孫義,劉景暉，徐逸清，史大軍

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

氣體絕緣線(xiàn)路(gas insulated line，GIL)是一種氣體絕緣金屬封閉式輸電線(xiàn)路，其載流能力強(qiáng)，損耗低，敷設(shè)受地形限制小。隨著電網(wǎng)發(fā)展和網(wǎng)架建設(shè)，越來(lái)越多超特高壓GIL應(yīng)用于輸電線(xiàn)路中，例如蘇通GIL、白鶴灘水電站GIL等。以特高壓同塔雙回架空線(xiàn)-雙回GIL混合輸電線(xiàn)路為例，線(xiàn)路中一回正常運(yùn)行，另一回檢修時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)間存在電磁場(chǎng)耦合，耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流是工程設(shè)計(jì)中接地刀閘選型的重要依據(jù)。GIL兩側(cè)具有引接站，站內(nèi)額外配置了接地刀閘，即含GIL的輸電通道中單回線(xiàn)路使用了4把接地刀閘。而GIL回路間電磁感應(yīng)關(guān)系與架空線(xiàn)路間不同，因此需研究含GIL混合線(xiàn)路回路間電磁感應(yīng)關(guān)系，從而為GIL引接站以及架空線(xiàn)路兩側(cè)接地刀閘的選型提供理論依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)同塔多回架空線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流已展開(kāi)大量計(jì)算研究[1]。導(dǎo)線(xiàn)間靜電感應(yīng)是導(dǎo)致檢修線(xiàn)路上產(chǎn)生容性感應(yīng)電壓的主要原因，而電磁感應(yīng)是導(dǎo)致感性感應(yīng)電流產(chǎn)生的主要因素[2—4]。對(duì)于同塔多回路線(xiàn)路，檢修線(xiàn)路上容性感應(yīng)電壓與運(yùn)行線(xiàn)路的電壓成正比，而與線(xiàn)路長(zhǎng)度、潮流無(wú)關(guān)[5—6]。感性感應(yīng)電流和輸送功率成正比，與線(xiàn)路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)[7—8]。目前針對(duì)GIL電磁感應(yīng)關(guān)系的研究主要集中于GIL本身的結(jié)構(gòu)[9—11]。GIL具有金屬外殼，具備電場(chǎng)屏蔽作用，因此GIL相間完全容性解耦[12—13]。由于GIL外殼尺寸設(shè)計(jì)特殊，GIL外殼電阻很小且感應(yīng)有與導(dǎo)桿幅值相同、相位相反的電流，因此對(duì)外界具有較好的磁場(chǎng)屏蔽作用[14—16]。現(xiàn)階段對(duì)GIL設(shè)備本體電磁感應(yīng)的研究已較為全面，但針對(duì)GIL在實(shí)際輸電線(xiàn)路的應(yīng)用研究較少，而未來(lái)將會(huì)有更多GIL應(yīng)用在輸電線(xiàn)路中。為指導(dǎo)含GIL混合輸電線(xiàn)路地刀的選型，亟需開(kāi)展相關(guān)電磁感應(yīng)研究。

文中基于含GIL的特高壓同塔雙回架空線(xiàn)路進(jìn)行了感應(yīng)電壓、電流的理論計(jì)算和公式推導(dǎo)。并建模仿真研究了GIL在線(xiàn)路中不同位置、不同長(zhǎng)度占比對(duì)感應(yīng)電壓、電流的影響。

1 GIL電氣參數(shù)

GIL在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于單芯電力電纜。區(qū)別在于，GIL的導(dǎo)桿為環(huán)形導(dǎo)體，主絕緣為SF6氣體，外殼相當(dāng)于非鎧裝電纜的金屬護(hù)層，無(wú)護(hù)層絕緣[17]。單回水平一字排列的GIL結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水平一字排列GIL結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of horizontal line up GIL

將GIL外殼也視為導(dǎo)體，則GIL組成的輸電線(xiàn)路由6根導(dǎo)體和大地構(gòu)成，6根導(dǎo)體互相平行并與地面平行，大地可作為回流的通路。利用卡松-克萊姆電磁波理論，用6個(gè)平行的“導(dǎo)體-大地”回路代替三相系統(tǒng)[15—16]。

根據(jù)式(1)可求得單回GIL阻抗矩陣，經(jīng)換算可得電阻、電感矩陣。

(1)

式中：zii為導(dǎo)體i自阻抗；zij為導(dǎo)體i和導(dǎo)體j互阻抗，且i=1,2,3，j=1,2,3，i≠j；ri為導(dǎo)體i單位長(zhǎng)度電阻值，可計(jì)及導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)；f為頻率；DCA為卡松深度；GMR為導(dǎo)體幾何平均半徑；dij為導(dǎo)體i和導(dǎo)體j的中心距。

