1、2023年第41卷第2期变压器套管面面压接型电连接接触电阻劣化过程分析牟泉宇1，2，邹德旭1（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217；2.华北电力大学，河北保定071003）0引言近些年，业内连续发生多起特高压换流变压器燃烧事故，其起火迅速、燃烧时间长、过火面积大，给电网造成了严重的经济损失，但相同电压等级和容量的电力变压器未发生类似的燃爆事件。相比电力变压器，大容量换流变压器具有负荷电流大、谐波电流分量高、机械振动强、运行温度高等特点，其阀侧绕组运行电流达5000 A以上，远高于普通电力变压器负荷电流，说明套管电连接的可靠性与其运行工况密切相关，尤其是需要全面考虑大负荷下的
2、各种内外部因素的综合影响，如机械振动、短路冲击、电动力、应力松弛、温度效应等1-3。经研究表明，在大电流负荷下，由于载流回路拉杆系统的热胀冷缩和长期机械振动，使拉杆温度补偿装置部分失效，造成载流系统和拉杆系统机械性能配合上出现不匹配，拉紧力变化超出部件实际承受能力，出现载流部件螺纹松脱、载流接触面接触不良，导致接触面过热、放电、烧蚀以及主电流通路的改变和拉杆接头的过热及放电4-11。目前针对变压器套管的电连接研究多集中在套管载流回路的温度场研究，文献7建立有限元电摘要：针对变压器套管电连接失效易引起变压器起火、燃爆等问题，基于综合运行工况分析面面压接型电连接在静力试验中的等效方法，并对面面压接
3、型电连接进行静力试验，通过静力试验得到接触电阻与电连接静力的关系，采用经验公式进行验证。结果表明：面面压接型电连接的接触电阻随着轴向应力的增大而减小，随着径向应力的增大而增大；经验公式中的系数对接触电阻值有较大影响；机械磨损是导致接触电阻增大、电连接劣化的主要原因。关键词：变压器套管；面面压接型电连接；接触电阻；应力；机械磨损文献标志码：B中图分类号：TM411+.2文章编号：1008-6218（2023）02-0074-07doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0029Analysis of Contact Resistance Degradation Process o
4、f Transformer BushingSurface Piezoelectric ConnectionMOU Quanyu1,2,ZOU Dexu1（1.Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming650217,China;2.North China Electric Power University,Baoding071003,China）Abstract：Aiming at the problems that the failure of the electrical connection
5、 of the transformer bushing can easily causethe transformer to ignite and explode,based on comprehensive operating conditions,the equivalent method of surface tosurface crimping electrical connections in static tests is analyzed,and static tests are conducted on surface to surfacecrimping electrical
6、 connections.The relationship between contact resistance and static force of electrical connections isobtained through static tests,and verified using empirical formulas.The results show that the contact resistance of surfaceto surface crimping electrical connections decreases with the increasing of
7、 axial stress and increases with the increasing ofradialstress.Thecoefficientintheempiricalformulahasasignificantimpactonthevalueofcontactresistance.Mechanical wear is the main cause of the increased contact resistance and the deterioration of electrical connections.Key words：transformer bushing;sur
8、face to surface crimping electrical connection;contact resistance;stress;mechanical wear内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER742023年第41卷第2期牟泉宇，等：变压器套管面面压接型电连接接触电阻劣化过程分析热耦合模型，计算出套管的二维温度场分布。文献8采用三维的电磁-热-流耦合场分析干式套管的三维温度场分布。在变压器套管中载流回路的发热来源为焦耳热，决定焦耳热大小的因素主要是载流回路的回路电阻和负荷电流，载流回路的回路电阻主要取决于载流回路上电连接的接触电
