110kV线路安全隐患整改中三相共箱GIL输电技术

国网江苏省电力有限公司常州供电分公司 任显铭 陈柯宁 段晨阳

GIL是一种新型的输电方式，具有容量大、损耗低以及寿命长的特点。在对线路整改过程中，应用三相共箱GIL输电技术对供电线路进行合理规划设计，电力系统更安全、更可靠，并且此项技术备受关注和认可，在实际应用中，展现了显著的技术优势。

1 三相共箱GIL输电技术优势分析

本文主要探讨采取三相共箱GIL输电技术进行线路改造，以提高输电线路的安全性。三相共箱GIL主要包括导体、壳体以及三支撑等部分构成，优势特点显著，能够满足电力运输需求，可以节省占地面积，能够降低电力损耗，方便人员操作，并且防护强度高。支撑材料使用的是环氧树脂环保材料，绝缘性能强，功能作用显著，导体使用高导电率的铝合金材料，壳体选择耐腐蚀的铝合金，并使用SF6气体进行填充，充分提高其绝缘性能。该结构充分发挥出高导电率、耐腐蚀性以及绝缘的优势，提高输电线路的安全性。

与分相GIL相比，三相共箱GIL具有明显的优势。其一，可以弱化相关部件的风险，能够提升安全系数，可以在相同的质量条件下，三相共箱的关键部件数量是分相的30%，部件数量的降低使产品故障率得到有效控制，据计算产品故障率已降低至25%。其二，将供电线路整改成三相共箱GIL结构能够大幅缩短安装工期。在具体开展相关作业过程中，主要应用的是GIL结构，由于工程单元较多，采取和应用GIL结构，能够最大限度满足使用需求，此种模式下，切实提高了施工效率，促使施工进度计划持续地推进，施工效率更高，施工质量也有保障，有利于在预期的工期内完工建设。其三，三相共箱GIL内部导体是品字形结构，外壳涡流产生的损耗也会相应降低，通过计算设备总体损耗能够降至34%以下。可以说，三相共箱GIL的应用影响了“碳达峰”号召，有效解决了供电线路损耗的问题。其四，三相共箱GIL与分相GIL结构相比较，具有实际占用面积小，结构很紧凑，切实节约了占地面积，节省人工同时，大幅降低设备的安装成本。三相共箱GIL由壳体、导体和三支撑等部件组成[1]。壳体采用铝合金管材支撑，内部利用气体填充；在每个GIL单元内部仅存三根导体；而三支撑选用环氧树脂材料制作而成，GIL的选材大幅降低了三相共箱GIL的结构质量缝，而部件的排列使空间利用率达到最大化。

2 三相共箱GIL输电技术的应用

2.1 总体布局

考虑到变电站实际情况，采取三相共箱结构为主，以分箱为辅的电路设计，采取架空敷设、地面敷设方式。该设计方式能够充分融合三相共箱GIL的优势，保证输电线路结构灵活，能够灵活补偿适应。三相共箱GIL主要应用在主线路的电能输送上，分箱则用于辅助线路连接上。提前通过三维建模软件进行线路模拟，确保输电线路不会对周围建筑、公路等结构造成影响，再通过力学校核以及微调方案形成最终方案。

2.2 参数设计

GIL输电作为全新的输电方式，可靠度高、损耗度低、输电量大，通过合理规划可满足大部分工程需要，具有较高的可靠度。三相共箱GIL输电成本可控，推广性好，应用范围广泛，广受市场的青睐，在此种结构下，能够缩短各个相之间的距离，实现对成本管控的同时，能够避免发生不必要的问题。此外，三相共箱GIL输电的磁场增加，对于支撑绝缘子提出更高要求也可能引起GIL振动。因此，计算短路电动力，通过建立GIL磁场模型，使用磁矢势建立方程组，通过时域分析计算磁场和感应电流分布。计算单位：电动力，公式为：

J=▽×（μ-1）▽×A

B=▽×A

F=∫J×Bdv

其中，J表示电流密度，μ表示磁导率，A表示磁矢势，F表示洛伦兹力，B表示磁通密度，d表示导电杆长度。

按照要求三相试验中，任何一相中电流和三相电流均值之间差值不应超过10%。尤其是非对称短路时，短路相电流值为0，未达到要求。因此，使用三相短路电流进行三相共箱试验，进行短时耐受和峰值耐受的电流试验[2]。研究发现，大功率供电电路有三相短路的情况，为此，为避免出现上述问题，需要保持公平持续的稳定性；阻抗为（R+R’）+jω（L+L’）。电路在短路后处于暂态状态，左侧阻抗变为R+jωL，电流逐渐增大至暂态电流。电路右侧应用的是无源网络，观察可见有电流消减的情况，电流最大值只能达到稳态电流值水平。

在短路发生前由于短路电流大，也会造成短路电动力值增加，短路时间逐渐延长会造成短路电流衰减，逐渐交流分量，这时三相电流基本达到同一水平，低于瞬态短路电动力。在短路发生前0.1s，当额定短路电流达到63kA水平时，0.01s时短路电流处于最高水平，可达到160kA水平。

因此，建立GIL几何模型，施加三相短路电流，根据瞬态电磁场，计算壳体、导体以及空气中国磁通密度、电流密度以及电动力数值。在壳体内设置导电杆，可选择三支柱绝缘子、单支柱绝缘子等，建立高低电位隔离。三根导电杆可以采取一字形、异形等边等不同布置形式本文采取等边布置形式进行研究，建立如图1所示的仿真模型。其中，壳体厚度为100mm，壳体外径为580mm，导电杆厚度15mm，导电杆直径100mm，空气域直径2500mm，分度圆直径280mm。导电杆和壳体均选择铝合金材料，壳体内部填充SF6绝缘气体，外部为空气。科学设定模型的厚度，通过增加导电杆的截面，防范出现短路的情况，仿真模型中由于空气域尺寸远超过壳体尺寸，将空气域边缘作为磁绝缘。

