2021, Vol. 40
文章编号: 2096-3203(2021)05-0171-06 中图分类号: TM726
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 孙义(1994), 男, 硕士, 科员, 从事电力系统规划工作(E-mail: 3130@ecepdi.com); |
徐逸清(1987), 男, 硕士, 副主任工程师, 从事电力系统规划工作
气体绝缘线路(gas insulated line，GIL)是一种气体绝缘金属封闭式输电线路，其载流能力强，损耗低，敷设受地形限制小。随着电网发展和网架建设，越来越多超特高压GIL应用于输电线路中，例如苏通GIL、白鹤滩水电站GIL等。以特高压同塔双回架空线-双回GIL混合输电线路为例，线路中一回正常运行，另一回检修时，导线间存在电磁场耦合，耦合产生的感应电压和感应电流是工程设计中接地刀闸选型的重要依据。GIL两侧具有引接站，站内额外配置了接地刀闸，即含GIL的输电通道中单回线路使用了4把接地刀闸。而GIL回路间电磁感应关系与架空线路间不同，因此需研究含GIL混合线路回路间电磁感应关系，从而为GIL引接站以及架空线路两侧接地刀闸的选型提供理论依据。
目前国内外学者针对同塔多回架空线路感应电压和感应电流已展开大量计算研究[1]。导线间静电感应是导致检修线路上产生容性感应电压的主要原因，而电磁感应是导致感性感应电流产生的主要因素[2-4]。对于同塔多回路线路，检修线路上容性感应电压与运行线路的电压成正比，而与线路长度、潮流无关[5-6]。感性感应电流和输送功率成正比，与线路长度无关[7-8]。目前针对GIL电磁感应关系的研究主要集中于GIL本身的结构[9-11]。GIL具有金属外壳，具备电场屏蔽作用，因此GIL相间完全容性解耦[12-13]。由于GIL外壳尺寸设计特殊，GIL外壳电阻很小且感应有与导杆幅值相同、相位相反的电流，因此对外界具有较好的磁场屏蔽作用[14-16]。现阶段对GIL设备本体电磁感应的研究已较为全面，但针对GIL在实际输电线路的应用研究较少，而未来将会有更多GIL应用在输电线路中。为指导含GIL混合输电线路地刀的选型，亟需开展相关电磁感应研究。
文中基于含GIL的特高压同塔双回架空线路进行了感应电压、电流的理论计算和公式推导。并建模仿真研究了GIL在线路中不同位置、不同长度占比对感应电压、电流的影响。
1 GIL电气参数GIL在结构上类似于单芯电力电缆。区别在于，GIL的导杆为环形导体，主绝缘为SF6气体，外壳相当于非铠装电缆的金属护层，无护层绝缘[17]。单回水平一字排列的GIL结构如图 1所示。
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图 1 水平一字排列GIL结构 Fig. 1 Structure of horizontal line up GIL |
将GIL外壳也视为导体，则GIL组成的输电线路由6根导体和大地构成，6根导体互相平行并与地面平行，大地可作为回流的通路。利用卡松-克莱姆电磁波理论，用6个平行的“导体-大地”回路代替三相系统[15-16]。
根据式(1)可求得单回GIL阻抗矩阵，经换算可得电阻、电感矩阵。
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{z_{ii}} = {r_i} + {{\rm{ \mathit{ π} }}^2} \times {{10}^{ - 4}}f + {\rm{j(4 \mathit{ π} }}) \times {{10}^{ - 4}}f\ln \frac{{{D_{{\rm{CA}}}}}}{{{G_{{\rm{MR}}}}}}}\\ {{z_{ij}} = {{\rm{ \mathit{ π} }}^2} \times {{10}^{ - 4}}f + {\rm{j(4 \mathit{ π} }}) \times {{10}^{ - 4}}f\ln \frac{{{D_{{\rm{CA}}}}}}{{{d_{ij}}}}} \end{array}} \right. $ | (1) |
式中：zii为导体i自阻抗；zij为导体i和导体j互阻抗，且i=1, 2, 3，j=1, 2, 3，i≠j；ri为导体i单位长度电阻值，可计及导体的集肤效应和邻近效应；f为频率；DCA为卡松深度；GMR为导体几何平均半径；dij为导体i和导体j的中心距。
GIL导杆和外壳之间电容为Ccs，而外壳不仅与大地之间存在自电容Csisi，还与其他相的外壳之间存在互电容Csisj，如图 2所示。
