换流变阀侧套管表带触指接触电阻数值计算_刘鹏.pdf

第 49 卷 第 3 期：1184-1193 高电压技术 Vol.49,No.3:1184-1193 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211981 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 换流变阀侧套管表带触指接触电阻数值计算 刘 鹏1，任 汀1，谢 韬1，田汇冬2，靳守锋1，王青于1（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；2.国网经济技术研究院有限公司，北京 102211）摘 要：换流变阀侧套管的载流连接结构由中心导杆、载流端子以及表带触指组成。为了研究单片表带触指接触电阻与其所受压力的关系，基于 Greenwood 和 Williamson 接触模型(GW 模型)推导出单片表带触指接触电阻与压力的关系式，引入表带触指受力偏转修正和接触区域表面轮廓修正，得到 3 种不同电极组合(紫铜紫铜、紫铜镀银紫铜镀银、铝合金镀银铝合金镀银)下单片触指接触电阻与压力的关系。同时，开展试验验证触指的受力偏转现象，测量了不同电极组合下单片触指随压力变化的接触电阻。研究结果表明：接触电阻随压力增大而减小，当单片触指压力为 59 N 时，修正后计算值与试验值的相对误差在 10%以内，验证了修正的准确性。该研究可为提高套管电连接可靠性提供参考。关键词：换流变阀侧套管；载流连接结构；表带触指；接触电阻；法向压力；GW 模型 Numeral Calculation of Contact Resistance of Strap Contacts of Bushing on the Side of Converter Valve LIU Peng1,REN Ting1,XIE Tao1,TIAN Huidong2,JIN Shoufeng1,WANG Qingyu1(1.State Key Laboratory of Electrical Insulated and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.State Grid Economic and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102211,China)Abstract：The current-carrying connection structure of converter valve side bushing is composed of a coaxial copper rod,an aluminum rod and strap contacts.In order to study the relationship between the contact resistance and the pressure of a single piece of strap contacts,this paper deduced the relationship between them based on the Greenwood and Williamson contact model(GW model),introduced the force deflection correction of the strap contact finger and the surface contour correction of the contact area,and got the relationship between the contact resistance and pressure of a single contact fin-ger under three different electrode combinations(namely,copper-copper,copper silver plated-copper silver plated,aluminum alloy silver plated-aluminum alloy silver plated).At the same time,experiments were carried out to verify the force deflection phenomenon of strap contacts,and the contact resistance of a single strap contact with pressure changes under different electrode combinations was measured.The research results show that the contact resistance decreases with the increase of pressure.When the pressure of a single strap contact is 59 N,the relative error between the calculated value and the experimental value after correction is within 10%,which verifies the accuracy of the correction.The re-search provides a reference for improving the reliability of the electrical connection of the bushing.Key words：converter valve side bushing;current-carrying connection structure;strap contacts;contact resistance;normal pressure;GW model 0 引言1 近年来，随着电力系统的容量不断提升及设备运行年限不断增加，由于载流连接结构失效而导致 基金资助项目：国家自然科学基金(52107163)；国家电网公司科技项目(SGLNDK00KJJS1900250)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(52107163),Science and Technology Project of SGCC(SGLNDK00KJJS1900250).