关于气体绝缘传输线(GIL）的磁场屏蔽

罗 遥，陈柏超，丁江峰

(1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072;2.武汉大学口腔医院，湖北武汉 430079）

关于气体绝缘传输线(GIL）的磁场屏蔽

罗 遥1，陈柏超1，丁江峰2

(1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072;2.武汉大学口腔医院，湖北武汉 430079）

本文介绍了气体绝缘传输线(GIL）的基本结构并对其磁场屏蔽原理进行了分析。所有计算均采用解析方法，着重对GIL系统屏蔽原理进行分析。首先以Maxwell方程组对圆柱外壳电磁屏蔽特性进行计算，指出这一结构无法屏蔽内部导体电流磁场的原因。随后根据GIL外壳回路的磁耦合特性对其屏蔽机制进行了探讨。计算过程说明了外壳感应电流产生的原理，给出了GIL系统优异的电磁环境特性的理论依据。

GIL;涡流密度;磁场屏蔽;外壳回路;磁耦合

引言

气体绝缘传输线(GIL）于上世纪70年代在欧美投入运行。现在该技术已发展到第二代。GIL输电系统与传统的架空线和XLPE电缆相比具有诸多优点:低传输损耗;无外部电磁场;无需相位补偿，即便是在远距传输中;无需冷却设备;无起火隐患;修复时间短;不会老化;营运周期维护费用更低。现阶段GIL的主要问题是造价偏高，如能解决这一问题，该技术将会得到更加普遍的应用。然而目前国内文献却缺乏对这一技术基本原理的探讨。国外在这方面的工作可参考R.Benato等人的文献［1］，但这类文献的分析主要是基于电路等效模型与某些近似方法，仍然缺乏直观。考虑到此结构高度对称且充分简单，故完全可能以解析方法进行分析，由此得到的解将具有高度精确性。

1 GIL的基本结构与环境特性

图1为Siemens公司380kV三相传输系统的GIL，其导体内直径156mm，外直径180mm，外壳内直径 500mm，外直径 517mm［2］。

处于中央的是传输导体，该导体被一同轴铝合金外壳包围。导体和铝制外壳之间充以0.7Mpa的20%SF6和80%N2混合气体。白色部分是环氧树脂绝缘支柱。

图1 Siemens公司380kV GILFig.1 380kV-GIL of Siemens AG

2 分析与计算

2.1 圆柱外壳的电磁特性

如图2，在圆柱坐标系中对GIL金属外壳电磁场特性进行分析。外壳内半径为r1，外半径为r2。

设外壳感应电流密度为

其中z0为z轴单位矢量，为感应电流密度相量。导电媒质中可忽略位移电流，从而由Ampere全电流定律得

图2 圆柱坐标分解Fig.2 Cylindrical coordinate decomposition

由Faraday电磁感应定律和Ohm定律得

式中σ，μ分别为铝的电导率和绝对磁导率，σ=37.7×106S/m(20℃），μ=1.2566650 × 10-6N/A2。由(1），(2）可得

此为Poisson方程，在圆柱坐标中展开，并注意δ·和φ，z都无关，就有

此为零阶修正Bessel方程。由此可得通解:

由(3）可得

φ0为φ坐标单位矢量。其中

式中l1(kr）为一阶修正第一类Bessel函数，K1(kr）为一阶修正第二类Bessel函数。

在如图3所示轴对称积分环路中，感应电流等值反向地穿过同一环路，因此它们对外壳外磁场的贡献为零。在r=r1和r=r2处分别有

图3 涡流对积分环路无贡献Fig.3 Eddy current has no contribution to the integral loop

可以下式计算外壳中总电流:

图4 外壳电流密度模值径向分布Fig.4 Radial distribution of current density modulus in enclosure

依r1=250mm，r2=258.5mm，I=2500A进行绘图。结果如图4，5所示。图4为外壳电流密度模值径向分布图。可以看出，模值依径向中点(r1+r2）/2成轴对称分布，符合涡旋电流特征。图5为外壳电流密度辐角径向分布图。

2.2 GIL屏蔽原理分析

对于三相GIL输电线路来说，若要使其外壳上的感应电流产生屏蔽效果，就必须使外壳之间接成回路，如图6所示。

图5 外壳电流密度辐角径向分布Fig.5 Radial distribution of current density argument in enclosure

图6 外壳回路Fig.6 Enclosure loops

如图6，用导体将对称三相制相邻两相外壳进行连接，设连接间距为l，每相导体中心距为d，1，2，3 相导体上分别流过电流I·，a2I·，a I·，其中三相制算子 a=ej120°，1+a+a2=0。

先求出1，2相外壳组成的第一回路电感值L。由于对称性，2，3相外壳组成的第二回路电感值亦为L。设回路中电流为I，外壳外半径为r，则壳外全磁通

回路电感

由于2，3相外壳组成的第二回路中感应电流的磁通亦会穿过第一回路，故需计算这一磁耦合作用的互感值M。

类似求L的方法可得互感

同理对第二回路可得:

