张 盼，杨国华，徐健涛，宋铁创，常林晶，丁一帆

（平高集团有限公司，河南平顶山 467000）

0 引言

中国能源分布不均衡，西南地区水资源丰富，西北地区煤炭相对富集，并且风电和光伏发电等清洁能源丰富。在“西电东送，南北互连”的战略布局下，把西南水电以及西北的大型火电、风电输送至南方，将在中国新能源发展以及能源结构调整上扮演着无比重要的角色。随着清洁能源比例的迅速增长，电能生产与负荷中间的距离不断增大，中国电网共建成并投运高压直流输电工程约29个，将大量西部地区能源输送至东部负荷中心，有效解决西部水电、风电、光伏等清洁能源开发、输送和消费问题，产生巨大的经济效益和社会效益。光伏发电的电力是以特高压直流输电方式外送电能为重点发展技术，自向-上、云-广两条特高压直流输电工程投入商业运行后，特高压直流输电工程在中国蓬勃发展，目前已建成14条直流特高压输电线路，拟建的特高压直流输电工程6条。该技术在中国已得到了大量应用，并且逐渐成为中国未来远距离大容量输电工程的主流[1-3]。

特高压直流输电工程的额定输送电压已达800 kV，输送容量从向家坝-上海的640 万kW 到锡盟-泰州的1 000 万kW，提高了将近0.6 倍；输送工程的额定电流也从向上工程的4 000 A提高到锡泰工程的6 250 A。提高输送电流意味着换流站阀厅金具所承载的电流能力不断增大，既要保证管母线与管母线、管母线与设备端子之间的机械连接，又要保证通流能力达到6 250 A，这对金具的耐热性、可靠性是个很大的考验[4-6]。

1 换流站阀厅金具结构分析

换流站阀厅金具主要运行在换流站阀厅内部，用来连接包括换流阀组、换流变压器、阀厅接地开关、直流穿墙套管、避雷器、光CT等电气主设备以及管母线和软母线，在功能上需满足额定电流、电晕、机械强度等多方面的要求。阀厅金具从结构上可以分为3个模块，即载流金具模块、屏蔽金具模块和连接金具模块。一般情况下，每种阀厅金具都会包括其中的2 种或3 种模块[7-11]。由于阀厅内部大多采用管母线的连接方式，根据安装方式可以分为支柱绝缘子支撑金具和悬吊绝缘子串悬挂金具等。图1 所示为悬吊绝缘子串悬挂二通金具，其芯部通过两个万向节与支撑部分相连，主要承担机械负荷和安装位置调节功能，铝绞线和铸铝合金抱夹焊接构成的二通金具承担电气负荷，屏蔽球承担电场屏蔽功能。

图1 悬吊金具

1.1 阀厅金具导流结构分析

换流站阀厅金具导流部分可以分为两种，第一种是硬连接，即管母连接，外部则由管母线与铸铝合金抱夹采用螺栓来实现刚性连接，管母与管母之间采用铸铝合金抱夹连接，类似于接续金具；第二种是软连接，即铝铰线、铜铰线、钢芯铝铰线连接，一般情况下选取纯铝铰线作为二通、三通金具中的焊接铝绞线，纯铝铰线具有价格低廉、重量较轻、能与铸铝件进行焊接、弯曲半径小、易于弯曲成形的特点，在二通、三通金具中得到了广泛应用。

1.1.1 连接管母线要求柔性连接

柔性连接即弹性连接，允许连接部位发生轴向伸缩、折转和垂直于轴向产生一定位移量的连接方式。常见的柔性连接是铰接、有弹簧隔振这些连接，与之相对应的是刚性连接。柔性连接在与金具或管母之间连接时，为了减少金具连接时的角度或长度偏差，减少阀厅正常运转时产生震动引起的偏差，设计时应考虑管母以及金具自重、阀厅环境温度变化时管母及设备的伸缩应力、地震等苛刻情况下摆动所造成的冲击力，以及短路时发生的电动冲击力。

1.1.2 柔性连接结构形式分析

（1）铝绞线连接。纯铝绞线连接可使金具结构多变，例如，用于管母线悬吊连接金具和管母线支撑连接金具，或换流变套管连接金具中等。以换流变套管金具为例，换流变套管接线端子和管母端部均采用铝合金铸件抱夹结构，中间部位采用纯铝绞线与两端的抱夹焊接，既可以满足通流的要求，同时也兼顾了换流变套管接线端子与管母线之间位移调节和角度调节的要求。并且换流变套管金具设计时，在铝绞线两端的铝合金抱夹间设置了万向节块和滑块，以适应设备间的位移和角度调节。因此，铝绞线连接的结构适应性较强。

（2）导电带连接。导电带连接用于对通流能力有要求的金具，例如直流穿墙套管连接的金具。设计直流穿墙套管连接金具时，金具承载的电流为极线电流，2 h 过负荷电流达5 900 A，通流容量较大，普通铝绞线安装困难，因此用导电带代替铝绞线进行载流。

