王文豪，楊國華，張 煒，高榮剛

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830092)

隨著我國特高壓直流輸電工程的蓬勃發(fā)展，輸送容量不斷提升，目前特高壓直流輸電工程額定電流達(dá)到6 250 A，額定電壓達(dá)到±1 100 kV[1]，在這樣高電壓大電流的長期運(yùn)行下，部分特高壓換流站金具出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，金具作為設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與導(dǎo)體的連接件，金具過熱勢必影響換流站中設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)換流站的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患。

換流站中閥廳金具形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按其用途可分為通流金具[2]、屏蔽金具[3]、支撐金具[4]三類；按其使用位置可以分為YY/YD側(cè)換流變套管連接金具[5]、穿墻套管連接金具[6]、管母支撐金具[7]、避雷器金具[8]和閥塔金具[9]等。上述不同分類金具中，YY/YD側(cè)換流變套管金具及與其直接連接的閥塔金具中所傳輸?shù)碾娏饕越涣鳛橹?，其余位置金具所傳輸電流均以直流為主，通流金具兩端是設(shè)備或?qū)w抱夾，中間用純鋁絞線連接，最終實(shí)現(xiàn)電氣通流，以往溫升試驗(yàn)結(jié)果表明，通流金具在傳輸交流時(shí)，各個(gè)導(dǎo)線中存在通流不均衡現(xiàn)象，對(duì)于造成此現(xiàn)象的研究和原因我國鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。通流金具在設(shè)計(jì)時(shí)，一般按金具中各個(gè)導(dǎo)線所傳輸電流是均衡進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果通流金具中各個(gè)導(dǎo)線中所傳輸電流存在較大差異，勢必削弱金具的實(shí)際通流能力，長期運(yùn)行后造成金具過熱的現(xiàn)象[10]。本文將選取兩種典型通流金具進(jìn)行交直流對(duì)比試驗(yàn)，重點(diǎn)研究在交流和直流兩種工況下，金具中各個(gè)導(dǎo)線所傳輸電流均衡狀況，為后續(xù)特高壓換流站金具設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)金具及方法

1.1 試驗(yàn)金具準(zhǔn)備

選取兩種典型金具在試驗(yàn)室進(jìn)行交直流對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)室所使用的交流電源最大可輸出2 500 A電流、直流電源最大可輸出1 200 A電流，測電流裝置使用鉗形電流表。

本次試驗(yàn)所選用的兩種典型金具如圖1和圖2所示，其中圖1為YY/YD側(cè)換流變套管金具，圖2為直流穿墻套管金具。YY/YD側(cè)換流變套管金具包括管母抱夾、換流變套管端子抱夾和純鋁絞線[11]；純鋁絞線兩端分別與管母抱夾及換流變套管端子抱夾焊接連接，管母抱夾和換流變套管端子抱夾均通過螺栓來實(shí)現(xiàn)與管母線和換流變套管端子的連接。穿墻套管金具包括卡爪、夾塊和穿墻套管抱夾三部分，卡爪、夾塊和穿墻套管抱夾均通過螺栓連接來實(shí)現(xiàn)對(duì)純鋁絞線和穿墻套管端子的夾緊，卡爪和穿墻套管抱夾亦通過螺栓連接來實(shí)現(xiàn)接觸通流。

圖1 YY/YD側(cè)換流變套管金具

圖2 穿墻套管金具

試驗(yàn)前先將兩套金具的導(dǎo)電接觸面用砂紙和百潔布打磨去氧化層處理，隨后在打磨完成的位置噴涂酒精，最后使用干凈的白布將導(dǎo)電接觸面擦拭干凈，導(dǎo)電接觸面處理時(shí)應(yīng)注意各個(gè)接觸面應(yīng)一致，保證各個(gè)位置接觸電阻大致相同。導(dǎo)電接觸面處理完成后，將輔助管母線、輔助端子板、輔助純鋁絞線與兩套金具連接，連接時(shí)使用力矩扳手按照?qǐng)D紙要求來緊固螺栓。

