GIL-架空线混合输电线路故障特性研究

李浩原 ，王文娟， 刘 超，李文津， 曾维雯， 雷雨田

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071;2.国网四川省电力公司成都市青白江供电分公司,四川 成都 610300)

0 引 言

随着社会经济的发展，城市用电量越来越大，而大规模发电装置往往远离负荷中心，需要长距离的电能输送。为了降低电能传输中的损耗，一般会采用超高压或特高压输电线路进行大负荷电能的输送[1]。

架空输电线路是目前最常用的输电方式，一般多用于输电走廊宽裕的地区，而对于输电走廊紧张的城市，其适用性受到限制。而气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line, GIL)具有输电容量大、占地少、维护量小、环境影响小等显著优点，逐渐成为特殊环境下替代架空线路的首选[2-3]。GIL是一种采用SF6气体或SF6与N2混合气体绝缘[4-5]、金属外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。作为当今世界的先进输电技术，GIL提供了一个紧凑、可靠、经济的电力输送方式[6-7]。GIL采用全封闭式结构，管道内部的绝缘气体间隙和绝缘子(支柱绝缘子和盆式绝缘子)的绝缘性能不受外界环境中各类污秽、雨雪和覆冰的影响，不存在发生污闪和覆冰闪络的可能，可以替代高寒、多雨雪、重污秽地区的架空输电线路，相对于架空线来说GIL故障率更低，运行更为安全可靠[8-10]。

由于GIL的上述优良性能，使其成为复杂地形或走廊紧张地区高压大容量输电的首选方案。某工程拟建设地下综合管廊，将两回500 kV架空线路部分改入综合管廊，采用两回500 kV GIL敷设于地下管廊中。改造后，原纯架空输电线路变成了GIL-架空线混合线路。由于架空线与GIL的线路参数存在明显的差异，由此可能造成改造后的混合线路阻抗发生变化，继而引起线路的故障特性发生变化，因此有必要对此进行研究，以保障改造后输电系统的安全运行。

文献[1]根据单相GIL的几何结构研究了单相GIL金属外壳和内导体的电流和磁场分布特征，讨论了GIL的磁场分布对GIL电气参数的影响。文献[11]研究了水平对称三相GIL的磁场分布特性，给出了水平对称三相GIL磁场分布和阻抗的数值计算结果。文献[12-13]考虑输电线路的集肤效应和邻近效应对GIL线路参数的影响，给出了考虑集肤效应和邻近效应的GIL模型。文献[14]根据GIL的电气参数特征，采用无损贝瑞隆模型建立了GIL-架空线混联线路系统模型。上述文献研究了GIL的电气参数，但均未考虑纯架空输电线路部分改造为GIL后系统故障特性的变化。因此，拟针对该500 kV GIL与架空线混合线路工程，建立PSCAD仿真模型，研究该混合线路的故障特性，并将其与改造前的纯架空输电线路进行对比，得出二者故障特性的差异，对架空线进行GIL改造提出建议。

1 GIL结构和接地方式

GIL的几何结构如图1所示，内部芯线为传输电能的载体，采用高电导率的铝合金材质，考虑交流电的集肤效应，芯线内部设计为中空。金属外壳和芯线为铝合金材质，芯线与金属外壳同轴布置，金属外壳和芯线之间充有高压绝缘气体SF6。

图1 GIL横截面结构

GIL目前常用的敷设方式主要有架空敷设、直埋敷设和隧道敷设3种。不论何种敷设方式，为实现对芯线的电磁屏蔽和保障故障时人身和设备的安全，GIL的金属外壳会进行接地处理，所研究的工程中GIL线路的长度为6 km，GIL沿线装设接地铜排，每隔30 m用接引线将外壳接到接地铜排上，然后将接地铜排的两端接地。

2 GIL-架空线混合线路仿真建模

所研究的架空线改造工程改造后的输电线路系统如图2所示。图2中，终端站1侧的架空线长度为15 km，终端站2侧的架空线长度为9.5 km，GIL长度为6 km。GIL的制作工艺、敷设环境、几何架构等与架空线有显著区别，无法采用常规架空线模型进行等效和模拟。因此，首先针对GIL输电线路进行建模，以实现GIL-架空线混合线路的精确电磁暂态仿真建模，进而对GIL-架空混合线路的故障特性进行仿真与分析。

