特高压直流换流站通流回路接头端子发热限值研究

李 青，摆志俊，常喜强，焦春雷，刘 鹏，司佳钧

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000； 2.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

特高压直流换流站是特高压直流工程中交、直流电转换的核心组成部分，接头端子是换流站广泛应用的金具，其作用是将换流站主设备相互连接形成导电通路。接头端子在长期运行过程中不可避免地会出现发热现象，引发发热的主要原因是载流情况下的电阻致热〔3-4〕。在长期发热的情况下，金属构件的机械强度会显著下降，在外力作用下容易发生变形损坏。统计资料显示，2014年入夏以来，包括复奉线、锦苏线、天中线和宾金线在内的多个±800 kV特高压直流换流站接头端子均出现过发热现象，其中114处发热异常，10处发热严重申请临时停运。特高压直流换流站端子发热问题已成为危害电网输电安全及可靠性的重要原因。

特高压直流换流站通流回路接头端子发热的影响因素非常复杂，涉及材料特性、接触方式、接触面积、接触条件以及环境条件等诸多方面〔5〕。作为国际上首次投运的特高压直流工程，目前尚缺乏针对换流站接头端子发热影响因素及试验方法的研究成果。开展特高压直流换流站接头端子载流-温升特性及其影响因素的研究，能够为接头端子发热防治措施的提出提供试验数据支持，对于提升特高压电网的运维检修水平、保障特高压电网的安全稳定运行具有重要指导意义。

本文根据已投运±800 kV特高压直流输电工程换流站接头端子的发热情况，研究不同材质、不同压紧力条件、不同结构型式、不同接触面积、不同表面光洁度接头端子的电流-温升特性，分析材料特性对接头端子电流-温升特性的影响规律，为接头端子的选择、设计和优化提供试验和理论支撑。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验样品准备

试验所需设备主要包括大电流发生装置和直流电阻测试装置，依据试验不同要求选用相关的试验样品。

1)用于材料特性影响试验的样品尺寸如表1所示。

表1 用于材料特性影响实验的样品尺寸

2)用于结构特性影响试验的样品尺寸与表1中的样品1铝合金端子板相同。

3)用于/mm接触条件影响试验的事件尺寸在表1样品1和样品3的基础上增加对照组样品4和样品5，详见表2。

表2 用于接触条件影响实验的样品尺寸

4)用于表面光洁度影响试验的样品尺寸为：接触面粗糙度为25、6.3、3.2的铝合金端子板各2块，搭接面尺寸与样品1铝合金端子板相同。试验样品图纸见图1。

图1 试验样品图纸

试验样品的安装要求：

1)依次使用200号、400号细砂纸打磨去除试验样品表面污秽和氧化层，用丙酮清洗打磨面，使用脱脂棉擦拭打磨面并吹干。铜板镀银面和铝板镀锡面加工完成后应涂油保护，在安装前把表面油脂清洗干净。对于表面光洁度影响试验用样品，仅用丙酮清洗打磨面，使用脱脂棉擦拭打磨面并吹干。

2)通过螺栓连接方式将试验样品接入试验回路。试验样品与其他连接件之间保持一定的距离，避免热扰动的影响。

3)在试验样品表面均匀布置温度传感器，用于在试验过程中实时监测试验样品温度，端子板测温点布置具体情况详如图2所示。

图2 端子板测温点布置示意图

1.2 材料特性影响实验

本研究以不同材质接头端子的电流-温升试验结果为基础，分析材料特性对接头端子发热限值的影响，样品包括铝板、铜板、铜板镀银、铝板镀锡。通过改变电流大小，试验得到铝板-铝板、铜板-铜板与铜板镀银-铝板镀锡温升K与电流密度J的关系曲线K=f(J)。

试验步骤如下：

1)加载电流至5 000 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录试验样品表面各温度传感器所示温度，将最高温值作为试验样品的稳定温度；

2)继续加电流至5 750 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录稳定温度值；

3)重复步骤2)直至加载电流至6 750 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录稳定温度值。

1.3 结构强度影响试验

本研究以不同压紧力条件下接头端子的电流-温升试验结果为基础，分析结构强度对接头端子发热限值的影响，试验样品采用铝板。接头端子压紧力与螺栓紧固力矩呈正比，通过改变螺栓紧固力矩，试验得到样品紧固力矩F与电阻R的关系曲线R=f(F)，考察压紧力对接触电阻的影响。