1.2 試驗(yàn)布置

如圖3所示，YY/YD側(cè)換流變套管金具兩端分別與輔助端子板和輔助管母線連接，輔助端子板和輔助管母線通過兩根導(dǎo)電帶與交直流電源連接；同時(shí)在此金具的6根導(dǎo)線上貼上序號(hào)標(biāo)簽，用以區(qū)分導(dǎo)線。

圖3 YY/YD側(cè)換流變套管金具試驗(yàn)布置

如圖4所示，兩套穿墻套管金具之間通過6根等長純鋁絞線連接，保證各個(gè)位置對(duì)純鋁絞線的壓緊力一致，進(jìn)而保證接觸電阻一致。兩套穿墻套管金具兩端分別與輔助端子板連接，輔助端子板通過兩根導(dǎo)電帶與交直流電源連接；同時(shí)在此套金具的6根輔助純鋁絞線上貼上序號(hào)標(biāo)簽，用以區(qū)分導(dǎo)線。

圖4 穿墻套管金具試驗(yàn)布置

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用對(duì)照試驗(yàn)法，對(duì)YY/YD側(cè)換流變套管金具設(shè)置兩組對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)穿墻套管金具設(shè)置三組對(duì)比試驗(yàn)。

1.3.1 YY/YD側(cè)換流變套管金具

第一組試驗(yàn)：使用如圖3布置方式對(duì)YY/YD側(cè)換流變套管金具進(jìn)行交直流對(duì)比試驗(yàn)，將導(dǎo)電帶分別接到交流源和直流源上，調(diào)整電流源輸出電流值大小一致，用鉗形電流表分別測量YY/YD側(cè)換流變套管金具上6跟導(dǎo)線所傳輸電流，并記錄；交直流均測三組數(shù)據(jù)，求得每根導(dǎo)線上的平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第二組試驗(yàn)：依然按圖3布置，將YY/YD側(cè)換流變套管金具的6跟導(dǎo)線向一起聚攏，即減小此金具導(dǎo)線之間的距離，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗(yàn)一致，然后重復(fù)第一組試驗(yàn)步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.2 穿墻套管金具

第一組試驗(yàn)：使用如圖4布置方式對(duì)穿墻套管金具進(jìn)行交直流對(duì)比試驗(yàn)，導(dǎo)線與電源位置示意如圖5所示，將導(dǎo)電帶分別接到交流源和直流源上，調(diào)整電流源輸出電流值大小一致，用鉗形電流表分別測量穿墻套管金具上6跟導(dǎo)線所傳輸電流，并記錄；交直流均測三組數(shù)據(jù)，求得每根導(dǎo)線上的平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 第一組試驗(yàn)

第二組試驗(yàn)：依然按圖4布置，將此套金具沿軸線旋轉(zhuǎn)30°，旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)線與電源位置示意如圖6所示，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗(yàn)一致，然后重復(fù)第一組試驗(yàn)步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

圖6 第二組試驗(yàn)

第三組試驗(yàn)：依然按圖4布置，將此套金具在第二組試驗(yàn)基礎(chǔ)上再沿軸線旋轉(zhuǎn)30°，旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)線與電源位置示意如圖7所示，保持交直流電源輸出電流與第一組試驗(yàn)一致，然后重復(fù)第一組試驗(yàn)步驟，并記錄數(shù)據(jù)。

圖7 第三組試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

YY/YD側(cè)換流變套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖8。穿墻套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖9。

表1 YY/YD側(cè)換流變套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 A

圖8 YY/YD側(cè)換流變套管金具對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果折線圖

表2 穿墻套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 A

圖9 穿墻套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果折線圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律總結(jié)