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图 2 GIL导杆外壳电容网络 Fig. 2 Capacitance network of GIL core and shell |
由于外壳均接地，导电杆除了与本相的外壳存在电容外，与其他相的外壳、导电杆均无静电联系，各相外壳起到静电屏蔽作用。因此三相GIL电容矩阵如式(2)所示。其中负号仅表示导杆与外壳之间互电容的含义，没有实际物理意义。根据同轴电缆电容计算公式(3)可得Ccs。根据式(4)利用镜像法计算自电位系数和互电位系数，计算得到的电位系数构成电位矩阵后，对矩阵求逆便可得到外壳的电容矩阵，代入GIL电容矩阵即可计算得到GIL电容参数[18-20]。
| $ \begin{array}{c} \mathit{\boldsymbol{C}} = \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{C_{{\rm{cs}}}}}&0&0&{ - {C_{{\rm{cs}}}}}&0&0\\ 0&{{C_{{\rm{cs}}}}}&0&0&{ - {C_{{\rm{cs}}}}}&0\\ 0&0&{{C_{{\rm{cs}}}}}&0&0&{ - {C_{{\rm{cs}}}}}\\ { - {C_{{\rm{cs}}}}}&0&0&{{C_{{\rm{cs}}}} + {C_{{\rm{s1s1}}}}}&{{C_{{\rm{s1s2}}}}}&{{C_{{\rm{s1s3}}}}}\\ 0&{ - {C_{{\rm{cs}}}}}&0&{{C_{{\rm{s2s1}}}}}&{{C_{{\rm{cs}}}} + {C_{{\rm{s2s2}}}}}&{{C_{{\rm{s2s3}}}}}\\ 0&0&{ - {C_{{\rm{cs}}}}}&{{C_{{\rm{s3s1}}}}}&{{C_{{\rm{s3s2}}}}}&{{C_{{\rm{cs}}}} + {C_{{\rm{s3s3}}}}} \end{array}} \right] \end{array} $ | (2) |
| $ {C_{{\rm{cs}}}}{\rm{ = }}2{\rm{ \mathit{ π} }}\varepsilon /\ln \frac{{{r_2}}}{{{r_1}}} $ | (3) |
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\alpha _{ii}} = \frac{1}{{2{\rm{ \mathit{ π} }}\varepsilon }}\ln \frac{{2h}}{{{r_2}}}}\\ {{\alpha _{ij}} = \frac{1}{{2{\rm{ \mathit{ π} }}\varepsilon }}\ln \frac{{\sqrt {4{h^2} + d_{ij}^2} }}{{{d_{ij}}}}} \end{array}} \right. $ | (4) |
式中：αii为导体i自电位系数；αij为导体i和导体j互电位系数；ε为介电常数值；r1为导电杆外半径；r2为外壳内半径；h为GIL中心与地平面的距离。
2 含GIL线路感应电压和电流计算GIL外壳截面很大，单位长度截面电阻很低，因此在外壳上感应的电流与对应的相电流几乎等幅，但方向相反[13-14]。在GIL外部一定位置，由导杆和外壳上电流产生的磁场基本可以抵消，因此GIL相间基本感性解耦。GIL外壳每隔一段距离会紧固互联，且外壳接地，金属外壳有静电屏蔽的效果，因此GIL相间容性解耦。
对于同塔双回架空线路，运行线路在检修线路上产生的感应电压和感应电流已有大量文献详述[3-6]。以检修线路A相为例，当检修线路首末端的接地刀闸断开时，静电感应电压分量在感应电压中占主导作用，电磁感应电压分量数值较小。因此检修线路上首末端感应电压为：
| $ {U_1} \approx {U_2} \approx \frac{{{C_{{\rm{oAa}}}}{U_{\rm{A}}} + {C_{{\rm{oBa}}}}{U_{\rm{B}}} + {C_{{\rm{oCa}}}}{U_{\rm{C}}}}}{{{C_{{\rm{oAa}}}} + {C_{{\rm{oBa}}}} + {C_{{\rm{oCa}}}} + {C_{{\rm{oa}}}}}} $ | (5) |
式中：U1，U2分别为线路首段、末端的电压；UA，UB，UC为三相电压；CoAa，CoBa，CoCa为单位长度线路间分布电容；Coa为A相单位长度对地电容。当检修线路首末端的接地刀闸闭合时，电磁感应电流分量在感应电流中占主导作用，静电感应电流分量数值较小，一般忽略。因此检修线路上首末端感应出的接地电流为：
