110kV線路安全隱患整改中三相共箱GIL輸電技術

國網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。在對線路整改過程中，應用三相共箱GIL輸電技術對供電線路進行合理規劃設計，電力系統更安全、更可靠，并且此項技術備受關注和認可，在實際應用中，展現了顯著的技術優勢。

1 三相共箱GIL輸電技術優勢分析

本文主要探討采取三相共箱GIL輸電技術進行線路改造，以提高輸電線路的安全性。三相共箱GIL主要包括導體、殼體以及三支撐等部分構成，優勢特點顯著，能夠滿足電力運輸需求，可以節省占地面積，能夠降低電力損耗，方便人員操作，并且防護強度高。支撐材料使用的是環氧樹脂環保材料，絕緣性能強，功能作用顯著，導體使用高導電率的鋁合金材料，殼體選擇耐腐蝕的鋁合金，并使用SF6氣體進行填充，充分提高其絕緣性能。該結構充分發揮出高導電率、耐腐蝕性以及絕緣的優勢，提高輸電線路的安全性。

與分相GIL相比，三相共箱GIL具有明顯的優勢。其一，可以弱化相關部件的風險，能夠提升安全系數，可以在相同的質量條件下，三相共箱的關鍵部件數量是分相的30%，部件數量的降低使產品故障率得到有效控制，據計算產品故障率已降低至25%。其二，將供電線路整改成三相共箱GIL結構能夠大幅縮短安裝工期。在具體開展相關作業過程中，主要應用的是GIL結構，由于工程單元較多，采取和應用GIL結構，能夠最大限度滿足使用需求，此種模式下，切實提高了施工效率，促使施工進度計劃持續地推進，施工效率更高，施工質量也有保障，有利于在預期的工期內完工建設。其三，三相共箱GIL內部導體是品字形結構，外殼渦流產生的損耗也會相應降低，通過計算設備總體損耗能夠降至34%以下。可以說，三相共箱GIL的應用影響了“碳達峰”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結構相比較，具有實際占用面積小，結構很緊湊，切實節約了占地面積，節省人工同時，大幅降低設備的安裝成本。三相共箱GIL由殼體、導體和三支撐等部件組成[1]。殼體采用鋁合金管材支撐，內部利用氣體填充；在每個GIL單元內部僅存三根導體；而三支撐選用環氧樹脂材料制作而成，GIL的選材大幅降低了三相共箱GIL的結構質量縫，而部件的排列使空間利用率達到最大化。

2 三相共箱GIL輸電技術的應用

2.1 總體布局

考慮到變電站實際情況，采取三相共箱結構為主，以分箱為輔的電路設計，采取架空敷設、地面敷設方式。該設計方式能夠充分融合三相共箱GIL的優勢，保證輸電線路結構靈活，能夠靈活補償適應。三相共箱GIL主要應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行線路模擬，確保輸電線路不會對周圍建筑、公路等結構造成影響，再通過力學校核以及微調方案形成最終方案。

2.2 參數設計

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，應用范圍廣泛，廣受市場的青睞，在此種結構下，能夠縮短各個相之間的距離，實現對成本管控的同時，能夠避免發生不必要的問題。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表示磁導率，A表示磁矢勢，F表示洛倫茲力，B表示磁通密度，d表示導電桿長度。

按照要求三相試驗中，任何一相中電流和三相電流均值之間差值不應超過10%。尤其是非對稱短路時，短路相電流值為0，未達到要求。因此，使用三相短路電流進行三相共箱試驗，進行短時耐受和峰值耐受的電流試驗[2]。研究發現，大功率供電電路有三相短路的情況，為此，為避免出現上述問題，需要保持公平持續的穩定性；阻抗為（R+R’）+jω（L+L’）。電路在短路后處于暫態狀態，左側阻抗變為R+jωL，電流逐漸增大至暫態電流。電路右側應用的是無源網絡，觀察可見有電流消減的情況，電流最大值只能達到穩態電流值水平。

在短路發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到同一水平，低于瞬態短路電動力。在短路發生前0.1s，當額定短路電流達到63kA水平時，0.01s時短路電流處于最高水平，可達到160kA水平。