2.2.1 兩套金具共性規(guī)律

由歐姆定律R=U/I可知，影響電流大小的主要因素是阻抗和電壓[12]，對(duì)于此2套金具而言，6根導(dǎo)線是并聯(lián)連接，加載到6根導(dǎo)線上的電壓是相等的，因此對(duì)于此2套金具而言影響電流大小的主要原因歸結(jié)于阻抗，現(xiàn)可直觀得到以下結(jié)論：

(1)分別在兩套金具中通入直流電流時(shí)，兩套金具的6根導(dǎo)線直流電流均在200 A上下微小浮動(dòng)，且導(dǎo)線上電流大小基本不隨導(dǎo)線形狀及位置的改變而改變，即影響6根導(dǎo)線通流的直流阻抗大小基本一致，且在導(dǎo)線間距及位置發(fā)生變化時(shí)能夠保持不變。

(2)分別在兩套金具中通入交流電流時(shí)，兩套金具的6根導(dǎo)線的交流電流差別較大，電流大小大致呈對(duì)稱分布，改變金具導(dǎo)線形狀和位置后，通過導(dǎo)線的交流電流大小發(fā)生改變，即影響6根導(dǎo)線通流的交流阻抗隨導(dǎo)線間距及位置的變化而改變。

2.2.2 YY/YD側(cè)換流變套管金具交流對(duì)比試驗(yàn)單獨(dú)結(jié)果

從二組交流試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

(1)6根導(dǎo)線中通過交流電流大小呈現(xiàn)如下規(guī)律：6#≈1#>5#≈2#>4#≈3#。

(2)將導(dǎo)線間距縮小之后，6跟導(dǎo)線上電流大小出現(xiàn)了變化，且電流分布的不均勻性增加，即導(dǎo)線間距調(diào)整后，影響6跟導(dǎo)線通流的交流阻抗大小發(fā)生變化，且不均勻性增加。

2.3 穿墻套管金具交流對(duì)比試驗(yàn)單獨(dú)結(jié)果

為了更容易看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律性結(jié)論，將圖9所示橫坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)變?yōu)槲恢?-6，位置1-6的與交流電源相對(duì)關(guān)系示意如圖10所示，對(duì)于第一組試驗(yàn)，1#導(dǎo)線在位置6，2#導(dǎo)線在位置1，以此類推；對(duì)于第二組和第三組試驗(yàn)，導(dǎo)線編號(hào)和位置編號(hào)基本一致；調(diào)整后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖11所示。

圖10 位置1-6示意

圖11 穿墻套管金具交直流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果折線圖

表3 穿墻套管金具交流對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 A

從三組交流試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

(1)調(diào)整導(dǎo)線與交流電源相對(duì)位置后，每根導(dǎo)線電流大小發(fā)生變化，但電流大小按照位置1-6的排列順序呈現(xiàn)出一致性。

(2)對(duì)于第一組和第三組試驗(yàn)，交流電源大概位于位置1和位置6對(duì)稱延長線上， 2組數(shù)據(jù)沿此線呈現(xiàn)出對(duì)稱性，即位置1與位置6、位置2和位置5、位置3和位置4電流大小基本一致；

(3)對(duì)于第三組試驗(yàn)，交流電源基本位于位置1和位置4連線的延長線上，此試驗(yàn)數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出了對(duì)稱性，位置2和位置6、位置3和位置5電流大小基本一致，位置1電流最大，位置4電流最小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

前文已經(jīng)說明，影響兩套金具電流分布的主要因素是阻抗，下面通過對(duì)影響交直流試驗(yàn)阻抗的因素分析，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 直流試驗(yàn)

通過分析兩套金具可知，兩套金具都可以看成是6根純鋁絞線的并聯(lián)回路，每根純鋁絞線回路的直流阻抗主要可分為兩部分，第一部分是純鋁絞線自身的阻抗，第二部分是純鋁絞線與抱夾或純鋁絞線與卡爪的接觸電阻。

