(江苏省送变电公司 210028)
摘要：随着中国国民经济建设需求的提高和电力建设事业的发展，特高压直流输电技术变的越来越重要。高压直流输电工程的直流电流已从3000A逐步增大到5000A，一些关键通流器件(如阀电抗器)的设计裕度变得越来越小，甚至出现少量阀电抗器端子过热的情况。针对特高压大组件换流阀电抗器端子发热的问题，理论分析了端子发热的主要原因，并对其进行分析探讨。
关键词：特高压、直流换流阀电抗器、端子发热、问题研究
1、前言
鉴于端子发热问题会增加换流阀检修的频次，严重时甚至会引起电网临时停电，需尽快开展特高压大组件换流阀电抗器端子发热问题研究，尽早完成现场整改工作，确保不因换流阀电抗器端子发热问题导致直流系统临时停运。本文建立了Ansys热场仿真模型，同时对增加U型母线后的电抗器端子及其连接母线进行了相关试验，结果表明在电抗器端子处增加U型母线能够有效降低端子处的温度，是一种值得推荐的解决大组件阀电抗器端子发热的有效方法。
2、端子过热的原因分析
根据现场监测和端子处接触电阻测试的结果，同时结合相关分析可知，导致母线发热的可能原因有：
2.1铜铝接触面局部氧化，接触面内部导电能力分布不均，导致接头的连接部分形成过热点；
2.2接触脂涂抹不均匀或较厚，在大电流的加热下，接触面局部位置出现放电，导致母排连接处的接触电阻增大，从而加速接触面的发热；
2.3原阀电抗器端子处的接触面相对较小，导致该处载流密相对较大，使得接触面可能出现过热现象。
针对上述原因，对引起阀电抗器端子发热的因素(如接触电阻、接触面的载流密度等)进行了梳理，提出了增加U型母线的解决方案，即采用U型母线包住接触端头，使原设计的铜铝材料单面接触变为双面接触，电抗器端子接触面的载流密度有效减小，有利于降低该处的发热温度。该方案的另一优点在于阀厅现场安装相对简单，具有很高的可行性。
3、U型母线方案的热场仿真分析
3.1无U型母线时的Ansys热场分布
如图1所示，大组件换流阀电抗器的端子为铝材，而与之相连接的母线均为铜材，两者的接触面积为80mm×80mm。换流阀(以金华极1为例)额定运行时，通过电抗器端子的为5000A方波电流(占空比1/3)。根据运行工况，对阀电抗器端子连接处的热场进行了仿真，结果见图2。
图2 端子连接处的热场仿真模型
由图2可知，在这种情况下，接触面的温度约为68~69℃，铝排的温度最高，达到71.8℃。
3.2增加U型母线后的ANSYS热场分布
当在阀电抗器段子增加了U型母线后，采用相同的电流和散热条件对新模型进行仿真，具体结果见图4。
图3 增加 U 型母线后端子连接处的热场仿真模型
由图4可知，在这种情况下，接触面的温度约为57~58℃，比不加U型母线时降低了约10℃，铝母线的整体温度降低，最高温度为65.7℃。
3.3仿真结果分析
对比两组仿真结果可知，在相同电流下，在有U型母线和无U型母线时，接触面及母线表面的温度并不相同，当增加了U型母线后：接触位置的温度降低；电抗器端子及其连接母线整体温度降低，其中铜母线的温度最低，其次是接触面的温度，而铝母线的温度最高。
另外，当电流的流经方向分别为铝—铜和铜—铝时，仿真结果安全相同，这说明电流的流向对仿真结果无影响。
4、U型母线方案的通流试验
4.1试验回路的设计
试验的目的主要是为了获得在增加U型母线和无U型母线时，电抗器端子及其连接母线的温度，并对两者的结果进行对比。由于阀电抗器的左右两个端子处分别临近进水口和出水口，因此两个端子处的冷却条件并不相同。在设计验证试验时为了避免冷却条件带来的影响，采用两台电抗器电路串联、水路并联的方案。第1台电抗器的端子(1号和2号)及连接母线与工程相同(无U型母线)，第2台电抗器的端子(3号和4号)均加装有U型母线，即1号和3号端子的冷却条件(近进水口)相同，而2号和4号端子冷却条件(近出水口)相同，流过4个端子的电流完全相同。通流试验回路见图5。
4.2试验要求
4.2.1按照工程中安装母线的工艺进行母线连接；
4.2.2同时给两台电抗器分别通水(单台流量为(8.5±0.2)L/min)，进水温度为(45±1)℃。通以与工程相同的等效直流电流，直至母线温度稳定(半小时内变化不超过1℃)，测量电抗器铝排、接触面和铜排表面温度。
4.3试验结果及分析
按照试验方案，对有、无U型母线时的电抗器端子及其连接母线进行了通流试验。因为进、出水温差会对接触面温度结果产生较大影响，因此选择冷却条件相同的位置进行对比分析。由结果可知：
4.3.1 1号和2号端子处的温度并不高，分别为71℃和79℃，试验条件与工程现场的实际情况基本相同，这说明目前的电抗器端子及其连接母线的设计是合理的，但是该设计对端子、母线的平整度及安装工艺提出了过高的要求。
4.3.2对比1号与3号端子、2号与4号端子的温度，后者均比前者低7~8℃。可见增加了U型母线后，端子处的温度比不加U型母线时明显降低。
5、结语
针对特高压换流站大组件换流阀饱和电抗器端子发热问题，进行了热场仿真，并对增加U型母线后的电抗器端子及其连接母线进行了相关试验，结论如下：文中提及的U型母线方案是在分析了端子发热的原因及其影响因素后提出的，同时考虑了现场施工的便利性，具有较高的可行性；尽管热场仿真模型并不完全与阀厅现场的实际情况相同，但该方法对研究电抗器端子发热具有一定的指导意义；采用增加U型母线的方案，可以有效降低端子处的温度，同时降低临近连接母线的整体温度；在实际应用时，应逐步完善U型母线的制造和安装工艺，以便在出现发热问题的特高压大组件换流阀中推广和实施该方案；大组件换流阀电抗器端子发热问题的分析与研究，为后续6250A特高压换流阀的研发积累了宝贵的经验。
参考文献
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[3]舒印彪 刘泽洪 高理迎 等．±800kV6400MW特高压直流输电工程设计[J]．电网技术，2006，30(1)：1-8．
论文作者:袁健
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/17
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