特高压直流换流站接头发热原因分析及处理

特高压直流换流站接头发热原因分析及处理

李相会

国网内蒙古超特高压有限公司扎鲁特换流站，内蒙古通辽市028000

摘要：当电力线路在长期服役后，一些线路上的设备开始显现出部分缺陷的端倪，显著增加了换流站的检修以及维护工作。电力设备间的连接接头是整个特高压直流换流站最重要的通流环节之一。对于接头来说，阻抗值是其最为重要的一个参数，如果阻抗值比较大，当大电流通过时，就会产生大量的热量。这些热量快速在接头处聚集，致使接头的物理强度迅速下降，如果热量过多，还可能导致熔化和熔断，严重威胁到电力系统的安全稳定运行。因此，有必要分析特高压直流换流站接头发热原因，并提出防止接头发热的相关治理措施。

关键词：特高压直流换流站；接头发热原因；处理

前言

特高压直流换流站电力输送容量大，电压、电流等级高，对电力设备之间的连接接头阻抗控制值要求较高，如果接头阻抗较高，在通过大电流时就会造成严重发热。分析特高压直流换流站接头发热原因，并提出防止接头发热的相关治理措施。

1发热原因分析

近年来特高压直流换流站多个节点都发生高温，导致电网的负荷有限，对供电可靠性造成极大的影响。作为特高压直流换流站的关键部件，它的电阻是所有连接部件中最关键的部件，如果电阻值比较高，那么在大电流的情况下，接头就会发热。由于焊接过程中产生的大量热量会导致焊接接头的力学性能降低，当温度超过一定程度时，焊接接头就会发生熔融，从而导致线路的安全和稳定运行受到不同程度的影响，具体如下：

1.1螺栓头和螺帽的大小设计不合理

电气触头当中的有效载流面积指的是充足压力作用下的电气触头导体的面积，螺帽表面的截面积以及螺帽作用于触头导体之处的面积均为有效的载流截面积。在使用寻常的螺栓对电气触头进行紧固的过程中，由于螺帽的外径较小，导致电气触头的有效载流截面积的大小无法满足相关要求;如果在螺帽下安装弹垫，相较于螺帽外径而言，弹垫的外径较小，在对其进行紧固的过程当中，螺帽所施加的作用力通常会作用于弹垫上，弹垫的受力侧面积即弹垫作用于平垫上的面积，实际直接着力于触头上的面积与弹垫受力侧的面积相等，即有效的电气触头载流面积，其有效的载流截面积相对更小，进而造成设备局部产生大量热量。

1.2接头或线夹的表面氧化

电气设备之间的连接接头通常使用螺栓进行连接，当连接接头由于流入电流的密度过大或者冬夏季节气候的变更等原由发生设备过热现象的时候，便会造成其发生膨胀，而铜与铝的膨胀系数相较钢而言较大，由于受到钢制垫圈的限制，母线接头不可任意发生膨胀;当由于母线电流的减小等原由致使温度发生下降的时候，相较于螺栓而言，母线的收缩较大，进而使压力降低，形成间隙，这个时候接触面的位置相互错开，接触压力得以下降，而接触电阻却相应加大。温度上升会造成母线接触面发生氧化，对原有的接头金属面直接接触造成破坏，形成氧化膜，进而造成接触电阻的增大。每次的温度循环都会致使接触电阻发生增大，进而造成二次循环时的热量得以提升，高温会使得接触发生更为巨大的恶化。此外，金属在空气当中均会发生氧化，进而造成氧化薄膜的形成。

1.3接触面不平整

在对电气设备连接接头材料的接触面进行加工的过程当中，不管怎样处理，从微观上而言，接触面的表面总是呈现不平整状态，所以接触面的吻合度也是不够的。当两个金属表面进行相互接触的时候，仅少部分凸出点进行了切实的接触，当中只是很少部分的准金属接触或者金属接触的斑点可以进行导电。当电流经过该些较小的导电斑点的时候，相关电流线势必会发生收缩的情况。由于电流线的收缩，致使通过导电斑点的电流路径得以加长，进而导致有效导电面积的缩小，其电阻也随之增加，进而造成接头发热的现象发生。