| $ {I_1} \approx {I_2} \approx - \frac{{{M_{{\rm{oAa}}}}{I_{\rm{A}}} + {M_{{\rm{oBa}}}}{I_{\rm{B}}} + {M_{{\rm{oCa}}}}{I_{\rm{C}}}}}{{{L_{\rm{o}}}}} $ | (6) |
式中：I1，I2分别为线路首段、末端电流；IA，IB，IC分别为三相电流；MoAa，MoBa，MoCa为单位长度线路间的互感；Lo为架空线单位长度自感。
当架空线路中存在GIL时，由于GIL相间近似完全解耦，即GIL相间不存在静电和电磁感应。因此含GIL的双回线路感应电压和感应电流计算如下：
| $ {U_1} \approx {U_2} \approx \frac{{{C_{{\rm{oAa}}}}l{U_{\rm{A}}} + {C_{{\rm{oBa}}}}l{U_{\rm{B}}} + {C_{{\rm{oCa}}}}l{U_{\rm{C}}}}}{{{C_{{\rm{oAa}}}}l + {C_{{\rm{oBa}}}}l + {C_{{\rm{oCa}}}}l + {C_{{\rm{oa}}}}l + {C_{{\rm{ga}}}}x}} $ | (7) |
| $ {I_1} \approx {I_2} \approx - \frac{{{M_{{\rm{oAa}}}}l{I_{\rm{A}}} + {M_{{\rm{oBa}}}}l{I_{\rm{B}}} + {M_{{\rm{oCa}}}}l{I_{\rm{C}}}}}{{{L_{\rm{o}}}l + {L_{\rm{g}}}x}} $ | (8) |
式中：x为GIL段长度；l为架空线段长度；Lg为GIL单位长度自感；Cga为GIL单位长度对地电容。
3 特高压GIL电磁耦合仿真分析 3.1 特高压线路模型利用EMTP-ATP进行仿真建模计算。线路由300 km架空线路和6 km GIL组成，分别考虑GIL布置在变电站母线位置(右侧母线)、线路中间位置以及不布置GIL纯架空线路3种情况，线路示意图如图 3所示。300 km同塔双回架空线路完成一次完整换位。当GIL在线路中间时，GIL两侧为引接站，站内各回线路均配置有接地刀闸，架空线路两侧也均配置有接地刀闸。因此GIL在线路中间时，检修的一回线路上共需要动作4把地刀，如图 3(a)所示。当GIL在变电站母线位置，接地刀闸由于位置重合减少1把，即共3把地刀，如图 3(b)所示。而对于全架空线路，在线路两侧共有2把地刀，如图 3(c)所示。
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图 3 线路模型示意 Fig. 3 Schematic diagram of line model |
架空线路采用8×630 mm2截面分裂导线，特高压杆塔挂线相关参数如表 1所示，其中水平距离为相对杆塔中心线距离，竖直距离已扣除绝缘子串长度。该线路单回最大输送能力约10 500 MW。GIL空间布置如图 4所示，GIL导杆的内径、外径分别为85 mm，100 mm；外壳内径、外径分别为420 mm，430 mm。
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表 1 特高压双回杆塔挂线参数 Table 1 Hanging parameters of UHV double circuit tower |
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图 4 GIL空间布置示意 Fig. 4 Schematic diagram of GIL space layout |
计算检修线路感应电压、电流时，考虑运行线路满载运行，即线路潮流达10 500 MW。分别计算GIL在变电站母线位置、GIL在线路中间以及无GIL线路3种情况下的感应电压、电流。容性感应电压以及感性感应电流计算结果如表 2所示，分别记录了线路侧以及GIL侧最大的感应电压或电流值。
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表 2 特高压线路感应电压和电流 Table 2 Induced voltage and current of UHV transmission line |
根据结果可得，当线路中存在GIL时，容性感应电压降低了约17%。GIL在边侧和GIL在中部时，容性感应电压变化不大，变化幅度约为3%。GIL单位长度电容值较于架空线更大，此算例中约大3倍，由式(7)可得，GIL的加入使得分母电容值增加，对于分子部分容性感应分量没有贡献，因此存在GIL的线路相较于纯架空线路容性感应电压略低。