图2 500 kV GIL-架空混合线路系统

采用常用的电磁暂态仿真计算软件PSCAD/EMTDC进行GIL-架空线混合线路的建模。

1)GIL仿真模型

采用PSCAD/EMTDC中的Cable模型进行GIL的模拟，Cable模型可以在其Layer Configuration中设置为C1丨I1丨C2(C表示导体，I表示绝缘层)，与GIL对应的结构即为：金属芯线丨气体绝缘层丨金属外壳，同时该模型的芯线可设置为中空的形式，与GIL的芯线结构完全一致。各材料层通过电气参数设置来体现其电气特性。

图3为PSCAD中Cable模型的界面，根据表1中参数进行模型的设置，该模型表示的参数为中空芯线内半径0.075 m、外半径0.090 m，绝缘气体层厚度0.187 m，金属外壳内半径0.277 m，金属外壳外半径0.285 m。

图3 PSCAD中Cable模型界面

2)GIL-架空线混合线路模型

架空线采用PSCAD中的Transmission Lines模型，该模型可详细模拟架空输电线路的杆塔、导线和地线的参数。采用频率相关模型搭建GIL-架空线混合线路中架空线路段的模型，架空线的几何参数根据实际参数进行设定。架空线路段的模型与GIL的模型相连，构成整体的混合线路模型。

500 kV GIL-架空混合线路仿真模型如图4所示。其中，架空输电线路1段和2段的长度分别为15 km和9.5 km，架空线为两个单回500 kV线路。终端站1侧电源电压为500 kV，电源的正序阻抗为0.303 2+j4.915 5 Ω，零序阻抗为0.303 2+j5.043 9 Ω；终端站2侧电源电压为500 kV，电源的正序阻抗为1.130 1+j7.331 6 Ω，零序阻抗为1.130 1+j7.524 6 Ω。中间的GIL区段的长度为6 km，用于模拟两回GIL，分别与两回架空线连接。

图4 500 kV GIL-架空线混合线路模型

GIL-架空混合线路改造前是与混合线路长度相同的纯架空输电线路，杆塔结构和导线参数与GIL-架空混合线路中的架空线参数一致，采用频率相关模型搭建GIL改造前的均匀架空线输电线路模型。

3 GIL-架空线混合线路故障特性仿真

GIL的电气参数与架空线之间存在差异，改造前后线路相同位置发生故障时，故障相电压、电流会发生变化。

GIL-架空混合线路的故障分析方法与纯架空线路基本相同，下面基于混合线路等效仿真模型，通过仿真总结提炼故障特性与纯架空线路的差异性。通过在不同线路位置施加单相接地故障、两相相间故障、两相接地故障和三相接地故障，分析终端站1母线处检测到的电压和电流变化。通过GIL-架空线混合线路和纯架空线路两种情况下仿真计算得到的故障相电压电流对比，得出二者故障特性的差异。

在混合线路模型中架空线1段上距离终端站1侧电源母线7.5 km和15 km、GIL中点和终点、架空线2段距终端站2 4.5 km等5处分别发生故障，如图5所示。设置在0.30 s时故障发生，故障持续时间为3个工频周期，0.36 s故障切除。终端站1侧PT、CT测量故障后电压、电流波形。在所搭建的纯架空线输电线路模型中与混合线路相同的故障位置处发生故障，终端站1侧PT、CT测量故障后电压、电流波形，并和混合线路的故障电压、电流波形进行比较。图6至图13为距离终端站1侧电源母线7.5 km处发生不同类型故障时，在终端站1母线处监测到的混合线路系统与纯架空线路系统的故障相电压电流波形。

图5 500 kV GIL-架空线混合线路故障位置

图6 混合线路发生A相接地故障时故障相电压、电流

1)A相接地故障

通过图6和图7对比，混合线路和纯架空线路架空线1段距离终端站1侧电源母线7.5 km处发生A相接地故障时，故障相电压降低，电流增大。对比改造后混合线路和改造前纯架空线路的故障电压、电流可以看出改造前后故障相的电压、电流变化很小，故障相电压最大相差1.54%，故障相电流最大相差2.94%。

