800kV三相分箱GIS變電站外殼感應電壓及環流解析

楊海峰 牛牧之

（寧夏送變電工程有限公司）

0 引言

GIS，即氣體絕緣組合電器，是高壓電網建設重要設備。為保證GIS變電站運行穩定性與智能性，現代社會對于變電站可靠性指標提出了更好的要求。對GIS變電站外殼感應電壓、環流分布進行分析，是按照變電站設備與電氣主接線等各項參數，運用構建電磁暫態仿真軟件，構建變電站電路仿真模型，進行感應電壓與環流影響研究的過程，能夠對環流與感應電壓計算、接地系統校驗工作開展產生積極影響，值得展開深層探討。

1 GIS分析

GIS（如圖1所示）是高壓電網建設重要組成，會在金屬鋁殼內展開接地刀閘、母線以及斷路器等設備封裝，在其中充入一定量的SF6氣體，保證供電容量可以得到切實提升，以便對高壓設備易損壞問題進行有效處理。由于受到GIS導電桿工頻電流的影響，會產生一定量電磁感應，導致金屬外殼出現感應電壓，會經由地網、接地排等設備，形成外殼環流［1］。

圖1 氣體絕緣變電站

如果GIS運行較為穩定，三相電流能夠處于對稱狀態，則外殼所產生的環流與感應電壓數值也相對較低。如果存在內部閃絡或接地故障，可能會出現三相不平衡或三相電流大幅度提高的問題，對環流與外殼感應電壓產生較大干擾。

現階段，外殼感應電壓與環流研究多為單回母線分布規律分析為主，并沒有從變電站角度入手，進行整體建模與分析，研究不同工況與不同變電站運行方式所產生的影響，所以在此將以800kV三相分箱GIS變電站為例，通過進行變電站級仿真模型建設的方式，對外殼感應電壓與環流展開研究。

2 800k V三相分箱GIS變電站外殼感應電壓及環流

（1）外殼感應電壓與環流產生機理分析

在三相分箱處于穩定運行狀態過程中，外殼會沿特定長度通過短接連排的方式，在兩端形成閉合回路，且母線回路和外殼回路處于同軸狀態，通過形成互感線圈等方式，產生一定量的電磁耦合［2］。在此過程中會形成三相分箱GIS等效電路，電路具體情況如圖2所示。

圖2 三相分箱GIS等效電路圖

在出現外部三相短路故障時，三相電流會繼續保持對稱狀態，但幅值會出現有所增加的趨勢。三相短路故障的出現，并不會使導桿電流出現負序分量以及零序分量的問題，需要通過對外殼等電流值進行計算的方式，明確外殼感應電壓以及其他方面的具體情況。感應電壓呈現出兩邊高、中間低的規律，穩定狀態運行時的規律基本相同。

（2）構建變電站仿真模型

1）GIS母線模型。因為研究重點是對感應電壓以及殼體環流進行分析，所以采用簡化計算模式很難達到預期目標，需要對外殼和導桿之間相互耦合作用等各項內容進行分析，可運用軟件展開母線模型的搭建。通過將各項相關參數輸入到模塊中的方式，自動完成三箱分箱母線模型的制作［3］。

2）GIS設備模型。GIS變電站包括電壓互感設備、變壓器以及斷路器等設備，可通過構建高頻等效模型的方式，對設備展開等效簡化處理。因為研究主要以外殼感應環流和電壓研究為主，所以設備參數在工頻感應電壓方面的影響相對較低。本次研究主要以短接接地點位置電流和電壓研究為主，會按照變電站額定參數以及實際尺寸具體情況，展開變電站完整電路仿真模型的構建。通過對仿真模型的分析，對入口電容以及三相電壓源等內容進行模擬，合理展開三相電壓源線電壓設置，按照實際尺寸對短接排電感以及電阻進行計算［4］。通過對建模模塊的應用，進行負荷等效處理，展開各處負載電阻與電感設置。做好主變分支以及出線分支三相電流有效值設置，保證兩條母線三相電壓的對稱程度，并且在模型應用過程中，沒有發現存在三相不平衡問題。

