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气体绝缘金属封闭开关柜接地回路模型的建立与分析
摘要：气体绝缘开关柜的接地回路关系到设备的安全运行和站内人员的人身安全。本文首先分析了GIS导体与外壳之间的耦合关系，推导出适用于三相分箱GIS和三相公用箱GIS的空心变压器模型。根据电磁场的相关知识，给出了导体阻抗、壳层阻抗和导体壳间互阻抗的具体计算公式。最后，通过两个典型案例，模拟了550kV GIS和126kV GIS的壳体环流，给出了三相盒装GIS和三相共箱GIS壳体环流的近似分布。
关键词：壳体接地；循环；空心变压器模型
1 介绍
GIS(气体绝缘开关设备)在我国电力系统各种电压等级的变电站中得到了广泛的应用。GIS交换设备具有运行稳定、结构紧凑、占地面积小(仅占开式设备的10%~25%)、环境适应性强等优点。GIS交换设备尤其受到城市电网变电站的欢迎。在中国的1000kV特高压交流项目中，GIS成为了唯一的选择。
GIS是通过外壳实现的。电流通过GIS中的内部导体，形成外壳与导体之间的电位差。SF6气体填充在导体和外壳之间，起到绝缘作用。目前，在国内外GIS产品中，126kV GIS多为三相箱式，而252kV GIS总线部分有三相箱式和三相箱式两种。252kv断路器部分多为三相箱式断路器。550kV GIS和1100kV GIS为三相箱式。目前，国内外GIS系统外壳采用多点接地方式进行连接。在盆形绝缘子处有跳线或金属嵌件。
随着GIS设备的发展，其体积越来越小。同时，导体与壳体之间的距离也更加紧密。但由于其结构紧凑的特点，使得GIS外壳与内部导体之间的电磁耦合更强。当有电流通过导体时，金属外壳会产生感应电压。感应电流通过设备外壳的某个回路。这种感应电流称为环流。当感应电流通过壳体时，由于壳体的阻抗作用，GIS壳体会产生明显的感应电位。GIS外壳离地面越远，感应电压越高。当外壳电压过高时，会严重威胁到工作人员的人身安全和相关监控设备的安全。近年来，由于GIS的不规则接地设计，严重的高温甚至火灾不断发生。
目前，国内外对GIS在合闸运行时在外壳上隔离开关点的VFTO问题进行了研究。大量文献对GIS进行了分析计算[1-7]。然而，关于GIS圈地环流分析的相关研究很少。国内外高压电气工程对环流现象的分析有不同的具体解释，但没有形成统一的标准，也缺乏有说服力的研究结论[8]。文献[9]-[10]基于GIS的运行维护，讨论了GIS机壳接地感应电流的产生原因、分布及存在的问题。文献[11]-[12]对GIS接地系统进行了仿真计算。文献[13]分析了GIS导体和外壳的波动过程。文献[14]对550kV GIS罐体进行电磁感应分析，对材料和壁厚进行仿真建模。文献[15]重点分析了GIS设备外壳法兰密封结构与流量之间的关系。文献[16] 计算了GIS总线的电磁场和涡流损耗。
本文分别建立了三相分箱型GIS和三相共箱型GIS壳循环模型。应用电磁场理论对GIS围护结构进行了分析。
2 GIS外壳感应电流模型
2.1 三相箱型GIS外壳电流模型的建立
以三相箱式GIS为例，每个GIS外壳中只有一个相导体。GIS中的导体与壳体形成同轴电场，如图所示。导体电流为I1，壳层电流为I2
图1 GIS三相箱感应电流图
由于GIS外壳与内部导体之间的距离较短，它们之间的电磁耦合较强。
根据电路原理，基本原理图如图2所示。可以得到Z1是导体的阻抗。 Z2是这个箱子的阻抗。Zm是导体与外壳的互阻抗。 ZL是接地线和地网的阻抗。
图2 GIS三相箱等效电路图
根据图2，我们可以得到方程(1)
