550kVGIS外殼感應(yīng)環(huán)流特性的仿真分析

郭 磊，范 冕，姚裕安

（1華中科技大學(xué)武昌分校，湖北 武漢430064；2國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074；3武漢工程大學(xué)，湖北 武漢430074）

GIS和HGIS設(shè)備都具有運(yùn)行穩(wěn)定、占地面積?。▋H為AIS設(shè)備的10%～25%）的優(yōu)點(diǎn)，然而也正是由于緊湊的特點(diǎn)，使得GIS外殼與其內(nèi)部導(dǎo)體之間的電磁耦合很強(qiáng).GIS設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)一定的回路，GIS外殼上將會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生.一方面，這種感應(yīng)電流（特別是GIS單相外殼上產(chǎn)生的感應(yīng)電流）的磁場(chǎng)抵消了在外殼外部的導(dǎo)體電流磁場(chǎng)，使得電磁對(duì)外部環(huán)境的影響減到最??；但另一方面，在外殼與地網(wǎng)回路中感應(yīng)的環(huán)流能導(dǎo)致殼外設(shè)備的局部發(fā)熱，產(chǎn)生很大的系統(tǒng)損耗，減小設(shè)備使用壽命.同時(shí)，在三相感應(yīng)電流不平衡的情況下，會(huì)導(dǎo)致外殼產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電勢(shì)，威脅變電站的安全運(yùn)行［1］.

根據(jù)我國(guó)已建成的550 k V的GIS變電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，許多GIS設(shè)備的故障往往都與其外殼不平衡環(huán)流有關(guān)［2］.目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有與GIS金屬外殼環(huán)流相關(guān)的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)［2］，因此有必要研究分析GIS金屬外殼環(huán)流的特性，以保證GIS變電站能安全、可靠地運(yùn)行，并為特高壓GIS變電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

本文利用EMTP程序?qū)?50 k V溪洛渡左岸變電站GIS的外殼接地感應(yīng)電流和各段接地點(diǎn)的入地電流進(jìn)行了仿真計(jì)算，并進(jìn)行了GIS外殼感應(yīng)電流影響因素的計(jì)算分析，提出了減小外殼與地網(wǎng)回路中感應(yīng)電流的GIS優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.

1 GIS外殼感應(yīng)電流產(chǎn)生的原理

GIS外殼與其內(nèi)部導(dǎo)體間的距離很小，兩者的電磁耦合很強(qiáng).這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得GIS外殼與內(nèi)部對(duì)應(yīng)導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)空心變壓器，導(dǎo)體為原邊，外殼為副邊，導(dǎo)致GIS外殼產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電勢(shì)，包含引起縱向電流的共模電勢(shì)和引起渦流的橫模電勢(shì).在GIS正常運(yùn)行的情況下，理論上認(rèn)為三相工作電流是平衡的，故其三相外殼分別產(chǎn)生的感應(yīng)電流在矢量和上趨于零，且感應(yīng)電流的磁場(chǎng)抵消了在外殼外部的導(dǎo)體電流磁場(chǎng)，使得電磁對(duì)外部環(huán)境的影響減到最小.但實(shí)際工程中即便是三相共箱式結(jié)構(gòu)的GIS設(shè)備，GIS外殼也不可能達(dá)到100%的屏蔽效應(yīng)，GIS外殼總會(huì)產(chǎn)生不平衡感應(yīng)電流.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生非全相的故障時(shí)，GIS外殼的不平衡感應(yīng)電流將更加明顯.

目前，550k V GIS都是采用三相分箱式結(jié)構(gòu)，但在GIS外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將相間外殼、盆式絕緣子兩側(cè)等非連接處加裝連接橋使整個(gè)GIS外殼形成全連式結(jié)構(gòu).當(dāng)GIS帶電運(yùn)行時(shí)，在GIS殼體、架臺(tái)、接地網(wǎng)或跨接于相間的短接裝置等形成的閉合回路中產(chǎn)生環(huán)流［3－4］.