比较各工况感性感应电流，GIL在边侧相较于无GIL工况其感应电流略低约0.3%。GIL单位长度电感值较架空线更小，此算例中约为0.4倍，根据式(8)分析，GIL的加入使得分母电感值略有增加，而分子感性感应分量没有变化，因此GIL的存在会略微较低感应电流。
GIL在中部感性感应电流增大幅度较大，从表面上看不符合式(8)分析原理，因此针对GIL在中部情况开展详细计算分析。从左至右依次以“合分合合”表示地刀动作情况，即线路两侧地刀闭合，GIL左侧地刀打开，右侧地刀闭合。不同开关状态部分计算结果如表 3所示。当地刀状态为“合分分合”时，GIL两侧地刀打开，架空线两侧地刀闭合，该工况感应电流值约236.5 A，略低于无GIL工况结果，与GIL在边侧结果近似。而当GIL两侧地刀有闭合动作时，感应电流计算结果有较大幅度增加。
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表 3 GIL位于中部时感应电流 Table 3 Induced current result of GIL in the middle |
此现象由架空线路换位结构引起，以“合分合合”工况为例进行说明。如图 5(a)所示，算例中架空线路完成一次完整换位(50 km-100 km-(100 km+6 km)-50 km)，由于GIL长度较短，在设计换位时忽略了其长度，目前苏州—泰州特高压通道(含苏通GIL段)与该换位方式类似；而如图 5(b)所示，GIL在线路中间相当于一个节点，两侧的架空线路各完成一次完整换位(25 km-50 km-50 km-25 km)。对于图 5(a)的线路，当GIL右侧地刀和架空线左侧地刀闭合时，即“合分合合”工况。感应电流流经Ⅰ、Ⅱ段线路，由于Ⅰ、Ⅱ段线路并未构成完整换位，线路中感应电流不平衡度较大，感应电流约为301.3 A。而对于图 5(b)的线路，GIL两侧线路均为对称换位结构，“合分合合”工况感应电流约为238.5 A，感应电流较大幅度降低。综上得出算例中GIL在中间位置感应电流较大幅度增加是由于架空线路不完全换位，而非GIL本身的影响。当GIL两侧线路完全换位时，感应电流变化规律符合式(8)。
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图 5 GIL在线路中间位置示意 Fig. 5 Schematic diagram of GIL in the middle of the line |
以GIL在变电站母线侧工况为例，分别计算GIL长度为6 km，18 km，36 km, 54 km，72 km，即在整条线路中长度占比为2%，5.7%，10.7%，15.3%，19.4%时运行线路对检修线路感应电压和感应电流影响情况。
计算中控制运行线路输送功率保持一致。感应电压、电流计算结果变化趋势如图 6所示。根据计算结果可得感应电压和感应电流随GIL在线路中占比的增加而递减。GIL在线路中长度占比增加约10%，检修线路上感应电压降低约8.3%，而感应电流降低约4.4%。由于算例中GIL单位长度电容大于架空线而电感小于架空线，感应电压随占比增加的降低幅度高于感应电流的降低幅度，其变化趋势与理论分析基本一致。
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图 6 感应电压电流随占比变化情况 Fig. 6 Variation of induced voltage and current with duty ratio |
文中对含GIL的特高压同塔双回架空线路开展了感应电压、电流计算研究，得出GIL的存在、安装位置以及长度占比对感应电压电流的影响。主要结论如下：
(1) GIL设备本体相间几乎完全解耦，GIL回路间几乎不提供电磁感应。当GIL应用在变电站母线出口位置时，相较于全架空线路，运行线路对检修线路上产生的感应电压和电流均略有减小。此类情况混合线路地刀的选型基本与全架空线路相同。
(2) GIL在线路中间位置时，感应电流相较于GIL在变电站母线位置有较大幅度增加。这是因为整条架空线路完成一次完整换位，GIL一侧线路并未构成完整换位。除架空线两侧地刀闭合外，GIL两侧地刀闭合时，感应电流流经的回路段没有完整换位，具有较大不平衡度，导致幅值增加。此类情况地刀选型将区别于全架空线路，工程设计中需重点计算。
(3) 特高压同塔双回架空线路中存在GIL时相较于同等工况纯架空线路，其感应电压和感应电流更低。GIL在线路中长度占比越大，降低幅度越大，且感应电压降低幅度大于感应电流降低幅度。
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