(1) 压紧力对接触电阻的影响试验。

试验步骤如下：

1)紧固件试验样品搭接处的螺栓，扭矩为190 N·m(100%)，测定试验样品的接触电阻。

2)反方向继续旋转试验样品搭接处的螺栓，旋转扭矩为9.5 N·m，总扭矩降至180.5 N·m(95%)，测定试验样品的接触电阻；

3)重复步骤2)，直至总扭矩降至76 N·m(40%)，测定试验样品的接触电阻。

(2) 压紧力对温升的影响试验。

试验步骤如下：

1)紧固试验样品搭接处的螺栓，扭矩为190 N·m(100%)，加载电流至6 750 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录试验样品表面各温度传感器所示温度，将最高温值作为试验样品的稳定温度，退电流至零；

2)松开螺栓连接，重新进行表面处理，重新紧固试验样品搭接处的螺栓，扭矩为161.5 N·m(85%)，加载电流至6 750 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录稳定温度值，退电流至零；

3)重复步骤2)，直至扭矩降至76 N·m(40%)，加载电流至6 750 A，待试验样品温度基本保持不变后，记录稳定温度值，退电流至零。

1.4 接触条件对接头端子发热限值影响试验

本研究以不同接触面积及不同表面光洁度条件下接头端子的电流-温升试验结果为基础，分析接触条件对接头端子发热限值的影响，试验样品采用铝板与铜板镀银和铝板镀锡。对于接触面积影响试验，通过改变电流大小，试验得到铝板-铝板温升K与电流密度J的关系曲线K=f(J)；对于表面光洁度影响试验，通过改变接头端子接触面的光洁度，得到试件表面光洁度Ra与接触电阻R的关系曲线R=f(Ra)〔6-8〕。

(1)接触面积影响试验。

试验步骤同材料特性影响实验

(2)表面光洁度影响试验。

试验步骤如下：

1)分别针对接触面光洁度25、6.3、3.2的试验样品，紧固试验样品搭接处螺栓，扭矩为190 N·m(100%)，测定试验样品接触电阻；

2)反方向松开试验样品搭接处螺栓，旋转扭矩为9.5 N·m，总扭矩降至161.5 N·m(85%)，测定试验样品的接触电阻；

3)重复步骤2)，直至总扭矩降至76 N·m(40%)，测定试验样品的接触电阻。

2 试验结果分析及讨论

2.1 材料特性影响试验结果分析

根据试验方案对不同材质的接头端子试件开展温升试验，试验结果见图3至图5。图中横坐标表示通流时间(h)，纵坐标表示试件表面平均温度(℃)。

图3 样品1的通流时间(电流)-温升曲线

图4 样品2的通流时间(电流)-温升曲线

图5 样品3的通流时间(电流)-温升曲线

从图中可以看到，以试件表面平均温度进行衡量，在通流6 250 A条件下，样品2、3表面平均温度不超过80 ℃，样品1表面平均温度超过80 ℃但低于90 ℃。将样品2、3进一步对比发现，在通流6 250 A条件下，样品2、3的温升水平接近。

材料特性对接头端子温升的影响表现为在相同的通电流条件下，对于相同结构型式和接触面积的接头端子，不同材质接头端子电阻率的差异对温升水平具有显著影响，在接头端子接触面增加镀银(锡)层后，可在一定程度上降低温升水平。特高压直流换流站通流回路接头端子应尽量选用铜或铜表面镀银材质，若选用铝材质，应提高设计裕度。

2.2 结构强度影响试验结果分析

根据试验方案对不同压紧力条件下接头端子试件的温升试验。图6是接头端子的紧固力矩-接触电阻曲线图。图中横坐标表示螺栓紧固力矩(N·m)，纵坐标表示接头端子的接触电阻(μΩ)。

图6 接头端子的紧固力矩-接触电阻曲线

从图中可以看到，随着螺栓紧固力矩的增加，接头端子的接触电阻逐渐下降，当螺栓紧固力矩达到标准紧固力矩的80%以上时，接头端子的接触电阻基本保持稳定。这是因为随着压紧力的增加，端子板之间的有效接触面积增大，从而使接触电阻降低。而当压紧力达到标准压紧力的80%以上时，端子板之间的有效接触面积接近最大值，因此接触电阻基本保持不变。

图7是接头端子的紧固力矩-温升曲线图。图中横坐标表示螺栓紧固力矩占标准紧固力矩的百分比(%)，纵坐标表示试件表面温度(℃)。

图7 接头端子的紧固力矩-温升曲线

从图中可以看到，随着螺栓紧固力矩的增加(由40%标准紧固力矩增加至100%标准紧固力矩)，接头端子的温升水平呈下降趋势。这与紧固力矩-接触电阻曲线的变化趋势基本保持一致。