一般來(lái)說(shuō)GIS外殼產(chǎn)生的環(huán)流有兩種路徑.一種是GIS外殼與地網(wǎng)通過(guò)架臺(tái)、接地引線等構(gòu)成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖1（a）所示；另一種是GIS相間外殼通過(guò)短接排構(gòu)成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖1（b）所示.

圖1 GIS外殼產(chǎn)生環(huán)流的示意圖

2 GIS外殼感應(yīng)電流的等效計(jì)算

GIS外殼的感應(yīng)電流與GIS的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式有關(guān).本文以550 k V溪洛渡左岸電站的GIS為例建立GIS外殼感應(yīng)電流的等效計(jì)算模型.根據(jù)溪洛渡550 k V變電站GIS主接線，其運(yùn)行接線方式有很多種，考慮一線一變的運(yùn)行方式進(jìn)行建模（選擇從“變壓器T8”通過(guò)“斷路器5153”到“出線3”的運(yùn)行方式，見(jiàn)圖2a所示），計(jì)算GIS外殼的感應(yīng)電流和各接地點(diǎn)入地電流.其單相示意圖如圖2b所示.

2.1 等效計(jì)算模型的建立

溪洛渡左岸變電站GIS三相采用連續(xù)型外殼多點(diǎn)接地方式，即在GIS某個(gè)分段內(nèi)，三相外殼首末端用銅排互聯(lián)，并將外殼上多點(diǎn)與明敷于混凝土基礎(chǔ)上的銅排輔助地網(wǎng)相接，輔助地網(wǎng)與預(yù)埋于混凝土基礎(chǔ)之下的主接地網(wǎng)相接.輔助地網(wǎng)為50 mm×6 mm的銅排，仿真計(jì)算中予以考慮.GIS運(yùn)行時(shí)母線的額定電流為4 000 A.

從監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，有67.74%的站點(diǎn)為垂直非均勻水體，32.26%的站點(diǎn)為垂直均勻水體。由圖1b可知，贛江北支入口以北區(qū)域均為B型水體；都昌至贛江北支入口段多水混合，水體流速、流態(tài)較為復(fù)雜，因此該區(qū)域存在A、B、C、D 4種類型的垂直分布特征；都昌至棠蔭附近區(qū)域和湖區(qū)主要為A、B型。

圖2 GIS模型接線示意圖

在運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，由于母線每隔一段距離加裝相間短路排，每相GIS的外殼又是全連式的.在三相平衡的條件下，若不考慮外殼環(huán)流損耗，所有的外殼電流都可以通過(guò)另兩相外殼返回，理論上沒(méi)有不平衡的感應(yīng)電流經(jīng)三相外殼互連后的接地引線流入大地.但在考慮外殼環(huán)流損耗的情況下，不平衡三相環(huán)流會(huì)在GIS外殼互連后的接地引下線產(chǎn)生入地電流，計(jì)算中不能忽略［5－6］.

根據(jù)圖2b中的示意圖可得到計(jì)算回路的原理圖，見(jiàn)圖3.圖中E0～E5是某一相GIS外殼的接地引下點(diǎn)和相間短接點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算圖3中R0～R5的支路電流，得到外殼與地網(wǎng)構(gòu)成回路產(chǎn)生環(huán)流值，通過(guò)計(jì)算圖3中G0～G5的支路電流，得到相間外殼構(gòu)成回路產(chǎn)生環(huán)流值.