3）多工況分析。①在穩定運行狀態下，主變分支的三相環流以及外殼感應電壓幅度相對較大，主要是因為主變分支進線和負載分支之間存在較大距離，負載和電源、線路之間的等效回路相對較長，所以很容易會出現環流和電壓數值上升的情況。外殼感應電壓幅值呈現出B相最低、C相最高的特點，環流幅值呈現出B相最高、A相和C相幅值相對較接近的情況；②在出現外部單相短路故障時，假設故障在A相位置，通過模型仿真分析發現，環流和電壓幅值均出現增加狀態，故障分支套管以及連接點的短接接排，均存在幅值增加的情況。無論任意一條線出現故障問題，所在位置均呈現出感應電壓幅值A相最高、C相最小特點，環流幅值呈現出A相最高、B相最小特點；③外部三相短路故障出現時，外殼感應電壓幅值增加幅度并不明顯，環流數值會出現明顯加大的情況，幅值增加數甚至能夠達到數十千安。感應電壓呈現出C相最高、B相最低的特點，環流數值B相最高、AC兩相較為接近，連接點位置外殼環流分布和套管位置處于完全相反狀態；④單電源供電。短接接地點位置處于穩定狀態，進出線套管位置即便并不穩定，整體環流以及感應電壓的幅值也相對較小，與完整串運行分布規律保持基本相同，因此在進行分析時，只需要對進出線套管位置基本情況進行分析，通過和完整串運行對比分析發現，進出線套管位置的環流與感應電壓呈現出明顯增加的狀態，能夠達到完整串運行時的兩倍左右，系統中其他位置所受的影響可以忽略不計；⑤單母線供電。如果母線出現停運問題，和隔離開關組以及相連斷路器保持斷開狀態，單純依靠母線傳輸功率，在進出線套管位置以及設備連接等位置的環流和感應電壓并不會發生明顯改變，母線和設備連接位置環流的整體變化幅度相對較大。處于單母線供電環境之中，和母線連接位置A相環流呈現出明顯增加的態勢，而C相環流呈現出明顯減少的狀態。連接點連接母線序號和B相環流改變有著直接關聯，當一連接位置環流出現增加狀況時，另一位置環流可能會出現相應減少的狀態［5］。

（3）總結與分析

為對三相分箱GIS變電站外殼感應環流與電壓進行深入性探討，通過構建仿真模型的方式，對各種運行方式以及工況下的環流與感應電壓分布規律展開研究。研究獲得以下幾項結論：①在變電站處于穩定運行狀態時，感應電流與環流在進出套管位置最為強烈，其中C相感應電壓幅值最高，B相最低，而B相環流幅值最高，C相和A相幅值相對較為接近；②如果出現外部單相短路故障，主變分支和故障回路之間電氣距離相對較長，此時外殼感應電壓數值如果相對較高，故障回路所在串短接接地點數量會對外殼環流數值產生直接影響；③如果存在外部三相短路故障，外殼環流會出現明顯上升狀態，感應電壓滿足中間相低、邊相較高的規律，會在故障分支套管短接接地位置存在外殼環流最大值；④運行方式改變對于環流與外殼感應電壓并不會產生較大影響，而導桿電流變化會直接影響計算結果，需要保證串運行方式完整性，才能將GIS變電站環流與感應電壓更好地表征出來；⑤在進行變電站外殼感應電流與環流校核過程中，需要對共占一條主接線串負載分支、獨占一條主接線串主變分支進行重點分析，需要在進行變電站接地系統設計過程中，做好負載分支與主變分支位置接地排與短接排安裝，并適當減少設備位置與母線位置數量，保證變電站運行穩定程度［6］。

3 外殼感應電壓與環流分析未來建議

由于GIS變電站在投入使用之后，曾經出現多起因為外殼環流問題而導致的故障，對變電站正常運行與發展產生不利影響，所以今后需要進一步加大對外殼環流以及感應電壓分析的研究力度［7］。不僅要加強對外殼環流分布特性的分析，同時還要通過構建仿真模型的方式，利用仿真模擬方法進行環流分布情況以及其他方面內容研究，明確在不同工況下環流數值具體影響規律［8］。需要不斷對仿真計算模型以及仿真模型構建軟件等內容進行研究，結合實際應用過程中存在的問題，不斷對模型構建以及分析方式進行完善和調整，確保能夠對外殼整體感應環境有更加清晰的認知，能夠更好地對電壓以及環流分布規律進行掌握，進而為變電站整體運行調整以及優化處理提供可靠支持，保證相應研究工作作用和價值能夠得到最大限度發揮，能夠對接地系統校驗以及環流測量等各項工作開展形成有效指導，可以更好地對800kV三相分箱GIS變電站運行提供管理和技術支持。

4 結束語

外殼感應電壓和環流問題是不可忽視的重要問題，需要通過構建模型的方式，對變電站的外殼各項數據變化情況進行分析，明確變電站的具體運行風險。在確定各種狀態以及各種工況情況下，掌握外殼感應電壓和環流的變化情況，以便制定出有效的環流問題處理方案，確保變電站的運行能夠達到預期，進而不斷提高變電站運行穩定性，確保變電站能夠在供電網絡運行中發揮出更大的作用。