王文豪，杨国华，张 炜，高荣刚

(1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001；2.国网新疆电力有限公司 电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830092)

随着我国特高压直流输电工程的蓬勃发展，输送容量不断提升，目前特高压直流输电工程额定电流达到6 250 A，额定电压达到±1 100 kV[1]，在这样高电压大电流的长期运行下，部分特高压换流站金具出现了过热现象，金具作为设备与设备、设备与导体的连接件，金具过热势必影响换流站中设备的正常运行，对换流站的长期安全稳定运行留下隐患。

换流站中阀厅金具形式多样，结构复杂，按其用途可分为通流金具[2]、屏蔽金具[3]、支撑金具[4]三类；按其使用位置可以分为YY/YD侧换流变套管连接金具[5]、穿墙套管连接金具[6]、管母支撑金具[7]、避雷器金具[8]和阀塔金具[9]等。上述不同分类金具中，YY/YD侧换流变套管金具及与其直接连接的阀塔金具中所传输的电流以交流为主，其余位置金具所传输电流均以直流为主，通流金具两端是设备或导体抱夹，中间用纯铝绞线连接，最终实现电气通流，以往温升试验结果表明，通流金具在传输交流时，各个导线中存在通流不均衡现象，对于造成此现象的研究和原因我国鲜有文献报道。通流金具在设计时，一般按金具中各个导线所传输电流是均衡进行设计，如果通流金具中各个导线中所传输电流存在较大差异，势必削弱金具的实际通流能力，长期运行后造成金具过热的现象[10]。本文将选取两种典型通流金具进行交直流对比试验，重点研究在交流和直流两种工况下，金具中各个导线所传输电流均衡状况，为后续特高压换流站金具设计提供参考。

1 试验金具及方法

1.1 试验金具准备

选取两种典型金具在试验室进行交直流对比试验，试验室所使用的交流电源最大可输出2 500 A电流、直流电源最大可输出1 200 A电流，测电流装置使用钳形电流表。

本次试验所选用的两种典型金具如图1和图2所示，其中图1为YY/YD侧换流变套管金具，图2为直流穿墙套管金具。YY/YD侧换流变套管金具包括管母抱夹、换流变套管端子抱夹和纯铝绞线[11]；纯铝绞线两端分别与管母抱夹及换流变套管端子抱夹焊接连接，管母抱夹和换流变套管端子抱夹均通过螺栓来实现与管母线和换流变套管端子的连接。穿墙套管金具包括卡爪、夹块和穿墙套管抱夹三部分，卡爪、夹块和穿墙套管抱夹均通过螺栓连接来实现对纯铝绞线和穿墙套管端子的夹紧，卡爪和穿墙套管抱夹亦通过螺栓连接来实现接触通流。

图1 YY/YD侧换流变套管金具

图2 穿墙套管金具

试验前先将两套金具的导电接触面用砂纸和百洁布打磨去氧化层处理，随后在打磨完成的位置喷涂酒精，最后使用干净的白布将导电接触面擦拭干净，导电接触面处理时应注意各个接触面应一致，保证各个位置接触电阻大致相同。导电接触面处理完成后，将辅助管母线、辅助端子板、辅助纯铝绞线与两套金具连接，连接时使用力矩扳手按照图纸要求来紧固螺栓。

1.2 试验布置

如图3所示，YY/YD侧换流变套管金具两端分别与辅助端子板和辅助管母线连接，辅助端子板和辅助管母线通过两根导电带与交直流电源连接；同时在此金具的6根导线上贴上序号标签，用以区分导线。

图3 YY/YD侧换流变套管金具试验布置

如图4所示，两套穿墙套管金具之间通过6根等长纯铝绞线连接，保证各个位置对纯铝绞线的压紧力一致，进而保证接触电阻一致。两套穿墙套管金具两端分别与辅助端子板连接，辅助端子板通过两根导电带与交直流电源连接；同时在此套金具的6根辅助纯铝绞线上贴上序号标签，用以区分导线。

图4 穿墙套管金具试验布置

1.3 试验方法

本次试验采用对照试验法，对YY/YD侧换流变套管金具设置两组对比试验，对穿墙套管金具设置三组对比试验。

1.3.1 YY/YD侧换流变套管金具

第一组试验：使用如图3布置方式对YY/YD侧换流变套管金具进行交直流对比试验，将导电带分别接到交流源和直流源上，调整电流源输出电流值大小一致，用钳形电流表分别测量YY/YD侧换流变套管金具上6跟导线所传输电流，并记录；交直流均测三组数据，求得每根导线上的平均值作为最终试验数据。

第二组试验：依然按图3布置，将YY/YD侧换流变套管金具的6跟导线向一起聚拢，即减小此金具导线之间的距离，保持交直流电源输出电流与第一组试验一致，然后重复第一组试验步骤，并记录数据。

1.3.2 穿墙套管金具

第一组试验：使用如图4布置方式对穿墙套管金具进行交直流对比试验，导线与电源位置示意如图5所示，将导电带分别接到交流源和直流源上，调整电流源输出电流值大小一致，用钳形电流表分别测量穿墙套管金具上6跟导线所传输电流，并记录；交直流均测三组数据，求得每根导线上的平均值作为最终试验数据。

