800kV三相分箱GIS變電站外殼感應電壓及環(huán)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(wěn)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(huán)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(tài)仿真軟件，構建變電站電路仿真模型，進行感應電壓與環(huán)流影響研究的過程，能夠對環(huán)流與感應電壓計算、接地系統(tǒng)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(huán)流［1］。

圖1 氣體絕緣變電站

如果GIS運行較為穩(wěn)定，三相電流能夠處于對稱狀態(tài)，則外殼所產生的環(huán)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(huán)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(huán)流研究多為單回母線分布規(guī)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(huán)流展開研究。

2 800k V三相分箱GIS變電站外殼感應電壓及環(huán)流

（1）外殼感應電壓與環(huán)流產生機理分析

在三相分箱處于穩(wěn)定運行狀態(tài)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(tài)，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(xù)保持對稱狀態(tài)，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(guī)律，穩(wěn)定狀態(tài)運行時的規(guī)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(huán)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(huán)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(fā)現存在三相不平衡問題。

3）多工況分析。①在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，主變分支的三相環(huán)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(huán)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(huán)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(fā)現，環(huán)流和電壓幅值均出現增加狀態(tài)，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(huán)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(huán)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(huán)流數值B相最高、AC兩相較為接近，連接點位置外殼環(huán)流分布和套管位置處于完全相反狀態(tài)；④單電源供電。短接接地點位置處于穩(wěn)定狀態(tài)，進出線套管位置即便并不穩(wěn)定，整體環(huán)流以及感應電壓的幅值也相對較小，與完整串運行分布規(guī)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(fā)現，進出線套管位置的環(huán)流與感應電壓呈現出明顯增加的狀態(tài)，能夠達到完整串運行時的兩倍左右，系統(tǒng)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(tài)，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(huán)流和感應電壓并不會發(fā)生明顯改變，母線和設備連接位置環(huán)流的整體變化幅度相對較大。處于單母線供電環(huán)境之中，和母線連接位置A相環(huán)流呈現出明顯增加的態(tài)勢，而C相環(huán)流呈現出明顯減少的狀態(tài)。連接點連接母線序號和B相環(huán)流改變有著直接關聯(lián)，當一連接位置環(huán)流出現增加狀況時，另一位置環(huán)流可能會出現相應減少的狀態(tài)［5］。

（3）總結與分析

為對三相分箱GIS變電站外殼感應環(huán)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(huán)流與感應電壓分布規(guī)律展開研究。研究獲得以下幾項結論：①在變電站處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，感應電流與環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)流會出現明顯上升狀態(tài)，感應電壓滿足中間相低、邊相較高的規(guī)律，會在故障分支套管短接接地位置存在外殼環(huán)流最大值；④運行方式改變對于環(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(wěn)定程度［6］。

3 外殼感應電壓與環(huán)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(huán)流問題而導致的故障，對變電站正常運行與發(fā)展產生不利影響，所以今后需要進一步加大對外殼環(huán)流以及感應電壓分析的研究力度［7］。不僅要加強對外殼環(huán)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(huán)流分布情況以及其他方面內容研究，明確在不同工況下環(huán)流數值具體影響規(guī)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(huán)境有更加清晰的認知，能夠更好地對電壓以及環(huán)流分布規(guī)律進行掌握，進而為變電站整體運行調整以及優(yōu)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(fā)揮，能夠對接地系統(tǒng)校驗以及環(huán)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(huán)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(tài)以及各種工況情況下，掌握外殼感應電壓和環(huán)流的變化情況，以便制定出有效的環(huán)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(wěn)定性，確保變電站能夠在供電網絡運行中發(fā)揮出更大的作用。