國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司 任顯銘 陳柯寧 段晨陽

GIL是一種新型的輸電方式，具有容量大、損耗低以及壽命長的特點(diǎn)。在對線路整改過程中，應(yīng)用三相共箱GIL輸電技術(shù)對供電線路進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計，電力系統(tǒng)更安全、更可靠，并且此項(xiàng)技術(shù)備受關(guān)注和認(rèn)可，在實(shí)際應(yīng)用中，展現(xiàn)了顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

1 三相共箱GIL輸電技術(shù)優(yōu)勢分析

本文主要探討采取三相共箱GIL輸電技術(shù)進(jìn)行線路改造，以提高輸電線路的安全性。三相共箱GIL主要包括導(dǎo)體、殼體以及三支撐等部分構(gòu)成，優(yōu)勢特點(diǎn)顯著，能夠滿足電力運(yùn)輸需求，可以節(jié)省占地面積，能夠降低電力損耗，方便人員操作，并且防護(hù)強(qiáng)度高。支撐材料使用的是環(huán)氧樹脂環(huán)保材料，絕緣性能強(qiáng)，功能作用顯著，導(dǎo)體使用高導(dǎo)電率的鋁合金材料，殼體選擇耐腐蝕的鋁合金，并使用SF6氣體進(jìn)行填充，充分提高其絕緣性能。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮出高導(dǎo)電率、耐腐蝕性以及絕緣的優(yōu)勢，提高輸電線路的安全性。

與分相GIL相比，三相共箱GIL具有明顯的優(yōu)勢。其一，可以弱化相關(guān)部件的風(fēng)險，能夠提升安全系數(shù)，可以在相同的質(zhì)量條件下，三相共箱的關(guān)鍵部件數(shù)量是分相的30%，部件數(shù)量的降低使產(chǎn)品故障率得到有效控制，據(jù)計算產(chǎn)品故障率已降低至25%。其二，將供電線路整改成三相共箱GIL結(jié)構(gòu)能夠大幅縮短安裝工期。在具體開展相關(guān)作業(yè)過程中，主要應(yīng)用的是GIL結(jié)構(gòu)，由于工程單元較多，采取和應(yīng)用GIL結(jié)構(gòu)，能夠最大限度滿足使用需求，此種模式下，切實(shí)提高了施工效率，促使施工進(jìn)度計劃持續(xù)地推進(jìn)，施工效率更高，施工質(zhì)量也有保障，有利于在預(yù)期的工期內(nèi)完工建設(shè)。其三，三相共箱GIL內(nèi)部導(dǎo)體是品字形結(jié)構(gòu)，外殼渦流產(chǎn)生的損耗也會相應(yīng)降低，通過計算設(shè)備總體損耗能夠降至34%以下。可以說，三相共箱GIL的應(yīng)用影響了“碳達(dá)峰”號召，有效解決了供電線路損耗的問題。其四，三相共箱GIL與分相GIL結(jié)構(gòu)相比較，具有實(shí)際占用面積小，結(jié)構(gòu)很緊湊，切實(shí)節(jié)約了占地面積，節(jié)省人工同時，大幅降低設(shè)備的安裝成本。三相共箱GIL由殼體、導(dǎo)體和三支撐等部件組成[1]。殼體采用鋁合金管材支撐，內(nèi)部利用氣體填充；在每個GIL單元內(nèi)部僅存三根導(dǎo)體；而三支撐選用環(huán)氧樹脂材料制作而成，GIL的選材大幅降低了三相共箱GIL的結(jié)構(gòu)質(zhì)量縫，而部件的排列使空間利用率達(dá)到最大化。

2 三相共箱GIL輸電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 總體布局

考慮到變電站實(shí)際情況，采取三相共箱結(jié)構(gòu)為主，以分箱為輔的電路設(shè)計，采取架空敷設(shè)、地面敷設(shè)方式。該設(shè)計方式能夠充分融合三相共箱GIL的優(yōu)勢，保證輸電線路結(jié)構(gòu)靈活，能夠靈活補(bǔ)償適應(yīng)。三相共箱GIL主要應(yīng)用在主線路的電能輸送上，分箱則用于輔助線路連接上。提前通過三維建模軟件進(jìn)行線路模擬，確保輸電線路不會對周圍建筑、公路等結(jié)構(gòu)造成影響，再通過力學(xué)校核以及微調(diào)方案形成最終方案。

2.2 參數(shù)設(shè)計

GIL輸電作為全新的輸電方式，可靠度高、損耗度低、輸電量大，通過合理規(guī)劃可滿足大部分工程需要，具有較高的可靠度。三相共箱GIL輸電成本可控，推廣性好，應(yīng)用范圍廣泛，廣受市場的青睞，在此種結(jié)構(gòu)下，能夠縮短各個相之間的距離，實(shí)現(xiàn)對成本管控的同時，能夠避免發(fā)生不必要的問題。此外，三相共箱GIL輸電的磁場增加，對于支撐絕緣子提出更高要求也可能引起GIL振動。因此，計算短路電動力，通過建立GIL磁場模型，使用磁矢勢建立方程組，通過時域分析計算磁場和感應(yīng)電流分布。計算單位：電動力，公式為：