2)AB相间故障

通过图8和图9对比可以看出，混合线路和均匀线路架空线1段距离终端站1侧电源母线7.5 km处发生AB相间故障时，故障相电压降低，电流增大。对比改造后混合线路和改造前纯架空线路的故障电压、电流可以看出改造前后故障相的电压、电流变化很小，故障相电压最大相差0.58%，故障相电流最大相差0.82%。

图8 混合线路发生AB相相间短路故障时故障相电压、电流

图9 纯架空线路发生AB相相间短路故障时故障相电压、电流

3)AB相接地故障

通过图10和图11对比可以看出，混合线路和均匀线路架空线1段距离终端站1侧电源母线7.5 km处发生AB相接地故障时，故障相电压降低，电流增大。对比改造后混合线路和改造前均匀架空线路的故障电压、电流可以看出改造前后故障相的电压、电流变化很小，故障相电压最大相差0.96%，故障相电流最大相差0.79%。

图10 混合线路发生AB相接地故障时故障相电压、电流

图11 纯架空线路发生AB相接地故障时故障相电压、电流

4)ABC三相接地故障

通过图12和图13对比可以看出，混合线路和均匀线路架空线1段距离终端站1侧电源母线7.5 km处发生三相接地故障时电压降低，电流增大；对比改造后混合线路和改造前均匀架空线路的故障电压、电流可以看出改造前后故障相电压最大相差0.85%，故障相电流最大相差1.02%。

图12 混合线路发生ABC三相接地故障时故障相电压、电流

图13 纯架空线路发生ABC三相接地故障时故障相电压、电流

不同位置处发生故障时终端站1处母线监测到的故障相电压和电流的差异见表1。

表1 不同位置发生故障时混合线路和纯架空线路故障相电压电流差

从表1的混合线路和纯架空线路的不同位置故障波形的仿真结果可以看出，当故障位于GIL区段左侧时，终端站1侧PT、CT测量混合线路模型和均匀线路模型在同一故障位置的故障电压、电流波形变化较小，电压最大相差3.50%，电流最大相差5.19%。这主要是因为故障位于GIL左侧时终端站1侧故障回路中不包含GIL区段，故障电压、电流波形变化不大。

当故障位于GIL区段内或右侧时，终端站1侧PT、CT测量混合线路模型和均匀线路模型在同一故障位置的故障电压、电流波形变化较大，电压最大相差8.67%，电流最大相差20.88%。这是因为故障位于GIL区段内或右侧时终端站1侧故障回路中包含GIL区段，且GIL的电气参数与架空线之间存在较大差异，故GIL改造前后故障波形变化较大。

通过以上仿真结果可知，架空线路部分改造为GIL后，由于输电线路参数发生变化，故障相电压电流与改造前存在差异。线路改造后，当故障发生在GIL区段内或右侧时，终端站1监测到的故障相暂态电流最大可增大20.88%，若改造后终端站1的进线断路器未更换，该电流可能会超过断路器的暂态电流开断能力，有必要对此进行校核，以确保混合线路发生短路故障时，断路器能可靠切断暂态故障电流。

4 结 语

针对某500 kV双回架空线路部分改造为GIL的输电线路工程，在PSCAD中建立了GIL-架空线混合线路模型和改造前的纯架空线模型，在线路不同位置处设置短路故障，仿真计算了故障相电压和电流，并对线路改造前后的故障相电压、电流进行了对比分析，结论如下：

1)当故障点位于GIL左侧时，同一故障位置的故障电压、电流波形变化较小，电压最大相差3.50%，电流最大相差5.19%；

2)当故障点位于GIL中或右侧时，同一故障位置的故障电压、电流波形变化较大，电压最大相差8.67%，电流最大相差20.88%。

3)由于架空线部分进行GIL改造后，输电线路的参数发生了变化，故障后终端站1母线处监测到的暂态故障电流最大可增大20.88%，该电流可能会超过终端站1进线断路器的暂态电流开断能力，有必要对此进行校核，以确保混合线路发生短路故障时，断路器能可靠切断暂态故障电流，保障设备安全。