显然，(9），(10）两式所成的方程组只要d＞2r就有唯一解:

解的负号表明1，3相外壳的感应电流分别与各自导体电流反向。第2相外壳感应电流为

参考如图6的感应电流方向，注意此图中感应电流参考方向与实际流向一致，从而第2相外壳上的-a2I·表示该相感应电流实际方向朝下，仍与第2相导体中电流反向。这样，GIL系统就能很好地屏蔽导线磁场。

2.3 接成回路时GIL外壳电流密度分布

以(6）式计算外壳中总电流:该结果绘图如下(r1=250mm，r2=258.5mm，I=2500A）:

图7 连成回路时的外壳电流密度分布Fig.7 Distribution of current density in case of connected enclosures

可见电流密度由内而外逐渐减小。此时壳外磁场变为0。

2.4 实际应用中的若干问题

由求解过程可见，理想条件下的屏蔽效果与相间距离d和连接导体间距l无关，也与外壳是否接地无关。实际应用中，相间距离d取值并非任意。若d过小，外壳电阻R可能使感应电流变小且不能与导体电流完全反相，从而削弱屏蔽效果。以下给出d的一个估计:

不计R时有

η为感应电流实际值与理想值之比。若要使η≥0.999，则 k≤0.0448。

外壳温度为ϑ时的直流电阻为

α20=4.03×10-3/K为铝的温度系数，此式以R=20=l/σS为基准，σ为铝的电导率，S为外壳横截面积。

交流电阻为

Fsp和Fλ分别是电流限制效应系数和铠装损耗系数。对于GIL，电流约束效应实际上可以忽略(FspFλ≈1）。

于是有

若r1=0.25m，r2=0.2585m，传输温度 ϑ =70℃，要使η≥0.999，则有

d≥0.2585+0.2585e0.417=0.651m

即相邻两相外壳之间间隔需大于0.651-0.517=134mm。这一要求一般而言总是可以达到的，故并不需要对d值加以特别考虑。

实际运用中l的值亦有限定。出于安全上的考虑，每一回路都必须进行双端接地，也即所谓整体连接(solid-bonding）。接地距离l应由普通和故障情况下的允许接触电压确定，根据实际情况，l值一般取为 200m 到 400m［3］。

3 结论

三相GIL金属外壳之间必须接成回路才能保证外壳感应电流得到利用。感应电流的产生主要源于外壳回路的磁耦合效应。对GIL一般采用多点接地的整体连接方式，且相间距离不宜过近。同样出于减小连接回路电阻的考虑，连接导体的电阻应充分小。理论上，接地线的电阻和大地的电阻对感应电流效应并没有显著影响。接地时要考虑允许接触电压以确保人员安全。

References）:

［1］R Benato.High capability applications of long gas-insulated lines in structures［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，2007，22(1）:619-626.

［2］S Pöhler. Gasisolierte ubertragungsleitungen (GIL）für unterirdischen energietransport(Gas insulated transmission lines(GIL）for underground energy transport）［A］.Siemens，ZVEI 2002 Life Needs Power［C］.2002.

［3］Bernd R Oswald，Anneke Müller，Marcel Krämer.Vergleichende studie zu stromübertragungstechniken im höchstspannungsnetz(Comparative study on power transmission techniques in the EHV networks）［R］.ForWind Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg und Hannover，Sept.，2005.

［4］R Courant，D Hilbert，钱敏，郭敦仁译 (translated by Qian Min＆Guo Dunren）.数学物理方法 (Methods of mathematical physics）［M］.北京:科学出版社 (Beijing:Science Press），1981.

［5］L A Bessonov，陈伟鑫译 (translated by Chen Weixin）.电工理论基础 (Fundamental theory of elec.eng.）［M］.北京:人民教育出版社 (Beijing:People Education Press），1982.

Magnetic shielding of gas-insulated transmission lines(GIL）

LUO Yao1，CHEN Bai-chao1，DING Jiang-feng2
(1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China;2.School of Stomatology，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

The basic structure of the gas-insulated transmission lines(GIL）is introduced and their principles of magnetic shielding is analyzed.The analytical method is provided for all calculations，focusing on the explanation of the GIL shielding capability.The electromagnetic shielding of the cylindrical enclosure is analyzed by the Maxwell equations and shows the inability of its magnetic field shielding on internal conductor.Then，concerning the magnetic coupling of the GIL’s shell loop，its shielding mechanism is discussed.By these calculations，the principle of the enclosure induced current is explained，and the GIL’s superior characteristics of the electromagnetic environment is clearly shown.

GIL;eddy current density;magnetic field shielding;enclosure loop;magnetic coupling

TM153+.5

A

1003-3076(2010）03-0049-05

2009-10-16

罗 遥(1983-），男，湖北籍，博士研究生，主要研究方向为高电压与绝缘技术;

陈柏超(1960-），男，湖北籍，教授/博导，主攻磁控电抗器理论及应用、输配电系统过电压、电力电子技术在高电压中的应用、电能质量及控制等。