圖3 GIS模型感應(yīng)電流計(jì)算原理圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

由于GIS每一段外殼導(dǎo)體與相鄰?fù)鈿?dǎo)體構(gòu)成的回路不同，其每一段的感應(yīng)電流值都不相同，不同位置接地引下線的入地電流值大小也不相同.根據(jù)計(jì)算原理圖，利用EMTP程序建立一個(gè)等效三維模型進(jìn)行綜合分析計(jì)算.正常工況下，即GIS導(dǎo)桿電流為4 000 A時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 8＃變壓器到“L3”出線感應(yīng)電流計(jì)算結(jié)果

由表1可以看到，在工況下，計(jì)算得到GIS外殼的最大感應(yīng)電流出現(xiàn)在母線外殼上，最大為3 992.0 A.其中，A 相、B相、C相每一相母線外殼感應(yīng)電流大小相差不大，且每一短接點(diǎn)處A、B、C三相不平衡系數(shù)也較小.母線外殼段感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消了在外殼外部的導(dǎo)體電流磁場(chǎng)，使得電磁對(duì)外部環(huán)境的影響減到最小.

GIS每段母線外殼通過(guò)架臺(tái)或其它接地導(dǎo)體與基礎(chǔ)上銅排輔助地網(wǎng)構(gòu)成的回路中，不同位置的架臺(tái)或接地導(dǎo)體流過(guò)的感應(yīng)電流值也不相同.計(jì)算得到的每一相接地段的感應(yīng)電流值與接地位置的關(guān)系見(jiàn)圖5.由圖可以看到，A相、C相的感應(yīng)環(huán)流值大于B相的（由于B相的高度略高于A相、C相），且A相、B相、C相的感應(yīng)環(huán)流大小隨接地位置都成U型分布，即GIS外殼與接地點(diǎn)間的感應(yīng)環(huán)流兩端處較大，中間處較小.

圖5 不同接地位置下外殼與地網(wǎng)回路的環(huán)流值

GIS外殼相間通過(guò)相間短路排連接（A相與B相連接，B相與C相連接），計(jì)算得到各相外殼間短接處感應(yīng)電流的分布如圖6所示.由圖可以看到，A、B相外殼間的感應(yīng)電流大小分布情況與B、C相的基本一致，都隨接地位置成U型分布，即GIS兩端處的感應(yīng)環(huán)流較大，中間處的較小.

圖6 不同接地位置下外殼相間回路的環(huán)流值

銅排輔助地網(wǎng)通過(guò)接地引下線與地下主地網(wǎng)連接，共有5處接地點(diǎn)（N1、N2、N3、N4、N5），計(jì)算得到的各點(diǎn)入地電流大小分布.由圖7可以看到，接地點(diǎn)入地電流隨接地位置成U型分布，即GIS兩端接地處的接地點(diǎn)入地電流較大，中間處的較小.

圖7 不同接地位置下入地電流的大小

綜上，連續(xù)型外殼設(shè)計(jì)的GIS在工況運(yùn)行情況下，外殼環(huán)流大小在GIS端部較大，中間位置較小.這一規(guī)律與各接地點(diǎn)入地電流的分布情況相同，端部接地點(diǎn)分流壓力最大（其大小為安培級(jí)），而回路中間位置接地點(diǎn)的入地電流較小，接近于0.這一分布規(guī)律及電流值大小與文獻(xiàn)［7］中實(shí)測(cè)得到規(guī)律基本一致.

3 GIS外殼感應(yīng)電流影響因素的計(jì)算分析

GIS外殼的環(huán)流是由母線與外殼耦合感應(yīng)產(chǎn)生，所以感應(yīng)電流的大小與母線電流的大小成正比.除此之外，外殼的環(huán)流及接地點(diǎn)入地電流還與GIS位置布置（相間距離）、母線外殼半徑、母線接地點(diǎn)間距及母線外殼高度等因素都有關(guān)系［8－9］.

GIS外殼每一段導(dǎo)體的感應(yīng)電流不盡相同.其中，GIS外殼與地網(wǎng)回路中感應(yīng)的環(huán)流會(huì)使架臺(tái)或與之連接的設(shè)備局部嚴(yán)重發(fā)熱，減小設(shè)備使用壽命.且會(huì)引起GIS設(shè)備局部對(duì)地電位升高，威脅工作人員的人身安全.所以在GIS的設(shè)計(jì)中要充分考慮到GIS外殼接地環(huán)流帶來(lái)的危害，因此，在設(shè)計(jì)中要使得GIS外殼與地網(wǎng)回路中感應(yīng)的環(huán)流盡可能的小.

