高壓GIS殼體環(huán)流及損耗計(jì)算模型研究

趙義松， 宋成偉， 邢凱， 劉馨然， 王飛鳴， 郎福成

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2. 遼寧省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；4. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 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(shè)備集中在金屬殼體內(nèi)，內(nèi)部通過(guò)0.3～0.4 MPa壓強(qiáng)的SF6氣體保持絕緣[1—4]。由于組合電器外殼體接地，通過(guò)接地網(wǎng)、短接線、殼體構(gòu)成完整的電氣回路，在電磁感應(yīng)的作用下在殼體及接地網(wǎng)中產(chǎn)生循環(huán)作用的電流。運(yùn)行情況表明，許多GIS/高壓GIS裝置的故障與其外殼上的感應(yīng)電流及感應(yīng)電流引起的發(fā)熱現(xiàn)象有關(guān)[5—7]。因此，有必要對(duì)GIS的穩(wěn)態(tài)等效模型進(jìn)行深入研究。

GIS殼體環(huán)流大小與主母線運(yùn)行電流為同一數(shù)量級(jí)，在殼體阻抗的作用下會(huì)產(chǎn)生很大的能量損耗，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)增加線路線損，降低系統(tǒng)輸送容量[8—11]。其次，環(huán)流損耗會(huì)導(dǎo)致絕緣部件發(fā)熱，降低設(shè)備絕緣強(qiáng)度，極易引起絕緣閃絡(luò)故障。因此，準(zhǔn)確計(jì)算GIS設(shè)備環(huán)流值，給出長(zhǎng)期運(yùn)行損耗及發(fā)熱位置，對(duì)降低設(shè)備故障率，提高運(yùn)行可靠性具有極大現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)、外計(jì)算GIS環(huán)流損耗的方法主要有等效電路計(jì)算法、場(chǎng)路耦合計(jì)算法和電磁耦合計(jì)算法。等效電路計(jì)算法主要是將GIS復(fù)雜的電磁感應(yīng)過(guò)程通過(guò)等效電路表征，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛[12—18]，但缺少GIS系統(tǒng)各部分的準(zhǔn)確等效模型，計(jì)算偏差較大。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，變電站設(shè)計(jì)及GIS損耗計(jì)算需要更為簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法，故為計(jì)算GIS殼體環(huán)流值，須建立準(zhǔn)確的GIS穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等效電路模型。

文中應(yīng)用大電流母線和工程電磁場(chǎng)基本原理，建立GIS系統(tǒng)電磁感應(yīng)T型等效電路，給出GIS殼體不同位置等效阻抗的計(jì)算方法，系統(tǒng)分析不同計(jì)算模型的計(jì)算精度，簡(jiǎn)化計(jì)算流程。針對(duì)550 kV GIS計(jì)算得出其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及故障工況下的系統(tǒng)環(huán)流分布及損耗值。

1 等效電路計(jì)算模型

以往的GIS系統(tǒng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)等效為殼體與接地網(wǎng)回路的等效電壓源，以此計(jì)算殼體回路的電流值。由于GIS母線與殼體回路之間為磁場(chǎng)耦合感應(yīng)產(chǎn)生的電流，以往的等效電路模型并不能準(zhǔn)確表征磁路耦合過(guò)程。如何通過(guò)等效電路合理表征GIS環(huán)流磁路耦合的物理過(guò)程，是準(zhǔn)確計(jì)算GIS環(huán)流及損耗值的關(guān)鍵。

GIS殼體為鋁制材料，將導(dǎo)流母線封閉在殼體內(nèi)，不僅對(duì)殼內(nèi)的SF6氣體起到密封作用，同時(shí)殼體產(chǎn)生環(huán)流后可對(duì)通流母線產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到屏蔽作用[19—20]。因此，可以忽略GIS三相之間的磁場(chǎng)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(wěn)定的電流時(shí)，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(nèi)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(dǎo)體阻抗；Zh為殼體和母線之間電磁感應(yīng)產(chǎn)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(nèi)部的電路模型Fig.1 GIS within the single-phase circuit model

對(duì)于單項(xiàng)GIS而言，GIS母線通過(guò)穩(wěn)定的負(fù)荷電流后，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。GIS殼體通過(guò)接地線、接地網(wǎng)構(gòu)成完整的電氣回路，形成穩(wěn)定的磁通Φ，感應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的環(huán)流，如圖2所示。在母線通流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，GIS殼體回路通過(guò)?？梢詫IS電磁感應(yīng)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?？梢钥闯?，對(duì)于GIS來(lái)說(shuō)，高壓載流導(dǎo)體與環(huán)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(méi)有鐵芯，所以沒(méi)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(tài)，沒(méi)有負(fù)荷阻抗，所以可以根據(jù)電流互感器等值電路的原理和兩端口網(wǎng)絡(luò)原理將電路模型簡(jiǎn)化[9,20]，如圖3所示。