式(2)可由式(1)推出。
由式(2)可得等效模型，如图3所示,其中，图中各参数的计算方法如图2所示。
图3 GIS三相箱等效空心变压器模型
从图中可以看出。GIS导线和外壳构成了变压器模型。由于导体和外壳之间没有铁磁，所以是空心变压器。其中导体为一次绕组，外壳为二次绕组，均为一次绕组。导体与外壳间的互阻抗Zm是空心变压器的励磁电抗。由于没有铁芯，励磁电阻为0。因此，Zx表现为纯电阻。如果Z是无限的，I1= I2因此，导体电流等于壳层电流，空心变压器的变化率为1。事实上，Zm不可能是无限的，而且Zm分支总是被分流，所以总是有I1gt;I2。这意味着导体的电流高于外壳的电流。壳电流(I)与导体电流(I)的关系与GIS的结构、尺寸和导体壳材料有关。据统计，I2大约为(0.4~0.7)倍的I1在GIS管道中间，若电场相对均匀，I2约为0.4倍的I1
2.2 三相公用箱GIS外壳电流模型的建立
在三相箱GIS中，每个GIS案例包含一个三相导体。三相共线箱GIS感应电流示意图如图所示。I1A是A相的导体电流。B相的导体电流为I1B。i1C是C相的导体电流。I2是外壳电流。这是A相、B相和C相导体电流的矢量和。
从图中可以看出。GIS导线和外壳构成了变压器模型。由于导体和外壳之间没有铁磁，所以是空心变压器。其中导体为一次绕组，外壳为二次绕组，均为一次绕组。导体与外壳间的互阻抗Zm是空心变压器的励磁电抗。由于没有铁芯，励磁电阻为0。因此，Zx表现为纯电阻。如果Zm是无限的，I1= I2。因此，导体电流等于壳层电流，空心变压器的变化率为1。事实上，Zm不可能是无限的，而且Zm分支总是被分流，所以总是有Igt;I。m 12这意味着导体的电流高于外壳的电流。壳电流(I)与导体电流(I)的关系与GIS的结构、尺寸和导体壳材料有关。21据统计，I1大约为(0.4~0.7)I2。在GIS管道中间，电场相对均匀，I1约为0.4倍的I2。
三相公用箱GIS外壳电流模型的建立
在三相箱GIS中，每个GIS案例包含一个三相导体。三相共线箱GIS感应电流示意图如图所示。I1A是A相的导体电流。B相的导体电流为I1B。i是C相的导体电流。I1C外壳电流。这是A相、B相和C相导体电流的矢量和。
图4 三相公用箱GIS感应电流示意图
对于三相共箱GIS，理论上认为三相工作电流在正常工作状态下是平衡的。因此，感应电流矢量由三相外壳产生接近于零，感应电流磁场抵消了外壳外导体电流磁场，使电磁场对外部环境的影响最小。但在实际应用中，即使是三相共箱结构的GIS设备，GIS外壳也不可能达到100%的屏蔽效果。此外，由于内部导体与外壳的几何位置存在不同程度的偏差，GIS外壳总会产生不平衡的感应电流。另外，当系统发生非全相位故障时，GIS外壳的不平衡感应电流会更加明显。
三相公用箱GIS的等效电路图如图5所示。分别为A相、B相和C相的导体阻抗。Z1AZ1B Z1C 为导体与A相、B相、C相壳层之间的互阻抗。ZmAZmB ZmC Z2是外壳的阻抗。ZL是接地阻抗。
图5 三相公用箱GIS的等效电路图
式(3)可由图5中列出。
三相公用箱GIS的等效电路有三个主绕组。此时，进行载荷叠加定理的等效计算。等效电路图如图6所示。的图中各参数的计算方法如图2所示
图6 三相公用箱GIS的等效空心变压器模型
3 计算自感和互感
GIS导体和外壳的电感
在GIS的case电流计算中，导体和case的电阻远远小于电抗，所以在接下来的计算中忽略电阻的影响。
一个。三相箱型GIS导体和外壳的自感、互感计算
GIS中的导体与壳体形成同轴电场。基于电磁场的先验知识，建立镜像计算模型，如图所示。7.