因此，建立GIL幾何模型，施加三相短路電流，根據瞬態電磁場，計算殼體、導體以及空氣中國磁通密度、電流密度以及電動力數值。在殼體內設置導電桿，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，導電桿厚度15mm，導電桿直徑100mm，空氣域直徑2500mm，分度圓直徑280mm。導電桿和殼體均選擇鋁合金材料，殼體內部填充SF6絕緣氣體，外部為空氣。科學設定模型的厚度，通過增加導電桿的截面，防范出現短路的情況，仿真模型中由于空氣域尺寸遠超過殼體尺寸，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，獲取導電桿水平和豎直方向上的電動力分力。B相上產生短路電動力的最大值，即在相角為-30°時產生短路電動力最大值4680N/m，時間為0.0088s。

如采取一字形布設導體，那么可以通過公式進行短路電動力值的計算，公式為：

2.3 絕緣子設計

當電路發生短路后會產生大量熱量，從而形成電動力，對電路穩定性和設備性能產生嚴重影響，因此在設計上需要重點關注產品結構，應選擇更理想的絕緣子，提高其耐振動、耐短路的能力，從而應對短路故障的發生。在三相共箱結構中，導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電桿的共同作用。在三相導電桿之間短路電動力也會根據時間的變化產生加強或者抵消的作用，如上文所提到的，當短路電動力達到峰值水平時，導電桿電動力受力方向完全不同。承受電動力的同時，導電桿承受電動力也會產生互相作用，電動力組合作用將對絕緣子造成更大的應力作用，同時由于三個導電桿受力方向的不同，很難在試驗中模擬導電桿受力情況[3]。

由于絕緣結構不同，在具體計算方面，需要依據瞬態短路電動力進行計算，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度。受電動力等因素的影響，對導電桿的形態產生了一定的影響，導電桿會發生彎矩情況，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，展開進一步的研究和試驗，進行抗彎試驗，分析影響因素，找出干燥因素，并做出全面的分析和評估。當兩相導電桿之間產生電動力斥力作用，絕緣子同時也將承受導電桿之間的互相斥力作用，可通過斥力試驗對絕緣子強度進行校準。

2.4 抗振設計

短路電動力與GIL結構之間存在共振作用力，若是出現線路短路的情況，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抗振強度進行分析，判斷GIL是否達到抗振設計要求。

2.5 補償設計

由于GIL采用金屬外殼，隨著環境溫度變化不可避免產生熱脹冷縮問題，需要通過補償設計解決開裂等問題?？刹扇∽匀晃昭a償、金屬波紋管補償兩種方式設計。自然吸收補償借助于管道自適應撓度來釋放變形能量，即彈性變形。但該方法存在不穩定性，難以適應熱脹冷縮引起的變形變化，從而達不到補償效果。金屬波紋管補償需要計算GIL發生的變形量，并根據變形量值選擇補償器，以滿足熱脹冷縮的變形要求。補償器波紋結構的剛度強，可以適應溫度變化引起的變形，補償器具有穩定性優勢，更符合要求。

2.6 管道設計

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置伸縮節，角度偏轉適應熱脹冷縮變化。長距離跨路使用桁架支撐管道，跨越高度可達到12m。

2.7 氣室設計

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、密度數據，更有利于控制室對線路的在線監控。

2.8 接地設計

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

2.9 在線監測

利用在線監測系統觀察線路運行狀態，在線監測系統主要可以分為故障監測、管道位移監測以及SF6氣體監測三類。故障監測系統主要對內部故障信息展開監測，能夠利用超聲波傳感器實時監測超聲波信號，及時發現超聲波超過最大幅值的情況，對超聲信號進行故障定位，指導檢修人員及時開展定位檢修工作。管道位移監測系統主要用于監測受到環境溫度影響后發生熱脹冷縮引起管道位移問題。在線路中設置多個監測點，傳感器會對位移數值進行在線監測，一旦超過位移界限，將發出警報信號提示檢修人員第一時間處理，能夠及時發現管道位移情況。SF6在線監測系統主要用于檢測SF6氣體密度以及溫度變化，當氣體密度發生變化，或是水含量出現超標的情況，可以第一時間發出預警；能夠及時提醒檢修人員進行處理。

綜上所述，針對110kV普遍存在的安全隱患問題進行優化改造應用三相共箱GIL輸電技術進行優化改造。GIL輸電技術具有顯著優勢，在設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，再結合現場條件完善管道設計、接地設計以及在線監測系統設計，以保證提高110kV線路的安全性，消除安全隱患。