图5 第一组试验

第二组试验：依然按图4布置，将此套金具沿轴线旋转30°，旋转后导线与电源位置示意如图6所示，保持交直流电源输出电流与第一组试验一致，然后重复第一组试验步骤，并记录数据。

图6 第二组试验

第三组试验：依然按图4布置，将此套金具在第二组试验基础上再沿轴线旋转30°，旋转后导线与电源位置示意如图7所示，保持交直流电源输出电流与第一组试验一致，然后重复第一组试验步骤，并记录数据。

图7 第三组试验

2 试验结果

2.1 对比试验结果

YY/YD侧换流变套管金具交直流对比试验结果见表1和图8。穿墙套管金具交直流对比试验结果见表2和图9。

表1 YY/YD侧换流变套管金具交直流对比试验结果 A

图8 YY/YD侧换流变套管金具对比试验结果折线图

表2 穿墙套管金具交直流对比试验结果 A

图9 穿墙套管金具交直流对比试验结果折线图

2.2 试验结果规律总结

2.2.1 两套金具共性规律

由欧姆定律R=U/I可知，影响电流大小的主要因素是阻抗和电压[12]，对于此2套金具而言，6根导线是并联连接，加载到6根导线上的电压是相等的，因此对于此2套金具而言影响电流大小的主要原因归结于阻抗，现可直观得到以下结论：

(1)分别在两套金具中通入直流电流时，两套金具的6根导线直流电流均在200 A上下微小浮动，且导线上电流大小基本不随导线形状及位置的改变而改变，即影响6根导线通流的直流阻抗大小基本一致，且在导线间距及位置发生变化时能够保持不变。

(2)分别在两套金具中通入交流电流时，两套金具的6根导线的交流电流差别较大，电流大小大致呈对称分布，改变金具导线形状和位置后，通过导线的交流电流大小发生改变，即影响6根导线通流的交流阻抗随导线间距及位置的变化而改变。

2.2.2 YY/YD侧换流变套管金具交流对比试验单独结果

从二组交流试验数据可以看出：

(1)6根导线中通过交流电流大小呈现如下规律：6#≈1#>5#≈2#>4#≈3#。

(2)将导线间距缩小之后，6跟导线上电流大小出现了变化，且电流分布的不均匀性增加，即导线间距调整后，影响6跟导线通流的交流阻抗大小发生变化，且不均匀性增加。

2.3 穿墙套管金具交流对比试验单独结果

为了更容易看出试验数据的规律性结论，将图9所示横坐标轴数据变为位置1-6，位置1-6的与交流电源相对关系示意如图10所示，对于第一组试验，1#导线在位置6，2#导线在位置1，以此类推；对于第二组和第三组试验，导线编号和位置编号基本一致；调整后，试验数据见表3，试验结果曲线如图11所示。

图10 位置1-6示意

图11 穿墙套管金具交直流对比试验结果折线图

表3 穿墙套管金具交流对比试验结果 A

从三组交流试验数据可以看出：

(1)调整导线与交流电源相对位置后，每根导线电流大小发生变化，但电流大小按照位置1-6的排列顺序呈现出一致性。

(2)对于第一组和第三组试验，交流电源大概位于位置1和位置6对称延长线上， 2组数据沿此线呈现出对称性，即位置1与位置6、位置2和位置5、位置3和位置4电流大小基本一致；

(3)对于第三组试验，交流电源基本位于位置1和位置4连线的延长线上，此试验数据也呈现出了对称性，位置2和位置6、位置3和位置5电流大小基本一致，位置1电流最大，位置4电流最小。

3 试验结果分析

前文已经说明，影响两套金具电流分布的主要因素是阻抗，下面通过对影响交直流试验阻抗的因素分析，进而对试验结果进行分析。

3.1 直流试验

通过分析两套金具可知，两套金具都可以看成是6根纯铝绞线的并联回路，每根纯铝绞线回路的直流阻抗主要可分为两部分，第一部分是纯铝绞线自身的阻抗，第二部分是纯铝绞线与抱夹或纯铝绞线与卡爪的接触电阻。

第一部分：材料的阻抗是材料的固有属性，根据公式R=ρl/s可知，材料自身的阻抗只与材料的长度，横截面积和电阻率有关与其他因素无关[13]；而两套金具中所分别使用的纯铝绞线，其横截面积和导电率在纯铝绞线生产完成便已经确定，只有纯铝绞线长度可能因测量的误差而导致截取时有微小差别。

第二部分：影响接触电阻的因素包括外部因素和内部因素两方面[14]。外部因素主要包括环境温度、通风情况等，内部因素包括接头部分的材料特性、接触方式、接触面积、接触条件等，其中接触条件包括拆装操作、压紧力、接触面粗糙度、涂覆电力复合脂、采用防松措施等。两套金具分别进行试验时，纯铝绞线所面临的外部因素是一致的，因此不考虑其对接触电阻的影响。内部因素方面，金具与纯铝绞线的材料特性及接触方式都是完全一致的，接触面积及接触条件按试验要求也应该是一致的，但这两方面影响因素均由人为控制，不能保证其完全一致，但差别不会太大。