对于铝合金搭接型式接头端子，当螺栓紧固力矩达到标准紧固力矩的80%以上时，接触电阻基本达到最小值，温升水平接近与100%标准紧固力矩时的温升水平。在特高压直流换流站通流回路接头端子工作温度的范围内，不同压紧力条件下接头端子的电流-温升曲线均呈上升趋势，未出现拐点，因此，结构强度对接头端子发热限值不存在影响。

2.3 接触条件影响试验结果分析

根据试验方案对不同接触面积的接头端子试件开展温升试验，试验结果见图8、图9。图中横坐标表示通流时间(h)，纵坐标表示试件表面平均温度(℃)。接触面电流密度设计值为0.093 6 A/mm2的铝板-铝板，铜板镀银-铝板镀锡型式接头端子的温升试验结果已在图3、图5中给出。

图8 样品4的通流时间(电流)-温升曲线

图9 样品5的通流时间(电流)-温升曲线

根据不同接触面积接头端子的温升试验结果，对不同接触面积接头端子的电流密度-温升特性进行分析。图10、图11是不同接触面积接头端子的电流密度-温升曲线图。图中横坐标代表电流密度(A/mm2)，纵坐标代表试件表面温度(℃)。

图10 样品1和4的电流密度-温升曲线

图11 样品3和5的电流密度-温升曲线

可以看到，对于相同材质的接头端子，当电流密度相同时，接触面积越大，接头端子的温升值越高。

图12、图13是不同接触面积接头端子的温升保持曲线图。图中横坐标表示试件表面测温点编号，纵坐标表示试件表面温度(℃)。

图12 样品1和4的的温升保持曲线

图13 样品3和5的的温升保持曲线

从图中可以看到，在通流6 250 A条件下，增大接触面积后，铝合金搭接型式接头端子的温升值明显下降，但铜板镀银-铝板镀锡型式接头端子的温升值变化不明显。

图14是不同表面光洁度条件下铝板-铝板搭接型式接头端子的紧固力矩-接触电阻曲线图。图中横坐标表示螺栓紧固力矩占标准紧固力矩的百分比(%)，纵坐标表示试件接触电阻(μΩ)。

图14 不同表面光洁度条件下接头端子的紧固力矩-接触电阻曲线

从图14中可以看到，当螺栓紧固力矩达到标准紧固力矩的90%以上时，不同表面光洁度的接头端子的接触电阻基本保持不变。当表面光洁度较差时，接头端子的接触电阻测量值的分散性较大，当表面光洁度达到3.2 μm时，接头端子的接触电阻测量值分散性较小。

对于接触面积对接头端子温升的影响，在相同的通电流条件下，增大接触面积后，铝板-铝板搭接型式接头端子的温升水平明显下降，但其它型式接头端子的温升水平无明显变化。提高设计裕度对铝板-铝板搭接型式接头端子的电流-温升特性具有显著影响，能够有效降低接头端子的温升水平。

对于表面光洁度对接头端子温升的影响，当螺栓紧固力矩达到100%标准紧固力矩时，不同表面处理工艺条件下接头端子的接触电阻的差别较小。在100%标准紧固力矩条件下，接头端子的表面光洁度达到25 μm及以下即可满足工程应用要求。

3 结论

本文根据已投运±800 kV特高压直流输电工程换流站接头端子的发热情况，研究不同材质、不同压紧力条件、不同结构型式、不同接触面积、不同表面光洁度接头端子的电流-温升特性，分析材料特性对接头端子电流-温升特性的影响规律。获得的主要结论如下：

1)在特高压直流换流站通流回路接头端子试验工况范围内，不同材料特性、不同结构强度、不同电气特性以及不同接触条件对接头端子发热限值不存在影响。

2)随着螺栓紧固力矩的增加，接头端子的接触电阻和温升水平逐渐下降并趋于稳定。在安装接头端子时，应保证螺栓旋紧到位，并定期紧固。

3)在相同螺栓紧固力矩条件下，接头端子的接触电阻随接触面表面光洁度的减小而下降。当螺栓紧固力矩达到标准紧固力矩的90%以上时，接触面表面光洁度对接头端子的接触电阻已无明显影响。按正常加工工艺加工成型的接头端子的接触面表面光洁度即可满足实际使用需要，无需进行特殊打磨处理。