為了研究各種不同因素對(duì)GIS外殼接地環(huán)流的影響，計(jì)算了不同條件下GIS外殼與接地點(diǎn)間感應(yīng)環(huán)流的大小.計(jì)算的模型選用與溪洛渡左岸變電站相同的GIS設(shè)備，選用長(zhǎng)100 m的母線，在外殼上選6個(gè)接地點(diǎn)與地表的銅排輔助地網(wǎng)相連，外殼的接地間距均為20 m（圖8）.

圖8 GIS單相外殼接地段感應(yīng)環(huán)流示意圖

3.1 相間距離對(duì)外殼接地段環(huán)流的影響

研究中，分別計(jì)算相鄰兩相GIS間距為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m情況下GIS外殼與接地點(diǎn)間感應(yīng)環(huán)流的大小.計(jì)算得到的每一個(gè)相間間距下的最大外殼接地段環(huán)流值見(jiàn)圖9.可以看到GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流的大小隨GIS相間距離的增加整體有增大的趨勢(shì)，但增大的幅度逐漸趨于飽和.進(jìn)行GIS設(shè)計(jì)時(shí)，在保證其它要求時(shí)，可盡量縮短GIS的相間距離，以減小GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流.

圖9 GIS外殼接地段環(huán)流隨母線相間距離的變化

3.2 外殼半徑對(duì)外殼接地段環(huán)流的影響

研究中，分別計(jì)算GIS外殼半徑為0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m 情況下 GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流的大小.計(jì)算得到的每一個(gè)外殼半徑下最大外殼接地段環(huán)流值見(jiàn)圖10.可以看到由于對(duì)應(yīng)耦合的減弱，GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流的大小隨GIS外殼半徑的增加整體有減小的趨勢(shì).

圖10 GIS外殼接地段環(huán)流隨母線外殼半徑的變化

3.3 外殼接地點(diǎn)間距對(duì)外殼接地段環(huán)流的影響

在圖8的模型中，分別計(jì)算GIS外殼接地點(diǎn)間距為20 m、40 m（取消E2、E4接地點(diǎn)）、80 m（取消E2、E3、E4接地點(diǎn)）情況下GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流的大小.計(jì)算得到不同外殼接地點(diǎn)間距下的最大外殼接地段環(huán)流值見(jiàn)圖11.可以看到，隨著GIS外殼分段距離的增加，GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流的大小也整體相應(yīng)增加.進(jìn)行GIS設(shè)計(jì)時(shí)，可盡量增加GIS外殼接地點(diǎn)，減小GIS外殼接地點(diǎn)間距，以減小GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流.

圖11 GIS外殼接地段環(huán)流隨外殼接地間距的變化

4 結(jié)論

建立了550 k V分體結(jié)構(gòu)GIS穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下外殼感應(yīng)電流的計(jì)算模型，計(jì)算了GIS基本設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)外殼感應(yīng)電流的影響，得到以下結(jié)論.

1）提出設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮工程安全和制造成本的同時(shí)，應(yīng)盡量縮短GIS的相間距離，增加GIS外殼接地點(diǎn)，減小GIS外殼接地點(diǎn)間距，以減小GIS外殼接地段感應(yīng)環(huán)流，保證GIS變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

2）考慮到GIS在工況運(yùn)行下，外殼接地電流在GIS端部較大（其最大值為安培級(jí)），而回路中間位置接地點(diǎn)的入地電流較小.在GIS接地的設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)在GIS兩端增加接地點(diǎn)，并加寬GIS端部接地點(diǎn)的接地引下線.

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