通过上述分析，很容易得到两套金具的6根纯铝绞线回路的直流阻抗基本是一致的，因此通过6根纯铝绞线的直流电流大小基本一致。分析结果与试验结果一致。

3.2 交流试验

整体分析交流试验结果之前，需要引入邻近效应的概念，当采用数个导体时，一导体中电流密度的分布受邻近载流导体电磁场的影响而改变状态，由于一载流导体的存在使另一载流导体电流密度的分布发生变化的现象称为邻近效应[15]。两套金具均有6根导线，当金具中通入交流电流时，每根导线会受到另外5根导线及交流电源的磁场影响，导致每根导线中的电流密度分布发生畸变，不再是沿导线外围均匀分布，这样就导致每根导线的交流阻抗发生了变化。

3.2.1 YY/YD侧换流变套管金具交流试验结果分析

当不同邻近导体电流方向一致时，电流产生的自感磁通与来自其他导体电流产生的互感磁通是互相助增的[16]，这就使这一导体的等值电感增大，即增大导体自身交流阻抗；当不同邻近导体电流方向相反时，电流产生的自感磁通与来自其他导体电流产生的互感磁通是互相削减的，这就使这一导体的等值电感减小，即减小导体自身交流阻抗。电流方向相同时，导体自身交流阻抗的与导体间的互几何均距大致呈如下函数关系，因试验工况并非理想情况，故此函数关系只用于定性分析而不用于定量分析。

(1)

式中：Z为导线交流阻抗变化幅度分析函数；R0为导体自身交流阻抗，Ω；D为导体间的互几何均距，cm；j为虚数因子。

导体间互几何均距等于导体间距离乘积的N次方根。

如图12所示，假定YY/YD侧换流变套管金具6根导线之间的距离均为a，6导线到交流电源之间的距离分别为b1、b2、b3、b4、b5、b6，6根导线的交流阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，由于导线之间距离a远小于与导线到交流电源之间距离，故可认为b1=b2=b3=b4=b5=b6， 也可粗略认为交流电源对6根导线的影响程度一致。下边分别计算6根导线的互几何均距，从而分析出6根导线的交流阻抗。

图12 YY/YD侧换流变套管金具导线与交流电源位置示意

因此可以认为Z3=Z4>Z2=Z5>Z1=Z6，考虑到试验数据测量误差、交流电源、金具实际导线间距离不完全相等及其他磁场对试验结果的影响，可粗略认为此分析结果与两组交流试验结果一致。

3.2.2 穿墙套管金具交流试验结果分析

从前文分析可知，当只考虑此套金具6根导线之间的邻近效应时，每根导线都受到另外5根导线的影响，且金具的6根导线沿圆周均匀分布，每根导线所受其他导线的影响都是一致的，因此6根导线在此种情况下的交流阻抗都是相等的。当只考虑交流电源对此套金具影响时，此套金具每根导线距离交流电源的距离差异较大，每根导线受到交流电源邻近效应的影响差异较大，不可忽略交流电源对6根导线的影响；因此下面只需要分析交流电源对6根导线的影响即可。

在同一时刻，交流电源中流过的电流方向与金具中流过的电流方向是相反的，因此金具导线中电流产生的自感磁通与来自交流电源电流产生的互感磁通是互相削减的，这就使这一导体的等值电感减小，这种情况下的交流阻抗和互几何均距可以用式(2)来表示，因试验工况并非理想情况，故此函数关系只用于定性分析而不用于定量分析。

(2)

从式(1)～式(2)可以看出，交流阻抗与互几何均距呈负相关，即导线距离交流电源距离越近，其交流阻抗越小，三组试验导线距离交流电源关系如下：

第一组试验：D1≈D2

第二组试验：D1

第三组试验：D1≈D6

因此三组试验的导线电流大小关系如下：

第一组试验：I1≈I2>I3≈I6>I4≈I5

第二组试验：I1>I2≈I6>I3≈I5>I4

第三组试验：I1≈I6>I2≈I5>I3≈I4

此分析结果与试验结果一致。

4 结 论

(1)直流电流的情况下，两种典型金具都能保持电流均匀分布，并且通过分析可知金具中导线的自阻抗和接触位置的接触电阻是影响直流电流分布的主要因素。

(2)交流电流情况下，YY/YD侧换流变套管金具的6根导线因受邻近效应的影响，出现了分布不均匀的现象，并且导线之间距离越近，电流分布不均匀的现象越严重。

(3)交流电流情况下，穿墙套管金具的6根导线在导线和交流电源双重影响下，出现了电流分布不均匀的现象，但通过分析可知，如果屏蔽了交流电源的影响，此种金具的6根导线电流分布是均匀的。

本文对特高压换流站中常用的两种典型金具进行交直流电流分布对比试验同时对试验结果进行理论分析研究，旨在弄清楚交直流状况下两种典型金具中电流分布的真实状况，为后续特高压换流站金具设计、安装提供参考。