 结语

饱和电抗器作为其中的关键组件，对于整条线路的安全使用具有和重大的意义，其内部的铁心在工作时会产生热量的损耗，换流阀一次设备接头在工作时公式也会发生过热的情况，这二者直接影响着换流阀能否正常且安全的工作与运行。电抗器利用线圈接头与晶闸管级连接，由于该处的载流密度较强，十分容易造成温度过高，这使得该设备在进行工作时安全系数大大下降、存在着一定程度的隐患。本文以接触电阻的角度来分析，确定了导致饱和电抗器其接头过热的因素，融合了光控与电控换流阀的饱和电抗器的设计，综合提出了其具体的改进方案，最后所获得的结论如下。

（1）影响饱和电阻器接头的接触电阻的主要原因有材料的电导率、α斑点半径、斑点数。

（2）其改良措施为在铁心处加设散热器，并科学合理改善水路的结构，改良接头处的工艺并通过增大面积的方法优化接头处的载流密度。

（3）经过实际的测试结果来看，以上的方法与手段可以有效改善接头过热的情况。