J=▽×（μ-1）▽×A

B=▽×A

F=∫J×Bdv

其中，J表示電流密度，μ表示磁導(dǎo)率，A表示磁矢勢，F(xiàn)表示洛倫茲力，B表示磁通密度，d表示導(dǎo)電桿長度。

按照要求三相試驗(yàn)中，任何一相中電流和三相電流均值之間差值不應(yīng)超過10%。尤其是非對稱短路時，短路相電流值為0，未達(dá)到要求。因此，使用三相短路電流進(jìn)行三相共箱試驗(yàn)，進(jìn)行短時耐受和峰值耐受的電流試驗(yàn)[2]。研究發(fā)現(xiàn)，大功率供電電路有三相短路的情況，為此，為避免出現(xiàn)上述問題，需要保持公平持續(xù)的穩(wěn)定性；阻抗為（R+R’）+jω（L+L’）。電路在短路后處于暫態(tài)狀態(tài)，左側(cè)阻抗變?yōu)镽+jωL，電流逐漸增大至?xí)簯B(tài)電流。電路右側(cè)應(yīng)用的是無源網(wǎng)絡(luò)，觀察可見有電流消減的情況，電流最大值只能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流值水平。

在短路發(fā)生前由于短路電流大，也會造成短路電動力值增加，短路時間逐漸延長會造成短路電流衰減，逐漸交流分量，這時三相電流基本達(dá)到同一水平，低于瞬態(tài)短路電動力。在短路發(fā)生前0.1s，當(dāng)額定短路電流達(dá)到63kA水平時，0.01s時短路電流處于最高水平，可達(dá)到160kA水平。

因此，建立GIL幾何模型，施加三相短路電流，根據(jù)瞬態(tài)電磁場，計算殼體、導(dǎo)體以及空氣中國磁通密度、電流密度以及電動力數(shù)值。在殼體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)電桿，可選擇三支柱絕緣子、單支柱絕緣子等，建立高低電位隔離。三根導(dǎo)電桿可以采取一字形、異形等邊等不同布置形式本文采取等邊布置形式進(jìn)行研究，建立如圖1所示的仿真模型。其中，殼體厚度為100mm，殼體外徑為580mm，導(dǎo)電桿厚度15mm，導(dǎo)電桿直徑100mm，空氣域直徑2500mm，分度圓直徑280mm。導(dǎo)電桿和殼體均選擇鋁合金材料，殼體內(nèi)部填充SF6絕緣氣體，外部為空氣?？茖W(xué)設(shè)定模型的厚度，通過增加導(dǎo)電桿的截面，防范出現(xiàn)短路的情況，仿真模型中由于空氣域尺寸遠(yuǎn)超過殼體尺寸，將空氣域邊緣作為磁絕緣。

圖1 仿真模型

對模型進(jìn)行計算分析，觀察在短路電流條件下GIL磁通密度以及電流密度變化，獲取導(dǎo)電桿水平和豎直方向上的電動力分力。B相上產(chǎn)生短路電動力的最大值，即在相角為-30°時產(chǎn)生短路電動力最大值4680N/m，時間為0.0088s。

如采取一字形布設(shè)導(dǎo)體，那么可以通過公式進(jìn)行短路電動力值的計算，公式為：

2.3 絕緣子設(shè)計

當(dāng)電路發(fā)生短路后會產(chǎn)生大量熱量，從而形成電動力，對電路穩(wěn)定性和設(shè)備性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在設(shè)計上需要重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇更理想的絕緣子，提高其耐振動、耐短路的能力，從而應(yīng)對短路故障的發(fā)生。在三相共箱結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電桿主要承受著短路電動力的破壞，同時絕緣子需要承受導(dǎo)電桿的共同作用。在三相導(dǎo)電桿之間短路電動力也會根據(jù)時間的變化產(chǎn)生加強(qiáng)或者抵消的作用，如上文所提到的，當(dāng)短路電動力達(dá)到峰值水平時，導(dǎo)電桿電動力受力方向完全不同。承受電動力的同時，導(dǎo)電桿承受電動力也會產(chǎn)生互相作用，電動力組合作用將對絕緣子造成更大的應(yīng)力作用，同時由于三個導(dǎo)電桿受力方向的不同，很難在試驗(yàn)中模擬導(dǎo)電桿受力情況[3]。

由于絕緣結(jié)構(gòu)不同，在具體計算方面，需要依據(jù)瞬態(tài)短路電動力進(jìn)行計算，從不同維度分析絕緣子受力情況，并以此分析絕緣子性能強(qiáng)度。受電動力等因素的影響，對導(dǎo)電桿的形態(tài)產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)電桿會發(fā)生彎矩情況，而此時，絕緣子需要承受額外的作用力，此時，在力的相互作用下，展開進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)，進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，分析影響因素，找出干燥因素，并做出全面的分析和評估。當(dāng)兩相導(dǎo)電桿之間產(chǎn)生電動力斥力作用，絕緣子同時也將承受導(dǎo)電桿之間的互相斥力作用，可通過斥力試驗(yàn)對絕緣子強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.4 抗振設(shè)計