1.4设计原因导致载流密度超过规定值

从设计着手，尤其是在新型的螺栓、连接导线及接头截面等的载流密度的探究方面应当保持高度重视。相关厂家在对设备接头进行设计的过程当中，没有进行较为认真的核算，进而致使载流密度相较规定值较大，造成接触电阻的增大。相关电气设备接头的横截面积以及所运用螺栓、导线等在载流量方面都存在着相应的限制，倘若相关厂家没有对电磁场与核算体系进行详细的分析，经过长时间的大电流、高电压运行，很快便会造成电力设备的大面积发热。

2特高压直流换流站接头发热问题治理措施

2.1设计标准分析

针对500kV及以下电压等级的交流设备来说，如果电流超过2000A，而且选择的是铜质材料作为接触面两侧材料时，应该确保其载流密度控制在0.12A/mm2以内。如果选择的材料为铝制材料，则载流密度需控制在0.0936A/mm2。接头分为外部接头和内部接头两种，其中外部接头指设备与外部金具相连的接头，一般由设计院负责连接方案;内部接头指设备内部各部分之间的连接，由设备制造厂自行设计和控制。当前，关于直流接头还没有十分明确的标准。在本次排查工作中，按照上述规范要求对内外部接头进行排查。而针对铜铝过渡接头，则和接触面两侧均为铝质材料等同视之。

2.2问题描述及整改措施分析

2.2.1西门子技术换流阀电抗器

问题的描述：接头的载流密度保持在0.4A～0.5A/mm2，相同类型的ABB接头的载流密度保持在0.11A/mm2以内，中电普瑞控制在0.16A/mm2以内。由于西门子技术阀的电抗器接头面积比较小，属于最为严重的发热设备。整改措施：将接触的端头利用U型的母线进行包裹，显著增加阀电抗器4个端头的接触面积，相应降低载流密度，则可以有效应对接头发热故障。

2.2.2西门子技术换流阀并联避雷器

问题的描述：接头的载流密度超过标准值，存在严重的设计裕度不足，发热异常多次发生。整改措施：通过将单面连接改为双面连接，增大接触面积，可将载流密度控制在标准范围内。

2.2.3 HITACC公司供货的直流场零磁通CT

问题的描述：HITACC公司供货的部分CT的两侧存在严重的接线板面积不足，载流密度远超于标准值，设计裕度同样不足。整改措施：将金具适当地向前延伸，以此来对接触面积进行增加，显著降低载流密度。

2.2.4 ABB供货的阀厅中性母线直流穿墙套管

问题的描述：两侧接头载流密度为0.112A/mm2，设计裕度不足。整改措施：更换金具并将金具靠设备方向延伸，增加金具和设备接头的接触面积，降低载流密度。金具厂进一步研究在金具上设计散热片，加大散热效果的可行性。

2.2.5 400kV刀闸动、静触头侧接头

问题的描述：动和静触头侧的载流密度为0.1A～0.16A/mm2，设计裕度不足。整改措施：增大动触头接线板面积，并将单面连接改为双面连接，接触面积从30264mm2增大到75564mm2，载流密度可下降至0.066A/mm2;静触头接线板面积由73418mm2增大至75564mm2，载流密度可降低到0.066A/mm2。

2.2.6 800kV刀闸静触头侧软连接

问题的描述：该位置同样是载流密度过大，设计裕度严重不足。整改措施：利用L形板、之形板，连接端面和触头导电零件，能降低载流密度到0.15A/mm2左右。

2.2.7电力设备厂供货的平抗

问题的描述：同样是载流密度过大，0.095～0.11A/mm2。整改措施：增加导流板在平抗本体接头位置，实现平抗接头位置的双面载流，确保载流密度符合标准。

3结语

总之，随着特高压直流系统的发展，如果特高压直流换流站的线路接触部分产生较大热量，便会造成非常大的危害，更甚于造成直流闭锁的现象或一次设备发生毁坏的现象，进而对特高压直流的稳定安全运行造成极为严重的影响。因此，在焊接过程中，应采取相应的预防措施，及时处理，从根本上解决问题或装置的安装问题，从而提高维修和施工的质量，减少接头发热的发生。

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