图1 仿真模型

对模型进行计算分析，观察在短路电流条件下GIL磁通密度以及电流密度变化，获取导电杆水平和竖直方向上的电动力分力。B相上产生短路电动力的最大值，即在相角为-30°时产生短路电动力最大值4680N/m，时间为0.0088s。

如采取一字形布设导体，那么可以通过公式进行短路电动力值的计算，公式为：

2.3 绝缘子设计

当电路发生短路后会产生大量热量，从而形成电动力，对电路稳定性和设备性能产生严重影响，因此在设计上需要重点关注产品结构，应选择更理想的绝缘子，提高其耐振动、耐短路的能力，从而应对短路故障的发生。在三相共箱结构中，导电杆主要承受着短路电动力的破坏，同时绝缘子需要承受导电杆的共同作用。在三相导电杆之间短路电动力也会根据时间的变化产生加强或者抵消的作用，如上文所提到的，当短路电动力达到峰值水平时，导电杆电动力受力方向完全不同。承受电动力的同时，导电杆承受电动力也会产生互相作用，电动力组合作用将对绝缘子造成更大的应力作用，同时由于三个导电杆受力方向的不同，很难在试验中模拟导电杆受力情况[3]。

由于绝缘结构不同，在具体计算方面，需要依据瞬态短路电动力进行计算，从不同维度分析绝缘子受力情况，并以此分析绝缘子性能强度。受电动力等因素的影响，对导电杆的形态产生了一定的影响，导电杆会发生弯矩情况，而此时，绝缘子需要承受额外的作用力，此时，在力的相互作用下，展开进一步的研究和试验，进行抗弯试验，分析影响因素，找出干燥因素，并做出全面的分析和评估。当两相导电杆之间产生电动力斥力作用，绝缘子同时也将承受导电杆之间的互相斥力作用，可通过斥力试验对绝缘子强度进行校准。

2.4 抗振设计

短路电动力与GIL结构之间存在共振作用力，若是出现线路短路的情况，会造成线路损坏，为解决上述问题，通过分析瞬时短路电动力等因素，对GIL抗振强度进行分析，判断GIL是否达到抗振设计要求。

2.5 补偿设计

由于GIL采用金属外壳，随着环境温度变化不可避免产生热胀冷缩问题，需要通过补偿设计解决开裂等问题。可采取自然吸收补偿、金属波纹管补偿两种方式设计。自然吸收补偿借助于管道自适应挠度来释放变形能量，即弹性变形。但该方法存在不稳定性，难以适应热胀冷缩引起的变形变化，从而达不到补偿效果。金属波纹管补偿需要计算GIL发生的变形量，并根据变形量值选择补偿器，以满足热胀冷缩的变形要求。补偿器波纹结构的刚度强，可以适应温度变化引起的变形，补偿器具有稳定性优势，更符合要求。

2.6 管道设计

GIL管道尺寸主要使用2500mm以上尺寸管道，管道之间保持800mm间距。根据道路走势，一般情况下直路段长度为100m左右，在拐弯和水平位置上设置伸缩节，角度偏转适应热胀冷缩变化。长距离跨路使用桁架支撑管道，跨越高度可达到12m。

2.7 气室设计

选择密度继电器上配置变送器，方便于控制室同步获取温度、密度数据，更有利于控制室对线路的在线监控。

2.8 接地设计

采取多点接地设计，截面应满足长时间接受接地短路电流以及感应电流的要求，GIL输电线路接地方式发生了变化，主要是母线接地，将设备外壳与接地线进行连接，之后与母线进行连接；接地母线连接地网截面根据单相短路电流最大值的70%进行计算。设计接地电极主要考虑接地故障电流的数值、土壤电阻率以及故障时间长度，并选择防腐材料电极。一旦发生短路，设备外壳产生电压降，为了保证设备周围人员安全，需要将GIL连接主接地网，顺沿GIL单元长度进行间歇性接地。GIL管道连接架空线和套管。

2.9 在线监测

利用在线监测系统观察线路运行状态，在线监测系统主要可以分为故障监测、管道位移监测以及SF6气体监测三类。故障监测系统主要对内部故障信息展开监测，能够利用超声波传感器实时监测超声波信号，及时发现超声波超过最大幅值的情况，对超声信号进行故障定位，指导检修人员及时开展定位检修工作。管道位移监测系统主要用于监测受到环境温度影响后发生热胀冷缩引起管道位移问题。在线路中设置多个监测点，传感器会对位移数值进行在线监测，一旦超过位移界限，将发出警报信号提示检修人员第一时间处理，能够及时发现管道位移情况。SF6在线监测系统主要用于检测SF6气体密度以及温度变化，当气体密度发生变化，或是水含量出现超标的情况，可以第一时间发出预警；能够及时提醒检修人员进行处理。

综上所述，针对110kV普遍存在的安全隐患问题进行优化改造应用三相共箱GIL输电技术进行优化改造。GIL输电技术具有显著优势，在设计时需要建立模型分析短路电动力情况评价GIL线路性能，选择合适的绝缘子和布置形式，再结合现场条件完善管道设计、接地设计以及在线监测系统设计，以保证提高110kV线路的安全性，消除安全隐患。