第一部分：材料的阻抗是材料的固有屬性，根據(jù)公式R=ρl/s可知，材料自身的阻抗只與材料的長度，橫截面積和電阻率有關(guān)與其他因素?zé)o關(guān)[13]；而兩套金具中所分別使用的純鋁絞線，其橫截面積和導(dǎo)電率在純鋁絞線生產(chǎn)完成便已經(jīng)確定，只有純鋁絞線長度可能因測量的誤差而導(dǎo)致截取時(shí)有微小差別。

第二部分：影響接觸電阻的因素包括外部因素和內(nèi)部因素兩方面[14]。外部因素主要包括環(huán)境溫度、通風(fēng)情況等，內(nèi)部因素包括接頭部分的材料特性、接觸方式、接觸面積、接觸條件等，其中接觸條件包括拆裝操作、壓緊力、接觸面粗糙度、涂覆電力復(fù)合脂、采用防松措施等。兩套金具分別進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，純鋁絞線所面臨的外部因素是一致的，因此不考慮其對(duì)接觸電阻的影響。內(nèi)部因素方面，金具與純鋁絞線的材料特性及接觸方式都是完全一致的，接觸面積及接觸條件按試驗(yàn)要求也應(yīng)該是一致的，但這兩方面影響因素均由人為控制，不能保證其完全一致，但差別不會(huì)太大。

通過上述分析，很容易得到兩套金具的6根純鋁絞線回路的直流阻抗基本是一致的，因此通過6根純鋁絞線的直流電流大小基本一致。分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.2 交流試驗(yàn)

整體分析交流試驗(yàn)結(jié)果之前，需要引入鄰近效應(yīng)的概念，當(dāng)采用數(shù)個(gè)導(dǎo)體時(shí)，一導(dǎo)體中電流密度的分布受鄰近載流導(dǎo)體電磁場的影響而改變狀態(tài)，由于一載流導(dǎo)體的存在使另一載流導(dǎo)體電流密度的分布發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為鄰近效應(yīng)[15]。兩套金具均有6根導(dǎo)線，當(dāng)金具中通入交流電流時(shí)，每根導(dǎo)線會(huì)受到另外5根導(dǎo)線及交流電源的磁場影響，導(dǎo)致每根導(dǎo)線中的電流密度分布發(fā)生畸變，不再是沿導(dǎo)線外圍均勻分布，這樣就導(dǎo)致每根導(dǎo)線的交流阻抗發(fā)生了變化。

3.2.1 YY/YD側(cè)換流變套管金具交流試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)不同鄰近導(dǎo)體電流方向一致時(shí)，電流產(chǎn)生的自感磁通與來自其他導(dǎo)體電流產(chǎn)生的互感磁通是互相助增的[16]，這就使這一導(dǎo)體的等值電感增大，即增大導(dǎo)體自身交流阻抗；當(dāng)不同鄰近導(dǎo)體電流方向相反時(shí)，電流產(chǎn)生的自感磁通與來自其他導(dǎo)體電流產(chǎn)生的互感磁通是互相削減的，這就使這一導(dǎo)體的等值電感減小，即減小導(dǎo)體自身交流阻抗。電流方向相同時(shí)，導(dǎo)體自身交流阻抗的與導(dǎo)體間的互幾何均距大致呈如下函數(shù)關(guān)系，因試驗(yàn)工況并非理想情況，故此函數(shù)關(guān)系只用于定性分析而不用于定量分析。

(1)

式中：Z為導(dǎo)線交流阻抗變化幅度分析函數(shù)；R0為導(dǎo)體自身交流阻抗，Ω；D為導(dǎo)體間的互幾何均距，cm；j為虛數(shù)因子。

導(dǎo)體間互幾何均距等于導(dǎo)體間距離乘積的N次方根。

如圖12所示，假定YY/YD側(cè)換流變套管金具6根導(dǎo)線之間的距離均為a，6導(dǎo)線到交流電源之間的距離分別為b1、b2、b3、b4、b5、b6，6根導(dǎo)線的交流阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，由于導(dǎo)線之間距離a遠(yuǎn)小于與導(dǎo)線到交流電源之間距離，故可認(rèn)為b1=b2=b3=b4=b5=b6， 也可粗略認(rèn)為交流電源對(duì)6根導(dǎo)線的影響程度一致。下邊分別計(jì)算6根導(dǎo)線的互幾何均距，從而分析出6根導(dǎo)線的交流阻抗。