导体阻抗如式(4)所示。
壳体阻抗如式(5)所示。
导体与外壳之间的相互阻抗如式(6)所示。
L—导体自感应;L—GIS外壳的自感应;12
M——导体与壳体之间的互感;
r——导体半径;conductor
r——GIS壳体内部半径;shell
GMD——GIS或串联归纳法的几何平均值;
GMR——GIS壳层几何平均半径;h——地壳对地球的最低高度。
图7 三相箱型GIS自感、互感计算模型
三相公用箱GIS的自感、互感计算
由于内部结构的复杂性，三相共箱GIS不再是简单的同轴电场模型。因此，其导体和壳体的自感和互感的计算方法与三相箱形GIS有很大的不同。
(1)导体阻抗
三相配电箱GIS的导线阻抗与三相配电箱GIS的导线阻抗不同。
文献[2]中提到GIS中电容参数的计算公式如下:
导体与壳体之间的电容为:
三相导体间电容为:
其中N的表达式：
r——导体的半径;1r——壳体内径;2
r -壳直径;3
b——圆的半径
三相导体中心;
根据电磁场的知识，在平行于磁场平面的均匀介质(磁导率为mu)中，单位长度电感L的均匀载流导体系统与相应的平行平面磁场(即,相同的几何)(中等介电常数ε)之间的单位长度电容在C语言中,一个简单的LC =mu;ε之间的关系。因此，根据L，可以得到C。和导体阻抗Z = jomega;L。1 (2)壳阻抗
三相共箱GIS的壳阻抗与三相分箱GIS相同。
(3)导体与外壳之间的相互阻抗
除了根据式(7)推导导体与壳体之间的互阻抗外，还可以参考图8中的镜像模型，并根据式(7)简化计算:
其中，Rand Rare如图所示。
R1——导体到壳层最低点的距离;
R2——导体到壳层镜像的距离。
图8 三相公用箱GIS计算模型示意图
4 案例研究
4.1 三相箱式GIS外壳
感应电流的计算
500kV变电站GIS主接线如图所示。9.GIS离变压器越近，感应电流越大，离变压器越远，感应电流越小。考虑最大感应电流，第一个回路为“no”。选择主变压器—断路器CB5012—出口1”进行仿真。设置工作电流为额定电流6300A
图9 500kV变电站GIS主接线
利用ATP软件建立了电路仿真模型。仿真结果如表I所示。
由表I可知，最大感应电流位于GIS进出线套管短相间处，最大容量为4863。7a，最大容量374。4a为单相地电流。由于三相电流之和的缘故，它相对较小。
案例2:计算实例2:三相公用箱GIS外壳感应电流的计算
110kV变电站GIS主接线如图10所示。
图10 110kV变电站GIS主接线
选择电气距离和空间距离最短的连接条件1主变- DS13 - CB11 - DS12 - bus - DS22 - CB21断路器- DS23电缆终端CSE”，此时变压器进口线附近的感应电流最大。
利用ATP建立了电路仿真模型软件仿真结果如表二所示。表二。感应电流的计算结果
根据计算结果，感应电流随连接位置的变化如图11所示。
图11 126kV GIS感应电流图
从表二和图中可以看出。感应电流主要集中在前两个连接点，特别是在进口套管附近。
五、结论
本文着重对三相分箱GIS和三相共箱GIS的箱体环流进行了分析、仿真和计算。结论如下:
(1)基于壳层与内部导体电流的耦合关系，建立了三相点盒GIS和三相同盒GIS的空心变压器模型。
(2)根据电磁场的知识，计算导体和壳体的阻抗。给出了导体与壳体之间的互阻抗表达式。
(3)本文分别对550kv GIS和126kv GIS的机壳环流进行了仿真计算。讨论了GIS壳体外壳环流的一般分布。对于三相配电箱GIS，外壳的最大感应电流位于GIS进、出套管的短节处。对于三相公用箱GIS。外部感应电流主要集中在进线机箱附近。
承诺
本论文是国家电网上海电力研究院2018年重大科技创新项目(52090017001B, 520940180024)资助的。
参考文献 References
[1]徐G；关Y GIS和GIL的箱体循环电流和功率损耗的简化分析和计算[J]。高电压工程，2009,35(2):247-249
[2]胡锦涛R [7]、交流超高压气体绝缘开关装置隔离开关开关过程中电磁暂态特性研究[D]。北京:华北电力大学，2016
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