高壓GIS殼體環流及損耗計算模型研究

趙義松， 宋成偉， 邢凱， 劉馨然， 王飛鳴， 郎福成

(1. 國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2. 遼寧省檢驗檢測認證中心，遼寧 沈陽 110006；3. 國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110006；4. 國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心，遼寧 沈陽 110006)

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulate switchgear，GIS)是以全封閉的形式將變壓器以外的高壓電器及母線設備集中在金屬殼體內，內部通過0.3～0.4 MPa壓強的SF6氣體保持絕緣[1—4]。由于組合電器外殼體接地，通過接地網、短接線、殼體構成完整的電氣回路，在電磁感應的作用下在殼體及接地網中產生循環作用的電流。運行情況表明，許多GIS/高壓GIS裝置的故障與其外殼上的感應電流及感應電流引起的發熱現象有關[5—7]。因此，有必要對GIS的穩態等效模型進行深入研究。

GIS殼體環流大小與主母線運行電流為同一數量級，在殼體阻抗的作用下會產生很大的能量損耗，長期運行過程中會增加線路線損，降低系統輸送容量[8—11]。其次，環流損耗會導致絕緣部件發熱，降低設備絕緣強度，極易引起絕緣閃絡故障。因此，準確計算GIS設備環流值，給出長期運行損耗及發熱位置，對降低設備故障率，提高運行可靠性具有極大現實意義。目前，國內、外計算GIS環流損耗的方法主要有等效電路計算法、場路耦合計算法和電磁耦合計算法。等效電路計算法主要是將GIS復雜的電磁感應過程通過等效電路表征，其優點是計算簡便，應用廣泛[12—18]，但缺少GIS系統各部分的準確等效模型，計算偏差較大。從工程應用的角度出發，變電站設計及GIS損耗計算需要更為簡便準確的數學模型及計算方法，故為計算GIS殼體環流值，須建立準確的GIS穩態運行等效電路模型。

文中應用大電流母線和工程電磁場基本原理，建立GIS系統電磁感應T型等效電路，給出GIS殼體不同位置等效阻抗的計算方法，系統分析不同計算模型的計算精度，簡化計算流程。針對550 kV GIS計算得出其穩態運行及故障工況下的系統環流分布及損耗值。

1 等效電路計算模型

以往的GIS系統等效電路模型為等效電壓源模型，即將母線與殼體間的感應電動勢等效為殼體與接地網回路的等效電壓源，以此計算殼體回路的電流值。由于GIS母線與殼體回路之間為磁場耦合感應產生的電流，以往的等效電路模型并不能準確表征磁路耦合過程。如何通過等效電路合理表征GIS環流磁路耦合的物理過程，是準確計算GIS環流及損耗值的關鍵。

GIS殼體為鋁制材料，將導流母線封閉在殼體內，不僅對殼內的SF6氣體起到密封作用，同時殼體產生環流后可對通流母線產生的磁場起到屏蔽作用[19—20]。因此，可以忽略GIS三相之間的磁場影響。由于母線和殼體都存在自身的阻抗，且在母線上通有穩定的電流時，母線與殼體擁有相互鉸鏈的磁鏈，所以母線和殼體之間存在互阻抗，因此三相GIS中，單相內部的電路模型如圖1所示。其中Zk為殼體等效阻抗；Zm為母線導體阻抗；Zh為殼體和母線之間電磁感應產生的互阻抗；Zj為接地線等效阻抗；Im為母線電流。

圖1 GIS單相內部的電路模型Fig.1 GIS within the single-phase circuit model

對于單項GIS而言，GIS母線通過穩定的負荷電流后，會產生穩定的磁場。GIS殼體通過接地線、接地網構成完整的電氣回路，形成穩定的磁通Φ，感應產生穩定的環流，如圖2所示。在母線通流產生的磁場作用下，GIS殼體回路通過。可以將GIS電磁感應模型看作是空氣芯的電流互感器，母線M為原邊，殼體回路為副邊。可以看出，對于GIS來說，高壓載流導體與環路間的互感即是電流互感器的激磁電感，由此形成互感器的激磁電抗。由于沒有鐵芯，所以沒有激磁電阻。與一般互感器不同的是該電流互感器副邊成短路狀態，沒有負荷阻抗，所以可以根據電流互感器等值電路的原理和兩端口網絡原理將電路模型簡化[9,20]，如圖3所示。

圖2 GIS環流示意Fig.2 Schematic diagram of GIS circulation

圖3 等效電路化簡示意Fig.3 Simplification of the equivalent circuit diagram

其中，Id為入地電流；Ik為殼體電流。由圖3(a)可知，經過電路的轉換，可將GIS的電路模型等效為T型等效電路。根據電路理論中的二端口網絡原理，當已知母線電流Im時，可以求出殼體電流Ik。將圖3(a)中的等效電路依次串聯起來可以得到GIS單相內部的電路模型，如圖3(b)所示。應用電路仿真軟件EMTP可以求出GIS內每2根接地線之間殼體上的電流Ik和每根接地線上的入地電流Id。殼體感應電壓Uk為殼體環流Ik與殼體阻抗Zk的乘積。