2 二通连接金具两种结构形式的温升仿真对比分析

本文采用有限元仿真分析方法进行电流场和温度场耦合仿真计算[12-17]。金具结构的发热来源于涡流损耗，这些热量通过金具表面的自然对流换热和热辐射两种方式发散到周围环境。将涡流场计算得到的焦耳损耗作为热源导入，并设定相应的辐射边界条件，分别计算了两种不同的二通金具结构的涡流损耗分布，并将结果导入Steady-State thermal 模块，设置好接触面和散热面后进行计算，得到最终的温度分布结果。

在建模过程中，绞线和抱夹焊接处以及铝导电带与联板的螺栓连接处的接触电阻均简化处理，简化时尽量与实际尺寸保持一致[18]。仿真出的结果如图2～3 所示，当激励电流为7 500 A时，铝绞线的最大温升出现在导线中部，最大温升为53.08 ℃，最小温升为46 ℃；导电带连接结构的最大温升出现在导电带中部，最大温升为44.369 ℃，最小温升为抱夹所在位置，为36 ℃。比较温升试验的最终温度分布，发现仿真结果中，导电带金具的温升值基本符合实际情况，实际温升较仿真结果变化更大，金具的局部过热现象更为明显，但是最大温升值的位置与实际情况有偏差，而铝绞线连接金具的温升值高于导电带连接金具的温升值，原因是导电带简化为20 mm×90 mm×1 000 mm 的长方体结构，减小了导电带的电阻，增大了导电带的散热面积。关于简化结构的技术要求有待进一步研究。

图2 铝绞线连接金具仿真温度分布

图3 导电带连接金具仿真温度分布

3 典型结构阀厅金具温升试验对比

3.1 试验过程

金具大电流温升试验在某检测中心试验站完成，环境温度为+10 ～+40 ℃。当试验电流为6 250 A，电流频率为50 Hz，风速＜0.5 m/s，稳定后温升＜40 K；当试验电流为7 500 A 时，要求稳定温升＜65 K。通过对±1 100 kV 直流换流站541a阀厅二通金具和±1 100 kV直流换流站603阀厅二通金具进行输入电流的调节，从而可使金具的电流达到试验加载电流，再利用红外热像仪和热电偶对金具制品表面温度进行测量。

被测试的样品分为铝绞线类金具及导电带类金具，如图4所示。图4（a）所示的金具为铝绞线类，该类金具主要由抱夹、铝绞线以及必要的连接螺栓组成；图（b）所示的金具为导电带类，该类金具主要由抱夹、导电带端板、导电带以及连接螺栓组成，相对于铝绞线的焊装，螺栓连接相对结构适应性强。目前特高压直流换流站通流回路接头端子之间多采用螺栓连接，接头端子的结构强度与螺栓连接产生的预紧力有直接关系。由相关文献得知，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。

图4 被测金具试品

3.2 大电流温升试验结果对比

铝绞线连接二通金具结构及温度分布如图5 所示。图5（a）为铝绞线连接二通金具测量点分布，相对均匀地选取有代表性的点进行升温试验测量；图5（b）为铝绞线连接二通金具温度分布。541a 阀厅二通金具共6 根铝绞线，铝绞线型号为JL-1120，每根铝绞线的截面积为1 120 mm2，6根总截面为6 720 mm2。按6 250 A×1.05通流分析。

图5 铝绞线连接二通金具结构及温度分布

导电带连接二通金具结构及温度分布如图6 所示。内圈两根导电带，外圈两根导电带，每根导电带的截面积为1 620 mm2，4根总截面为6 480 mm2，按6 250 A×1.05通流分析。

图6 导电带连接二通金具结构及温度分布

图5（b）和图6（b）分别是两种不同结构金具不同位置的温升试验结果折线图，主回路电阻的测量（≤30 μΩ）和主回路的温升试验（试验电流：额定电流为6 250 A，2 h过负荷7 500 A）结果均通过，受到接触电阻的影响，铝绞线及导电带分流不均匀。比较图5～6 可直观看出，螺栓连接的导电带的金具不均匀化程度要比焊接连接的铝绞线更大，温升的波动更明显。对于541a 金具，当通的试验电流为6 250 A 时，铝绞线金具最大温升为31.94 ℃；当通的试验电流为7 500 A 时，铝绞线金具的最大温升为42.65 ℃。对于603 金具，当通的试验电流为6 250 A 时，导电带金具的最大温升为33.69 ℃；当通的试验电流为7 500 A 时，导电带金具的最大温升为49.68 ℃。能够看出，随着当通电流的增大，无论是铝绞线金具还是导电带金具的最大温升都在增大，导电带金具的温升较铝绞线的温升大一些，阀厅金具焊接以及螺栓紧固造成的接触电阻是引起金具局部过热的主要因素[19]。

4 结束语

（1）通过对比分析仿真计算与温升试验，铝绞线金具A和导电带金具B 的仿真值与试验结果基本吻合，验证了本文采用的有限元仿真计算结果的可行性。但是同样的电流下，金具仿真值要比试验结果偏高，主要原因是建模过程中对金具模型进行简化以及导电带和铝绞线的长度对温度会产生影响。

（2）在7 500 A的激励电流下，铝导电带类金具和铝绞线金具均存在分流不均匀和局部过热的现象，两种金具的最大温升均已超过40 ℃。由折线图可明显看出，铝导电带类金具分流和局部过热现象更明显。