圖12 YY/YD側(cè)換流變套管金具導(dǎo)線與交流電源位置示意

因此可以認(rèn)為Z3=Z4>Z2=Z5>Z1=Z6，考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量誤差、交流電源、金具實(shí)際導(dǎo)線間距離不完全相等及其他磁場對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，可粗略認(rèn)為此分析結(jié)果與兩組交流試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.2.2 穿墻套管金具交流試驗(yàn)結(jié)果分析

從前文分析可知，當(dāng)只考慮此套金具6根導(dǎo)線之間的鄰近效應(yīng)時(shí)，每根導(dǎo)線都受到另外5根導(dǎo)線的影響，且金具的6根導(dǎo)線沿圓周均勻分布，每根導(dǎo)線所受其他導(dǎo)線的影響都是一致的，因此6根導(dǎo)線在此種情況下的交流阻抗都是相等的。當(dāng)只考慮交流電源對(duì)此套金具影響時(shí)，此套金具每根導(dǎo)線距離交流電源的距離差異較大，每根導(dǎo)線受到交流電源鄰近效應(yīng)的影響差異較大，不可忽略交流電源對(duì)6根導(dǎo)線的影響；因此下面只需要分析交流電源對(duì)6根導(dǎo)線的影響即可。

在同一時(shí)刻，交流電源中流過的電流方向與金具中流過的電流方向是相反的，因此金具導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的自感磁通與來自交流電源電流產(chǎn)生的互感磁通是互相削減的，這就使這一導(dǎo)體的等值電感減小，這種情況下的交流阻抗和互幾何均距可以用式(2)來表示，因試驗(yàn)工況并非理想情況，故此函數(shù)關(guān)系只用于定性分析而不用于定量分析。

(2)

從式(1)～式(2)可以看出，交流阻抗與互幾何均距呈負(fù)相關(guān)，即導(dǎo)線距離交流電源距離越近，其交流阻抗越小，三組試驗(yàn)導(dǎo)線距離交流電源關(guān)系如下：

第一組試驗(yàn)：D1≈D2

第二組試驗(yàn)：D1

第三組試驗(yàn)：D1≈D6

因此三組試驗(yàn)的導(dǎo)線電流大小關(guān)系如下：

第一組試驗(yàn)：I1≈I2>I3≈I6>I4≈I5

第二組試驗(yàn)：I1>I2≈I6>I3≈I5>I4

第三組試驗(yàn)：I1≈I6>I2≈I5>I3≈I4

此分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)直流電流的情況下，兩種典型金具都能保持電流均勻分布，并且通過分析可知金具中導(dǎo)線的自阻抗和接觸位置的接觸電阻是影響直流電流分布的主要因素。

(2)交流電流情況下，YY/YD側(cè)換流變套管金具的6根導(dǎo)線因受鄰近效應(yīng)的影響，出現(xiàn)了分布不均勻的現(xiàn)象，并且導(dǎo)線之間距離越近，電流分布不均勻的現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(3)交流電流情況下，穿墻套管金具的6根導(dǎo)線在導(dǎo)線和交流電源雙重影響下，出現(xiàn)了電流分布不均勻的現(xiàn)象，但通過分析可知，如果屏蔽了交流電源的影響，此種金具的6根導(dǎo)線電流分布是均勻的。

本文對(duì)特高壓換流站中常用的兩種典型金具進(jìn)行交直流電流分布對(duì)比試驗(yàn)同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析研究，旨在弄清楚交直流狀況下兩種典型金具中電流分布的真實(shí)狀況，為后續(xù)特高壓換流站金具設(shè)計(jì)、安裝提供參考。