短路電動力與GIL結(jié)構(gòu)之間存在共振作用力，若是出現(xiàn)線路短路的情況，會造成線路損壞，為解決上述問題，通過分析瞬時短路電動力等因素，對GIL抗振強(qiáng)度進(jìn)行分析，判斷GIL是否達(dá)到抗振設(shè)計要求。

2.5 補(bǔ)償設(shè)計

由于GIL采用金屬外殼，隨著環(huán)境溫度變化不可避免產(chǎn)生熱脹冷縮問題，需要通過補(bǔ)償設(shè)計解決開裂等問題?？刹扇∽匀晃昭a(bǔ)償、金屬波紋管補(bǔ)償兩種方式設(shè)計。自然吸收補(bǔ)償借助于管道自適應(yīng)撓度來釋放變形能量，即彈性變形。但該方法存在不穩(wěn)定性，難以適應(yīng)熱脹冷縮引起的變形變化，從而達(dá)不到補(bǔ)償效果。金屬波紋管補(bǔ)償需要計算GIL發(fā)生的變形量，并根據(jù)變形量值選擇補(bǔ)償器，以滿足熱脹冷縮的變形要求。補(bǔ)償器波紋結(jié)構(gòu)的剛度強(qiáng)，可以適應(yīng)溫度變化引起的變形，補(bǔ)償器具有穩(wěn)定性優(yōu)勢，更符合要求。

2.6 管道設(shè)計

GIL管道尺寸主要使用2500mm以上尺寸管道，管道之間保持800mm間距。根據(jù)道路走勢，一般情況下直路段長度為100m左右，在拐彎和水平位置上設(shè)置伸縮節(jié)，角度偏轉(zhuǎn)適應(yīng)熱脹冷縮變化。長距離跨路使用桁架支撐管道，跨越高度可達(dá)到12m。

2.7 氣室設(shè)計

選擇密度繼電器上配置變送器，方便于控制室同步獲取溫度、密度數(shù)據(jù)，更有利于控制室對線路的在線監(jiān)控。

2.8 接地設(shè)計

采取多點(diǎn)接地設(shè)計，截面應(yīng)滿足長時間接受接地短路電流以及感應(yīng)電流的要求，GIL輸電線路接地方式發(fā)生了變化，主要是母線接地，將設(shè)備外殼與接地線進(jìn)行連接，之后與母線進(jìn)行連接；接地母線連接地網(wǎng)截面根據(jù)單相短路電流最大值的70%進(jìn)行計算。設(shè)計接地電極主要考慮接地故障電流的數(shù)值、土壤電阻率以及故障時間長度，并選擇防腐材料電極。一旦發(fā)生短路，設(shè)備外殼產(chǎn)生電壓降，為了保證設(shè)備周圍人員安全，需要將GIL連接主接地網(wǎng)，順沿GIL單元長度進(jìn)行間歇性接地。GIL管道連接架空線和套管。

2.9 在線監(jiān)測

利用在線監(jiān)測系統(tǒng)觀察線路運(yùn)行狀態(tài)，在線監(jiān)測系統(tǒng)主要可以分為故障監(jiān)測、管道位移監(jiān)測以及SF6氣體監(jiān)測三類。故障監(jiān)測系統(tǒng)主要對內(nèi)部故障信息展開監(jiān)測，能夠利用超聲波傳感器實(shí)時監(jiān)測超聲波信號，及時發(fā)現(xiàn)超聲波超過最大幅值的情況，對超聲信號進(jìn)行故障定位，指導(dǎo)檢修人員及時開展定位檢修工作。管道位移監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測受到環(huán)境溫度影響后發(fā)生熱脹冷縮引起管道位移問題。在線路中設(shè)置多個監(jiān)測點(diǎn)，傳感器會對位移數(shù)值進(jìn)行在線監(jiān)測，一旦超過位移界限，將發(fā)出警報信號提示檢修人員第一時間處理，能夠及時發(fā)現(xiàn)管道位移情況。SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)主要用于檢測SF6氣體密度以及溫度變化，當(dāng)氣體密度發(fā)生變化，或是水含量出現(xiàn)超標(biāo)的情況，可以第一時間發(fā)出預(yù)警；能夠及時提醒檢修人員進(jìn)行處理。

綜上所述，針對110kV普遍存在的安全隱患問題進(jìn)行優(yōu)化改造應(yīng)用三相共箱GIL輸電技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造。GIL輸電技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，在設(shè)計時需要建立模型分析短路電動力情況評價GIL線路性能，選擇合適的絕緣子和布置形式，再結(jié)合現(xiàn)場條件完善管道設(shè)計、接地設(shè)計以及在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，以保證提高110kV線路的安全性，消除安全隱患。