圖2 GIS環(huán)流示意Fig.2 Schematic diagram of GIS circulation

圖3 等效電路化簡(jiǎn)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(jīng)過(guò)電路的轉(zhuǎn)換，可將GIS的電路模型等效為T型等效電路。根據(jù)電路理論中的二端口網(wǎng)絡(luò)原理，當(dāng)已知母線電流Im時(shí)，可以求出殼體電流Ik。將圖3(a)中的等效電路依次串聯(lián)起來(lái)可以得到GIS單相內(nèi)部的電路模型，如圖3(b)所示。應(yīng)用電路仿真軟件EMTP可以求出GIS內(nèi)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(yīng)電壓Uk為殼體環(huán)流Ik與殼體阻抗Zk的乘積。

三相GIS的環(huán)流產(chǎn)生原理與單相GIS相同，但是感應(yīng)電流環(huán)流回路不同。當(dāng)三相設(shè)備端部接有短接板時(shí)，環(huán)流主要在殼體與短接板構(gòu)成的回路中流動(dòng)，而入地電流則會(huì)相應(yīng)減小。三相環(huán)流現(xiàn)象和單相環(huán)流的主要不同處在于，單相縱向地網(wǎng)電阻發(fā)熱，而三相電流有效值相等時(shí)會(huì)只在外殼的端部地網(wǎng)發(fā)熱，縱向地網(wǎng)電阻并不發(fā)熱[21—22]。

2 母線與殼體間互阻抗的計(jì)算

由于母線的封閉作用和隔離作用，在計(jì)算GIS殼體和母線相關(guān)參數(shù)時(shí)，可以不考慮母線間的臨近效應(yīng)，只考慮單相GIS內(nèi)母線和殼體間的電磁關(guān)系。由于母線阻抗、殼體阻抗、短接線與接地線阻抗計(jì)算模型可以通過(guò)文獻(xiàn)[3—7]給出，文中不再重復(fù)闡述，重點(diǎn)給出三相母線與殼體間互阻抗計(jì)算模型。

當(dāng)GIS殼體為三相全連式時(shí)，三相殼體被短接排所連接，此時(shí)不能只考慮單相母線上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)殼體、接地線和地網(wǎng)所構(gòu)成回路的影響，應(yīng)計(jì)算三相母線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)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(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過(guò)工程電磁場(chǎng)的相關(guān)原理可以分別求出A相回路內(nèi)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(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)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(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電感應(yīng)強(qiáng)度；μ0為母體導(dǎo)線的磁導(dǎo)率；IB為B相母線電流；ρ為柱坐標(biāo)半徑變量；l為殼體的長(zhǎng)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以C相殼體與三相母線間的互感可以由A相的計(jì)算公式對(duì)應(yīng)求得。

當(dāng)求B相殼體與三相母線的互感時(shí)，也可通過(guò)式(2)來(lái)求得。因?yàn)锽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(huán)流及損耗計(jì)算

針對(duì)我國(guó)某550 kV GIS，有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(duì)地高度H=8 m；母線和殼體的長(zhǎng)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(shè)置短接排，同時(shí)在該處進(jìn)行接地。設(shè)置短接排的目的是，當(dāng)GIS穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，外殼上所感應(yīng)的環(huán)流沿著短接排所形成的磁場(chǎng)可以和母線上電流所形成的磁場(chǎng)相抵消，從而減少溫升和損耗，提高運(yùn)行效率。接地線的設(shè)置是當(dāng)變電站正常運(yùn)行時(shí)，提供參考地電位；當(dāng)站內(nèi)發(fā)生短路時(shí)，為短路電流提供最短的路徑，使其有效導(dǎo)入大地。

圖5為550 kV變電站GIS布置圖。圖中TM1，TM2為GIS電源進(jìn)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(hào)為Al60 mm×10 mm。在每處短接排的每一相設(shè)置一條接地線，其型號(hào)為Cu40 mm×5 mm。GIS殼體磁導(dǎo)率為4π×10-7H/m；SF6氣體的介電常數(shù)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(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下環(huán)流計(jì)算

文中以單機(jī)單線出的工作方式為例，當(dāng)GIS正常運(yùn)行時(shí)，母線中的電流為4 kA，此時(shí)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(wěn)態(tài)值Table 2 Steady state value ofcurrent on ground line kA