GIL導(dǎo)桿和外殼之間電容為Ccs，而外殼不僅與大地之間存在自電容Csisi，還與其他相的外殼之間存在互電容Csisj，如圖2所示。

圖2 GIL導(dǎo)桿外殼電容網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Capacitance network of GIL core and shell

由于外殼均接地，導(dǎo)電桿除了與本相的外殼存在電容外，與其他相的外殼、導(dǎo)電桿均無(wú)靜電聯(lián)系，各相外殼起到靜電屏蔽作用。因此三相GIL電容矩陣如式(2)所示。其中負(fù)號(hào)僅表示導(dǎo)桿與外殼之間互電容的含義，沒(méi)有實(shí)際物理意義。根據(jù)同軸電纜電容計(jì)算公式(3)可得Ccs。根據(jù)式(4)利用鏡像法計(jì)算自電位系數(shù)和互電位系數(shù)，計(jì)算得到的電位系數(shù)構(gòu)成電位矩陣后，對(duì)矩陣求逆便可得到外殼的電容矩陣，代入GIL電容矩陣即可計(jì)算得到GIL電容參數(shù)[18—20]。

(2)

(3)

(4)

式中：αii為導(dǎo)體i自電位系數(shù)；αij為導(dǎo)體i和導(dǎo)體j互電位系數(shù)；ε為介電常數(shù)值；r1為導(dǎo)電桿外半徑；r2為外殼內(nèi)半徑；h為GIL中心與地平面的距離。

2 含GIL線(xiàn)路感應(yīng)電壓和電流計(jì)算

GIL外殼截面很大，單位長(zhǎng)度截面電阻很低，因此在外殼上感應(yīng)的電流與對(duì)應(yīng)的相電流幾乎等幅，但方向相反[13—14]。在GIL外部一定位置，由導(dǎo)桿和外殼上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)基本可以抵消，因此GIL相間基本感性解耦。GIL外殼每隔一段距離會(huì)緊固互聯(lián)，且外殼接地，金屬外殼有靜電屏蔽的效果，因此GIL相間容性解耦。

對(duì)于同塔雙回架空線(xiàn)路，運(yùn)行線(xiàn)路在檢修線(xiàn)路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流已有大量文獻(xiàn)詳述[3—6]。以檢修線(xiàn)路A相為例，當(dāng)檢修線(xiàn)路首末端的接地刀閘斷開(kāi)時(shí)，靜電感應(yīng)電壓分量在感應(yīng)電壓中占主導(dǎo)作用，電磁感應(yīng)電壓分量數(shù)值較小。因此檢修線(xiàn)路上首末端感應(yīng)電壓為：

(5)

式中：U1，U2分別為線(xiàn)路首段、末端的電壓；UA，UB，UC為三相電壓；CoAa，CoBa，CoCa為單位長(zhǎng)度線(xiàn)路間分布電容；Coa為A相單位長(zhǎng)度對(duì)地電容。當(dāng)檢修線(xiàn)路首末端的接地刀閘閉合時(shí)，電磁感應(yīng)電流分量在感應(yīng)電流中占主導(dǎo)作用，靜電感應(yīng)電流分量數(shù)值較小，一般忽略。因此檢修線(xiàn)路上首末端感應(yīng)出的接地電流為：

(6)

式中：I1，I2分別為線(xiàn)路首段、末端電流；IA，IB，IC分別為三相電流；MoAa，MoBa，MoCa為單位長(zhǎng)度線(xiàn)路間的互感；Lo為架空線(xiàn)單位長(zhǎng)度自感。

當(dāng)架空線(xiàn)路中存在GIL時(shí)，由于GIL相間近似完全解耦，即GIL相間不存在靜電和電磁感應(yīng)。因此含GIL的雙回線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流計(jì)算如下：

(7)

(8)

式中：x為GIL段長(zhǎng)度；l為架空線(xiàn)段長(zhǎng)度；Lg為GIL單位長(zhǎng)度自感；Cga為GIL單位長(zhǎng)度對(duì)地電容。