9、阻。文献9对过热型故障套管进行解体，确定套管故障原因是载流导电管电连接异常发热，并进行了接触电阻异常时套管温度场的模拟计算。文献10采用扫描电镜和能量色散光谱仪对失效前后的表带触指表面和断面进行分析，确定长期的机械磨损是表带触指劣化的重要因素。文献11研究了面面压接型电连接在地震响应下接触面的应力分布，确定因导电杆弯曲导致接触面上应力分布不均。变压器套管载流回路电热力复杂，对其研究大多数集中于载流回路电连接的电场和温度场，主要研究类型为表带触指型。对面面压接型电连接接触状态与受力关系鲜有报道。本文通过理论分析得到面面压接型电连接在综合工况下的应力等效的方法，通过试验分析变压器套管面面压接型电连
10、接接触电阻与电连接轴向和径向受力的关系，根据接触电阻的数值判断电连接的接触状态，分析变压器套管面面压接型电连接的失效原因，可为套管的选型和故障分析提供理论依据。1变压器套管电连接变压器套管电连接位于变压器套管的载流回路上，按照结构划分，常见的电连接类型有面面压接型、表带触指型、螺栓连接型、螺纹连接型。对套管而言，至少存在两处电连接，即套管空气中端子与外部引线的连接（见图1位置1）和变压器器身引线与套管油中端子的连接（见图1位置2）。对于高电压等级的套管，由于长度增加，为了补偿工作中不同材料的热胀冷缩，除以上两处电连接，在套管内部可能还会设计有其他的电连接，常见的分类见表1。本文主要研究面面压接
11、型电连接结构。面面压接式电连接常用于拉杆式套管，电连接接触对的接触压力来自拉杆，对应导电杆是非整杆式结构，面面压接型电连接一般是由两个接触件组成，即接线端子和底座。拉杆式套管底座一般为黄铜材料，通过压接或螺纹连接与导杆相连。接线端子一般为无氧铜。2应力等效方法电连接的失效模式主要是接触失效，据此设计面面压接型电连接的静力试验，研究电连接受力失效过程。在变压器运行中，载流回路电连接处于复杂的综合运行工况下，如机械振动、短路冲击、应力松弛、温度效应等。各种运行工况在电连接上的作用不同，不同效应在电连接上的作用机理也不同，综合分析有较大难度，现提出一种应力等效方法。根据各种运行工况作用的特点，将不同
12、运行工况在静力试验中的作用等效为一种电连接接触面上的应力，用以分析综合工况对电连接的影响。以面面压接型套管电连接为研究对象，对机械振动、短路冲击、应力松弛、温度效应四种运行工况在静力试验中的等效方法及不同类型应力对电连接回路的影响进行研究。2.1机械振动在机械振动工况下，电连接结构受到的荷载都表1变压器套管电连接分类Tab.1 Classification of electrical connection of transformerbushing位置空气端空气端套管内部套管内部油端油端接触对外部引线-接线端子接线端子-导杆接线端子-导杆底座螺母-导杆接线端子-底座螺母/导杆器身引线-接线端子
13、接触型式面面压接面面压接插接式螺纹面面压接/螺纹插接式图1变压器套管电连接位置图Fig.1 Eectrical connection position of transformer bushing套管变压器空气中端子与外部引线的连接油中端子与器身引线的连接752023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术可以归类于振动荷载，电连接结构上的应力称为振动应力。根据荷载效应等效的原则将结构或设备的自重乘以动力系数后得到的荷载称为等效静力荷载12。可以通过施加等效静力荷载的方式对电连接结构进行静力试验，模拟振动达到振动应力等效的目的。当采用等效静力方法计算时，振动荷载的动力系数宜按照公式（1）、（
14、2）计算。动力系数为承受振动荷载的结构按静力设计时采用的系数，其值为结构的最大动力效应与相应的静力效应的比值。v=1+v，（1）v=SvSs，（2）式中：v为振动载荷的动力系数；v振动载荷效应比；Sv为振动载荷效应；Ss静力载荷效应。将机械振动的作用在静力试验中等效为电连接的轴向和径向等效应力。2.2短路冲击在变压器外部短路情况下，变压器短路通路会流过较大的短路电流，变压器线圈端部通过引线由套管连接到系统中，因此当套管也在短路通路中时，会承受较大的短路电流冲击，可能产生较大的短路冲击电动力，从而对套管电连接造成破坏。对于短路电流Im，采用不同的计算方法可以得到不同的计算结果。（1）采用单台变压
15、器的参数计算Im=UmXt2+Rt2，（3）式中：Um为电网最高相对地电压的有效值，V；Xt为变压器的等值短路电抗，；Rt为变压器的等值短路电阻，。根据某大容量 500 kV 变压器试验结果Rt=0.486 4，Xt=44.49，计算得到Im=6.81 kA。（2）根据电力变压器技术规范书计算根据南方电网公司发布的 110 kV500 kV交流电力变压器技术规范书，500 kV变压器套管Im应取63 kA，对应额定电流2500 A，承受短路时间不小于0.25 s。（3）依据交流套管标准计算根据 GB/T 41092008 交流电压高于 1000 V的绝缘套管13，套管的Im应取额定电流的25倍
16、。即Im取62.5 kA。为评估短路冲击对套管电连接的极限影响，由此确定了峰值63 kA，持续时间0.25 s的频率50 Hz正弦波形的短路负荷。基于计算获得的短路电流以及变压器套管载流回路有限元模型，可以通过仿真计算获得变压器套管在短路冲击电流下所受到的短路冲击力，计算的有限元模型如图2所示。建模时考虑短路电流从线圈的一端流入，从另一端流出，这种情况下短路电流在套管周围所建立的磁场最大，因此套管载流回路受到的短路冲击力也最大。由图3可知，在最大短路电流工况下，变压器套管受到的短路冲击力峰值不大于5.15 kN。短路冲击荷载实质上为施加在电连接结构上的一种冲击荷载，其特点是作用持续时间短。在本次套管主载流回路面面压接型电连接失效试验中，可以通过施加一个径向力来等效对试验对象的影响。图2最大短路电流工况下变压器套管受到的短路冲击力有限元模型Fig.2 Fininte element model of shortcircuit impact forcedensity on transformer bushing under the condition ofmaximum shortcirc