的套管过热和放电故障频繁发生，严重威胁电力系统安全稳定运行1-4。换流变阀侧套管的载流连接结构位于导电杆末端，由中心导杆、载流端子以及表带触指组成。中心导杆为空心圆杆，一端焊接在端部法兰上，另一端与固定在端部法兰上的载流端子同轴，轴向伸缩自由，表带触指位于导杆和载流端子之间，保证二者相对运动时的电连接。在套管运行过程中，由于长期经受电、力、热的综合作用，刘 鹏，任 汀，谢 韬，等：换流变阀侧套管表带触指接触电阻数值计算 1185 导电杆热胀冷缩产生轴向和径向的相对运动将使导杆逐渐偏心。作为载流结构的重要环节，表带触指需要承受合适的压力以保证良好的机械和电接触性能5-6，然而导杆偏心引起的结构受力不均匀，将导致表带触指接触电阻变化，引发局部过热，导致套管故障。因此，亟待对换流变阀侧套管载流连接结构表带触指接触电阻的变化机理开展研究分析。20 世纪中期，国内外学者就开始了接触电阻的研究。Willanmson 提出了基于导电路径的 Holm 二级接触电阻收缩模型7。Malucci 建立了包含微动磨损与膜层电阻的三级接触电阻收缩模型8。Cropmann 建立了一种能反映出长期电接触工作状态下的接触电阻模型9。上述 3 种数学模型将接触力学的理论分析与粗糙表面的数学建模代入接触电阻计算，为建立粗糙平面接触电阻模型奠定了坚实基础，但模型中的微观参数无法与宏观接触表面建立直接联系，难以应用于工程实际。1966 年，GreenWood 和 Willanmson 在 Hertz 接触模型10-11的基础上，用统计学方法描述粗糙表面导电斑点的数量与分布，建立了经典 GW 模型。GW 模型是首个考虑表面特征参数的粗糙表面接触模型，为工程上接触电阻的计算提供了简便的方法，是研究粗糙表面接触问题的重要参考12-13。为进一步探索套管中心导杆偏心产生的不同压力与表带触指接触电阻大小的关系，本文基于经典的 GW 模型建立了表带触指接触电阻数学计算模型，引入触指轮廓曲率半径修正因子，考虑触指弹片在压力作用下发生偏转的情况，获得了修正后的单片触指接触电阻计算式及计算结果，并通过表带触指受力偏转试验和接触电阻试验测量值，验证了数学模型以及修正因子的正确性。1 表带触指接触电阻数学计算模型 1.1 接触电阻简介及接触面微观特征 为实现中心导杆与载流端子在相对运动情况下的电连接，电接触是其中必不可少且普遍存在的过程，接触电阻就在此过程中产生。电流在经过表带触指的过程中将在接触面上汇集，形成肉眼可见的导电斑点，称为触点14。从微观层面分析触点的导电过程，电子由于穿越金属表面氧化膜产生压降，产生的膜电阻使触点周围电流线收缩，有效电接触面积减少，导致电子流通路径增加，并在触点附近产生额外的附加电阻，即接触电阻。本文研究的触指为 LA-CUD 型表带触指，表带触指弹片的底部采用燕尾结构与不锈钢龙骨进行固定连接，见图 1。触指材料为铍铜材料，表面镀银。触指通过顶部触点和底部触点形成载流路径，电流通过顶部触点流入，从底部两侧的触点流出，载流效果由触点接触电阻和触指体电阻共同保证。接触电阻是决定电接触性能的关键参数，静态接触理论亦是经典电接触科学的重要分支，其中所涉及的静接触特性即接触压力与接触电阻间的关系曲线将决定触点材料选择、触点几何形状正确设计等，因此亟待研究套管表带触指接触电阻与压力的关系14-15。只有建立良好的金属金属接触才能保证合适的接触电阻15。由于表带触指特殊的结构，其触点面积很小，保证触点的良好接触较为困难。一般情况下，套管载流系统的电阻值不得超过 50，载流连接结构电阻不得超过 10 16。然而，套管在工作过程中，往往不能保证合适的接触压力，导致接触电阻超出合适范围。传统的接触理论认为，压力较小时，接触面仅发生弹性形变，随着压力增大，接触面发生塑性形变，当压力增大至一定值时，接触面仅发生塑性形变甚至破坏7-11。然而，随着人们对微观接触理论研究的深入，近代的学者则认为接触面发生变形的情况与微观的粗糙峰有关12-17。任何一个触点都是由数个粗糙峰组成的，压力较小时，面积小的触点的粗糙峰先发生塑性形变，随着压力增大，触点面积也不断增大，致使更多粗糙峰加入，然而被压平的粗糙峰无法进一步变形，触点只能依靠自身基体的弹性变形来承受接触压力，从而触点从塑性形变过渡至弹性形变。基于对微观层面接触电阻的研究，本文认为在压力加载的过程中，粗糙峰先发生塑性 图 1 换流变阀侧套管载流结构和表带触指实物图 Fig.1 Actual drawing of current-carrying structure of the bushing on the side of the converter valve and strap contacts 1186 高电压技术 2023,49(3)形变，压力增大至一定数值后，触点基底轮廓发生弹性形变。1.2 粗糙表面接触电阻数学模型 由于表带触指的几何尺寸远小于套管的整体载流结构，通常采用总接触电阻的概念来描述套管载流结构的电连接状态，即把表带触指自身的体电阻 Rb1与其接触电阻 Rc1、Rc2的总和看作总接触电阻 Rt，再加上中心导杆、载流端子的体电阻 Rb2、Rb3，则得到载流连接结构的总电阻 Rm。表带触