三相GIS的環流產生原理與單相GIS相同，但是感應電流環流回路不同。當三相設備端部接有短接板時，環流主要在殼體與短接板構成的回路中流動，而入地電流則會相應減小。三相環流現象和單相環流的主要不同處在于，單相縱向地網電阻發熱，而三相電流有效值相等時會只在外殼的端部地網發熱，縱向地網電阻并不發熱[21—22]。

2 母線與殼體間互阻抗的計算

由于母線的封閉作用和隔離作用，在計算GIS殼體和母線相關參數時，可以不考慮母線間的臨近效應，只考慮單相GIS內母線和殼體間的電磁關系。由于母線阻抗、殼體阻抗、短接線與接地線阻抗計算模型可以通過文獻[3—7]給出，文中不再重復闡述，重點給出三相母線與殼體間互阻抗計算模型。

當GIS殼體為三相全連式時，三相殼體被短接排所連接，此時不能只考慮單相母線上所產生的磁場對殼體、接地線和地網所構成回路的影響，應計算三相母線所產生的磁場對回路的影響，如圖4所示。圖中Ba，Bb和Bc分別為三相母線在回路內產生磁場的磁感應強度。通過工程電磁場的相關原理可以分別求出A相回路內的磁通ψAA，ψAB和ψAC，即可以分別求出A相殼體與三相母線的互感，如式(1)、式(2)所示。

圖4 三相母線所產生的磁場對A相回路的影響Fig.4 The diagram of circuit of A the phase magnetic field generated by three-phase bus

(1)

由式(1)，則有：

(2)

同理可以求出MAA和MAC為：

(3)

式中：MAA，MAB，MAC分別為A相殼體與A、B、C三相母線的互感；BB為B相母線在回路內產生磁場的電感應強度；μ0為母體導線的磁導率；IB為B相母線電流；ρ為柱坐標半徑變量；l為殼體的長度；h為殼體的高度；r為殼體的半徑；s1為相鄰兩相殼體間的距離；s2為不相鄰兩相殼體間的距離。由于A相殼體和C相殼體為對稱結構，所以C相殼體與三相母線間的互感可以由A相的計算公式對應求得。

當求B相殼體與三相母線的互感時，也可通過式(2)來求得。因為B相殼體位于三相殼體的中間，所以B相與A相間的互感和B相與C相間的互感相等，即：

(4)

綜上所述，三相母線與三相殼體間的互感分別為：

(5)

3 GIS殼體環流及損耗計算

針對我國某550 kV GIS，有關結構參數如下：額定電流Im=4 kA；母線半徑Rm=0.08 m；殼體平均半徑Rk=0.6 m；殼體厚度C=0.008 m；殼體的對地高度H=8 m；母線和殼體的長度L12=20 m，L23=24 m，L34=24 m，L45=30 m，L56=36 m；相鄰兩相殼體間的距離s1=1.5 m，不相鄰兩相殼體間的距離s2=3 m。工程要求每隔一定距離，在外殼上要設置短接排，同時在該處進行接地。設置短接排的目的是，當GIS穩態運行時，外殼上所感應的環流沿著短接排所形成的磁場可以和母線上電流所形成的磁場相抵消，從而減少溫升和損耗，提高運行效率。接地線的設置是當變電站正常運行時，提供參考地電位；當站內發生短路時，為短路電流提供最短的路徑，使其有效導入大地。

圖5為550 kV變電站GIS布置圖。圖中TM1，TM2為GIS電源進線位置；OUT1為GIS出線位置；CB11、CB12、CB13為斷路器位置；1，2，3，4，5，6為短接線位置；黑粗線為短接排，短接排的型號為Al60 mm×10 mm。在每處短接排的每一相設置一條接地線，其型號為Cu40 mm×5 mm。GIS殼體磁導率為4π×10-7H/m；SF6氣體的介電常數為1.000 29 F/m。電阻率如表1所示。

圖5 550 kV 變電站GIS 布置Fig.5 550 kV substation GIS layout

表1 不同位置的電阻率Table 1 The resistivity of the tableat different positionsΩ·m

3.1 GIS穩態運行工況下環流計算

文中以單機單線出的工作方式為例，當GIS正常運行時，母線中的電流為4 kA，此時接地線上的電流、短接排上的電流和殼體上的電流如表2—表4所示。

表2 接地線上電流穩態值Table 2 Steady state value ofcurrent on ground line kA

通過以上數據可以明顯看出殼體上的電流值表現出B相大，A、C兩相小的趨勢，且A、C兩相的幅值大體相當。但接地線上的電流值卻表現出A、C兩相大，B相小的趨勢，A、C兩相的幅值也大體相當。每一點處的2個短接排上的電流相值差不大，但1點和6點處的短接排電流值要明顯大于中間各點處的電流值。

