gis和gil壳体环流及损耗分析

gis和gil壳体环流及损耗分析

0两种感应电流由于电子表格架上频率电流的电磁感应，气体绝缘电气装置（gis）和气体绝缘电路（gil）的外壳中存在两种感应电流，即从外壳横截面处的漩涡，以及由壳体多地缘交换器、地网和外壳引起的循环。前者已有不少文献分析和计算,但分析环流的文章较少,在国内高压电器工程界对环流现象的具体解释分析也不尽一致,甚至互相矛盾。本文采用电磁式电流互感器的原理和误差方程式对此现象作出初步的分析和估算,供读者讨论及指正。1原副边电流的工作原理产生环流的基本原理是电磁感应。本文拟用单匝空心电磁式电流互感器原理分析这一现象,作者认为这样分析对熟悉电磁式电流互感器的人员来说,物理概念更为简明、清楚。电磁式电流互感器的等值电路见图1,此等值电路在电力变压器、电流互感器书籍中和一些高压电器书籍中都可以找到。图中,R1、xs1为原边漏磁阻抗;R2、xs2为副边漏磁阻抗;Rm、xm为激磁阻抗;I1、I2、Im为原边、副边和激磁电流。对于本文分析的对象,由于空间基本没有铁磁体,所以是一台空心的电流互感器。设备中的高压载流导体可看作电流互感器中只有1匝的原边电路,流过其中的电流则是互感器的原边电流;地线、外壳接地点及外壳形成的环路是互感器的副边,也只有1匝,其中流过的电流则是环流,也即流过外壳和地线的环流。这一情况可参见图2。这一互感器原副边都只有1匝。高压载流导体与环路间的互感即是该电流互感器的激磁电感,由此形成互感器的激磁电抗。由于没有铁心,所以没有激磁电阻。环路的电感可看作互感器副边的漏感并形成漏抗,并与外壳纵向电阻和地线电阻形成的电阻构成副边的漏磁阻抗。与一般互感器不同处是该电流互感器副边呈短路状态,没有负荷阻抗。在此情况下,原副边电流的关系可用互感器误差原理和公式进行分析。首先,误差与原边漏磁阻抗无关,只与激磁阻抗及副边漏磁阻抗之比有关,此比值越大,误差越小。如果激磁电抗为无穷大,或副边漏磁阻抗为0,则此互感器电流误差为0,也即原边电流和副边电流完全相同,这是极端情况。实际情况与此差别很大,特别是激磁电感由于原边只有1匝,主磁通磁路没有铁心,原副线圈的磁通耦合很差,激磁阻抗极小且与漏磁阻抗相近,所以互感器误差极大且为负值,也就是说GIS和GIL外壳中感应电流虽然与导电杆中的电流同属于一数量级,但将明显小于高压导体中的电流。2gis的载荷有一220kVGIS,有关结构参数如下:额定电流In=3150A,本例计算在额定电流下的情况;空心导电杆直径d1=50mm,d2=90mm;外壳直径D1=406.4mm,D2=422.4mm,平均直径D=414.4mm;外壳厚度h=8mm;外壳材料为铝合金,电导率γ=8.24MS/m,磁导率μ0=0.4πμH/m。电感互感及漏感定义为:L2=Ψ2/I2；M12=Ψ2/I1；(1)L2s=L2−M12。L2=Ψ2/Ι2；Μ12=Ψ2/Ι1；(1)L2s=L2-Μ12。式中,L2为导电杆副边电感;M12为导电杆原、副边互感;L2s为导电杆副边漏感;Ψ2为副边磁通。图3是简化的计算图形。根据电工原理有关知识,可得单位长激磁电抗xm=ωM12=ωμ0ln((2R+s)/R)=43.6μΩ/m。(2)式中,R为外壳半径;s为外壳与地线电流范围的距离,此处简化如图3所示,s=0。角频率ω=314rad/s;单位长导电杆副边电抗x2=2xm=87.2μΩ/m;单位长导电杆副边漏抗x2s=x2-xm=43.6μΩ/m;单位长外壳轴向电阻r=2.5μΩ/m。当不计地线电阻时,x2≫r,r对外壳环流的影响可忽略不计,此时环流值Ic=In/2=1575A。Ιc=Ιn/2=1575A。单位长外壳损耗P=I2cr=6.2W/m。Ρ=Ιc2r=6.2W/m。有关文献查得GIS的其他损耗为:单位长导杆的损耗为94.6W/m;单位长外壳涡流损耗为17.7W/m;以上单位长总损耗为112.3W/m,为环流损耗的18倍。3导流排的设置目由上节计算可见,外壳环流明显比导电杆电流小,认为外壳环流和导电杆电流相等是估计过高的。因此,现有温升试验方法在外壳内通以额定电流所得温升是偏于安全的。在粗略估算例题中,外壳环流损耗不大。如果考虑地线电阻外壳损耗会更小。但如果考虑设备端部有导流排,外壳电流及损耗将加大而不是减小。因此,导流排设置的目的不应是为了减少外壳损耗及温升。当环路总电阻值不同时,环路总损耗也不同。经计算,当地线电阻为85.7μΩ时,环路电流为1130A,单位长环流损耗最大值可达114W/m,此损耗的绝大部分(97.8%)出现在地线内。当发生31.5～63kA短路故障时,此损耗将增加100～360倍。因此一些文献认为,在三相外壳端装设导流排的目的只是为了避免地线过热,特别是垂直接地线的过热。单相长管道多接地点时,可能只会在两个远端的接地处有环流流过,其他接地处电流可能很小,极限值为0。因此导流排宜设在GIS管路的两端最外侧。三单相设备的环流情况与单相类似,但数值有所不同,此处从略。三相环流现象与单相主要不同处在于,单相纵向地网电阻发热,而三相电流有效值相等时会只在外壳的端部地网发热,纵向地网电阻并不发热。但在单相短路等情况下则垂直接地线仍会有环流流过。4环境压的损耗估算a)应用原副边单匝空心电流互感器分析GIS和GIL物理概念更