3 特高壓GIL電磁耦合仿真分析

3.1 特高壓線(xiàn)路模型

利用EMTP-ATP進(jìn)行仿真建模計(jì)算。線(xiàn)路由300 km架空線(xiàn)路和6 km GIL組成，分別考慮GIL布置在變電站母線(xiàn)位置(右側(cè)母線(xiàn))、線(xiàn)路中間位置以及不布置GIL純架空線(xiàn)路3種情況，線(xiàn)路示意圖如圖3所示。300 km同塔雙回架空線(xiàn)路完成一次完整換位。當(dāng)GIL在線(xiàn)路中間時(shí)，GIL兩側(cè)為引接站，站內(nèi)各回線(xiàn)路均配置有接地刀閘，架空線(xiàn)路兩側(cè)也均配置有接地刀閘。因此GIL在線(xiàn)路中間時(shí)，檢修的一回線(xiàn)路上共需要?jiǎng)幼?把地刀，如圖3(a)所示。當(dāng)GIL在變電站母線(xiàn)位置，接地刀閘由于位置重合減少1把，即共3把地刀，如圖3(b)所示。而對(duì)于全架空線(xiàn)路，在線(xiàn)路兩側(cè)共有2把地刀，如圖3(c)所示。

圖3 線(xiàn)路模型示意Fig.3 Schematic diagram of line model

架空線(xiàn)路采用8×630 mm2截面分裂導(dǎo)線(xiàn)，特高壓桿塔掛線(xiàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中水平距離為相對(duì)桿塔中心線(xiàn)距離，豎直距離已扣除絕緣子串長(zhǎng)度。該線(xiàn)路單回最大輸送能力約10 500 MW。GIL空間布置如圖4所示，GIL導(dǎo)桿的內(nèi)徑、外徑分別為85 mm，100 mm；外殼內(nèi)徑、外徑分別為420 mm，430 mm。

表1 特高壓雙回桿塔掛線(xiàn)參數(shù)Table 1 Hanging parameters of UHV double circuit tower m

圖4 GIL空間布置示意Fig.4 Schematic diagram of GIL space layout

3.2 GIL位置的影響

計(jì)算檢修線(xiàn)路感應(yīng)電壓、電流時(shí)，考慮運(yùn)行線(xiàn)路滿(mǎn)載運(yùn)行，即線(xiàn)路潮流達(dá)10 500 MW。分別計(jì)算GIL在變電站母線(xiàn)位置、GIL在線(xiàn)路中間以及無(wú)GIL線(xiàn)路3種情況下的感應(yīng)電壓、電流。容性感應(yīng)電壓以及感性感應(yīng)電流計(jì)算結(jié)果如表2所示，分別記錄了線(xiàn)路側(cè)以及GIL側(cè)最大的感應(yīng)電壓或電流值。

表2 特高壓線(xiàn)路感應(yīng)電壓和電流Table 2 Induced voltage and current of UHV transmission line

根據(jù)結(jié)果可得，當(dāng)線(xiàn)路中存在GIL時(shí)，容性感應(yīng)電壓降低了約17%。GIL在邊側(cè)和GIL在中部時(shí)，容性感應(yīng)電壓變化不大，變化幅度約為3%。GIL單位長(zhǎng)度電容值較于架空線(xiàn)更大，此算例中約大3倍，由式(7)可得，GIL的加入使得分母電容值增加，對(duì)于分子部分容性感應(yīng)分量沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此存在GIL的線(xiàn)路相較于純架空線(xiàn)路容性感應(yīng)電壓略低。

比較各工況感性感應(yīng)電流，GIL在邊側(cè)相較于無(wú)GIL工況其感應(yīng)電流略低約0.3%。GIL單位長(zhǎng)度電感值較架空線(xiàn)更小，此算例中約為0.4倍，根據(jù)式(8)分析，GIL的加入使得分母電感值略有增加，而分子感性感應(yīng)分量沒(méi)有變化，因此GIL的存在會(huì)略微較低感應(yīng)電流。

GIL在中部感性感應(yīng)電流增大幅度較大，從表面上看不符合式(8)分析原理，因此針對(duì)GIL在中部情況開(kāi)展詳細(xì)計(jì)算分析。從左至右依次以“合分合合”表示地刀動(dòng)作情況，即線(xiàn)路兩側(cè)地刀閉合，GIL左側(cè)地刀打開(kāi)，右側(cè)地刀閉合。不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)部分計(jì)算結(jié)果如表3所示。當(dāng)?shù)氐稜顟B(tài)為“合分分合”時(shí)，GIL兩側(cè)地刀打開(kāi)，架空線(xiàn)兩側(cè)地刀閉合，該工況感應(yīng)電流值約236.5 A，略低于無(wú)GIL工況結(jié)果，與GIL在邊側(cè)結(jié)果近似。而當(dāng)GIL兩側(cè)地刀有閉合動(dòng)作時(shí)，感應(yīng)電流計(jì)算結(jié)果有較大幅度增加。