表3 短接排上電流穩態值Table 3 Current steady statevalue on short circuit kA

表4 殼體上的電流穩態值Table 4 Current steady state value on the case kA

由于GIS殼體體積大，很難通過羅氏線圈或電流互感器測量電流。因此，采用FLUKE i6000sFlex AC 便攜式交流電流測量羅氏線圈對GIS進線端和出線端的短接線及接地線電流進行測量，測量結果見表5。

表5 接地線和短接線上電流測量值Table 5 Measurement of current on ground wires and short wires kA

通過比較計算值與測量值可以看出：測量值整體大于計算值，接地線最大偏差為11.28%，位于出線端B相位置；短接線最大偏差為6.3%，位于出線端B相—C相位置。計算值與實測值出現偏差的主要原因是變電站不同位置接地電阻不同。文中GIS殼體環流計算模型并未考慮接地網電阻變化對殼體環流的影響。變電站接地電阻一般為0.1～1 Ω，根據接地網的結構和材質，不同位置接地電阻存在差異。文中計算模型統一設定變電站接地電阻為0.5 Ω，并未有效表征接地電阻的變化分布，導致接地線和短接線電流計算值比實測值偏小。因此，計算GIS殼體環流時，建議考慮接地網分布及接地電阻變化對環流值的影響。

3.2 短路故障工況環流計算

如圖5所示，當單機單線出操作方式中B相6點處發生單相接地短路時，即出線套管處發生短路，假設短路電流為63 kA，非故障相電流為4 kA，接地線、短接排和殼體上的電流值如表6—表8所示。

表6 接地線上的短路電流值Table 6 Short-circuit currentvalue on the ground kA

表7 短接排上的短路電流值Table 7 Short-circuit currentvalue on the ground kA

表8 殼體上的短路電流值Table 8 Short-circuit currentvalue on the case kA

通過以上數據可以得知，接地線上最大電流值為26.301 kA，發生在離短路處最近的接地線上，即6點B相處的接地線。短接排流過的最大電流值為6點處B相—C相，最大值為14.416 kA。

3.3 GIS殼體損耗計算

GIS外殼中一般有環流損耗和渦流損耗。但當外殼回路漏感抗很小時，渦流損耗可忽略不計，此時只有環流損耗。一般情況下，環流損耗計算為：

(6)

式中：Ik為外殼環流(有效值)；r為外殼電阻；Kf為外殼的集膚效應系數，在厚度不大于8 mm時可取為1，根據GIS殼體、短接線及接地線實際尺寸，文中忽略集膚效應對損耗值的影響。計算得到穩態運行態下殼體、接地線、短接線的損耗功率如表9—表11所示。

表9 殼體穩態運行損耗值Table 9 Casing steady-state operating loss

表10 短接排穩態運行損耗值Table 10 Steady-state operating loss of short circuit W

表11 接地線穩態運行損耗值Table 11 Steady state operatingloss of ground line W

通過計算可以看出，550 kV GIS單機單線出穩態運行方式下，殼體損耗總量為26 kW，平均年損耗電量為224 640 kW·h；短接線損耗總量為1.089 kW，平均年損耗電量為9 540 kW·h；接地線損耗總量為9.732 kW，平均年損耗電量為85 252 kW·h；GIS系統損耗總量為36.821 kW，平均年損耗電量為322 552 kW·h。應用文中殼體環流及損耗計算模型可以準確地給出變電站GIS不同負荷運行及故障情況下的損耗值，為輸變電系統線損預估、降損提升、運維反措提供理論指導和技術支撐。

4 結語

文中應用空心電流互感器原理建立GIS殼體環流等效模型，在理論上計算550 kV變電站GIS穩態運行及故障工況下的殼體環流及運行損耗值，給出了GIS系統殼體環流及損耗的分布規律，可用于指導實際工程線損預估及運維反措。

通過550 kV GIS穩態運行及故障狀態下不同位置環流值計算可以看出：穩態運行時增加短接線是降低殼體環流值的有效方法，短接線環流最大值出現在GIS進、出線端。故障狀態下環流最大值出現在故障點附近，接地線電流要明顯大于短接線及殼體電流值。通過比較接地線及短接線電流計算值與實測值，最大計算偏差為11.28%，主要為接地電阻分布不均引起。GIS系統損耗值取決于殼體、接地線、短接線的環流值和電阻，單機單線出運行下，GIS系統損耗總量為36.821 kW，平均年損耗電量為322 552 kW·h。可以看出，降低GIS環流是增大輸電容量，降低輸電損耗和減少設備運行發熱的有效方法。