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以明顯看出殼體上的電流值表現(xiàn)出B相大，A、C兩相小的趨勢(shì)，且A、C兩相的幅值大體相當(dāng)。但接地線上的電流值卻表現(xiàn)出A、C兩相大，B相小的趨勢(shì)，A、C兩相的幅值也大體相當(dāng)。每一點(diǎn)處的2個(gè)短接排上的電流相值差不大，但1點(diǎn)和6點(diǎn)處的短接排電流值要明顯大于中間各點(diǎn)處的電流值。

表3 短接排上電流穩(wěn)態(tài)值Table 3 Current steady statevalue on short circuit kA

表4 殼體上的電流穩(wěn)態(tài)值Table 4 Current steady state value on the case kA

由于GIS殼體體積大，很難通過(guò)羅氏線圈或電流互感器測(cè)量電流。因此，采用FLUKE i6000sFlex AC 便攜式交流電流測(cè)量羅氏線圈對(duì)GIS進(jìn)線端和出線端的短接線及接地線電流進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

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

通過(guò)比較計(jì)算值與測(cè)量值可以看出：測(cè)量值整體大于計(jì)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(jì)算值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)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(huán)流計(jì)算模型并未考慮接地網(wǎng)電阻變化對(duì)殼體環(huán)流的影響。變電站接地電阻一般為0.1～1 Ω，根據(jù)接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，不同位置接地電阻存在差異。文中計(jì)算模型統(tǒng)一設(shè)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(dǎo)致接地線和短接線電流計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小。因此，計(jì)算GIS殼體環(huán)流時(shí)，建議考慮接地網(wǎng)分布及接地電阻變化對(duì)環(huán)流值的影響。

3.2 短路故障工況環(huán)流計(jì)算

如圖5所示，當(dāng)單機(jī)單線出操作方式中B相6點(diǎn)處發(fā)生單相接地短路時(shí)，即出線套管處發(fā)生短路，假設(shè)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(guò)以上數(shù)據(jù)可以得知，接地線上最大電流值為26.301 kA，發(fā)生在離短路處最近的接地線上，即6點(diǎn)B相處的接地線。短接排流過(guò)的最大電流值為6點(diǎn)處B相—C相，最大值為14.416 kA。

3.3 GIS殼體損耗計(jì)算

GIS外殼中一般有環(huán)流損耗和渦流損耗。但當(dāng)外殼回路漏感抗很小時(shí)，渦流損耗可忽略不計(jì)，此時(shí)只有環(huán)流損耗。一般情況下，環(huán)流損耗計(jì)算為：

(6)

式中：Ik為外殼環(huán)流(有效值)；r為外殼電阻；Kf為外殼的集膚效應(yīng)系數(shù)，在厚度不大于8 mm時(shí)可取為1，根據(jù)GIS殼體、短接線及接地線實(shí)際尺寸，文中忽略集膚效應(yīng)對(duì)損耗值的影響。計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行態(tài)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(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗值Table 9 Casing steady-state operating loss

表10 短接排穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗值Table 10 Steady-state operating loss of short circuit W

表11 接地線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗值Table 11 Steady state operatingloss of ground line W

通過(guò)計(jì)算可以看出，550 kV GIS單機(jī)單線出穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(tǒng)損耗總量為36.821 kW，平均年損耗電量為322 552 kW·h。應(yīng)用文中殼體環(huán)流及損耗計(jì)算模型可以準(zhǔn)確地給出變電站GIS不同負(fù)荷運(yùn)行及故障情況下的損耗值，為輸變電系統(tǒng)線損預(yù)估、降損提升、運(yùn)維反措提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

文中應(yīng)用空心電流互感器原理建立GIS殼體環(huán)流等效模型，在理論上計(jì)算550 kV變電站GIS穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及故障工況下的殼體環(huán)流及運(yùn)行損耗值，給出了GIS系統(tǒng)殼體環(huán)流及損耗的分布規(guī)律，可用于指導(dǎo)實(shí)際工程線損預(yù)估及運(yùn)維反措。

通過(guò)550 kV GIS穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及故障狀態(tài)下不同位置環(huán)流值計(jì)算可以看出：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)增加短接線是降低殼體環(huán)流值的有效方法，短接線環(huán)流最大值出現(xiàn)在GIS進(jìn)、出線端。故障狀態(tài)下環(huán)流最大值出現(xiàn)在故障點(diǎn)附近，接地線電流要明顯大于短接線及殼體電流值。通過(guò)比較接地線及短接線電流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，最大計(jì)算偏差為11.28%，主要為接地電阻分布不均引起。GIS系統(tǒng)損耗值取決于殼體、接地線、短接線的環(huán)流值和電阻，單機(jī)單線出運(yùn)行下，GIS系統(tǒng)損耗總量為36.821 kW，平均年損耗電量為322 552 kW·h?？梢钥闯?，降低GIS環(huán)流是增大輸電容量，降低輸電損耗和減少設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱的有效方法。