表3 GIL位于中部時(shí)感應(yīng)電流Table 3 Induced current result of GIL in the middle A

此現(xiàn)象由架空線(xiàn)路換位結(jié)構(gòu)引起，以“合分合合”工況為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖5(a)所示，算例中架空線(xiàn)路完成一次完整換位(50 km-100 km-(100 km+6 km)-50 km)，由于GIL長(zhǎng)度較短，在設(shè)計(jì)換位時(shí)忽略了其長(zhǎng)度，目前蘇州—泰州特高壓通道(含蘇通GIL段)與該換位方式類(lèi)似；而如圖5(b)所示，GIL在線(xiàn)路中間相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩側(cè)的架空線(xiàn)路各完成一次完整換位(25 km-50 km-50 km-25 km)。對(duì)于圖5(a)的線(xiàn)路，當(dāng)GIL右側(cè)地刀和架空線(xiàn)左側(cè)地刀閉合時(shí)，即“合分合合”工況。感應(yīng)電流流經(jīng)Ⅰ、Ⅱ段線(xiàn)路，由于Ⅰ、Ⅱ段線(xiàn)路并未構(gòu)成完整換位，線(xiàn)路中感應(yīng)電流不平衡度較大，感應(yīng)電流約為301.3 A。而對(duì)于圖5(b)的線(xiàn)路，GIL兩側(cè)線(xiàn)路均為對(duì)稱(chēng)換位結(jié)構(gòu)，“合分合合”工況感應(yīng)電流約為238.5 A，感應(yīng)電流較大幅度降低。綜上得出算例中GIL在中間位置感應(yīng)電流較大幅度增加是由于架空線(xiàn)路不完全換位，而非GIL本身的影響。當(dāng)GIL兩側(cè)線(xiàn)路完全換位時(shí)，感應(yīng)電流變化規(guī)律符合式(8)。

圖5 GIL在線(xiàn)路中間位置示意Fig.5 Schematic diagram of GIL in the middle of the line

3.3 GIL占比的影響

以GIL在變電站母線(xiàn)側(cè)工況為例，分別計(jì)算GIL長(zhǎng)度為6 km，18 km，36 km,54 km，72 km，即在整條線(xiàn)路中長(zhǎng)度占比為2%，5.7%，10.7%，15.3%，19.4%時(shí)運(yùn)行線(xiàn)路對(duì)檢修線(xiàn)路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流影響情況。

計(jì)算中控制運(yùn)行線(xiàn)路輸送功率保持一致。感應(yīng)電壓、電流計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)如圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨GIL在線(xiàn)路中占比的增加而遞減。GIL在線(xiàn)路中長(zhǎng)度占比增加約10%，檢修線(xiàn)路上感應(yīng)電壓降低約8.3%，而感應(yīng)電流降低約4.4%。由于算例中GIL單位長(zhǎng)度電容大于架空線(xiàn)而電感小于架空線(xiàn)，感應(yīng)電壓隨占比增加的降低幅度高于感應(yīng)電流的降低幅度，其變化趨勢(shì)與理論分析基本一致。

圖6 感應(yīng)電壓電流隨占比變化情況Fig.6 Variation of induced voltage and current with duty ratio

4 結(jié)論

文中對(duì)含GIL的特高壓同塔雙回架空線(xiàn)路開(kāi)展了感應(yīng)電壓、電流計(jì)算研究，得出GIL的存在、安裝位置以及長(zhǎng)度占比對(duì)感應(yīng)電壓電流的影響。主要結(jié)論如下：

(1)GIL設(shè)備本體相間幾乎完全解耦，GIL回路間幾乎不提供電磁感應(yīng)。當(dāng)GIL應(yīng)用在變電站母線(xiàn)出口位置時(shí)，相較于全架空線(xiàn)路，運(yùn)行線(xiàn)路對(duì)檢修線(xiàn)路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流均略有減小。此類(lèi)情況混合線(xiàn)路地刀的選型基本與全架空線(xiàn)路相同。

(2)GIL在線(xiàn)路中間位置時(shí)，感應(yīng)電流相較于GIL在變電站母線(xiàn)位置有較大幅度增加。這是因?yàn)檎麠l架空線(xiàn)路完成一次完整換位，GIL一側(cè)線(xiàn)路并未構(gòu)成完整換位。除架空線(xiàn)兩側(cè)地刀閉合外，GIL兩側(cè)地刀閉合時(shí)，感應(yīng)電流流經(jīng)的回路段沒(méi)有完整換位，具有較大不平衡度，導(dǎo)致幅值增加。此類(lèi)情況地刀選型將區(qū)別于全架空線(xiàn)路，工程設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)計(jì)算。

(3)特高壓同塔雙回架空線(xiàn)路中存在GIL時(shí)相較于同等工況純架空線(xiàn)路，其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流更低。GIL在線(xiàn)路中長(zhǎng)度占比越大，降低幅度越大，且感應(yīng)電壓降低幅度大于感應(yīng)電流降低幅度。