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输电系统大比拼!架空线、电缆和GIL的比较!GIL又是什么?

机械工业出版社E视界
2017-02-16
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电力输送的传统方式是采用架空线,但是在一些环境有限制的场合就需要采用地下输电线的解决方案。现今已经有一些地下输电线的方式,其中最普遍的就是电缆,然而气体绝缘输电线路(GIL)也是一种经常用到的解决方案。

本文将对架空线、电缆和GIL从技术、现场、软特性和经济性作出比较,不为比较孰优孰劣,只是想通过比较来强调GIL,突出GIL的特点,让大家更了解GIL!

本文内容来自《气体绝缘输电线路》。此书对GIL技术、经济和环境影响以及电力系统应用方面的分析,对该技术的物理设计、特性以及优点提供了完整的认识,对GIL如何在规划阶段成为最佳解决方案,以及如何应用在电力系统中作了阐述。

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除GIL外,目前的主要输电方式是架空线和固体绝缘电缆。如果只考虑经济方面的因素,架空线方式的成本最低。但在一些情况下,由于公众的反对或没有空间,架空线方案就不可行。这种情况经常发生在大都市、城市中心、机场或生态保护区。

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当需要更高的电力输送能力时,GIL就有优势了,一条GIL线路可以替代2条电缆线路。

关于架空线和电缆的相关知识,小编也给大家找到了参考书籍!

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GIL的特点

GIL可以在地下传输架空线的全部负荷(如2000MVA)而不需要安装并排的其他设备和强迫风冷装置。GIL可以直接地埋安装,隧道安装或者安装在地面上。GIL不需要安装电抗器作为补偿,即使用于60~80km的输电线路。GIL是一个安全的输电系统。所有材料都是不燃的,并且绝缘气体也是无毒的。GIL技术在高压输电领域已有40年的安全可靠的运行经验。

表1 GIL的特点

技术比较

每种技术(架空线、电缆系统和GIL)都有各自的特点。在对比中,由于功能的相互依赖,很难有一个简单的答案说哪种方案是最佳的。在此只说明原则上的对比,对影响大或小可以给出定量的分析。每个工程项目都有其自身的特点,技术方面的影响是各自不同的。这就是为什么需要对每个工程项目做各自的分析。

1.损耗

输电系统的损耗可分为与负荷有关的损耗、介电损耗及与运行设备有关的损耗(如电抗器或电容器组的补偿损耗)等。以下是和输电系统有关的各类损耗的实例。

GIL/电缆损耗和输电系统的阻抗有着直接的关系。通常对于大容量的输电系统,架空线和GIL都采用铝导体,而电缆采用铜导体。导体截面的大小和材料性能是损耗的基础,见表2。

表2 1100MVA输电损耗例子

与负载有关的损耗应用到一个输送容量为1100MVA的输电系统。电缆屏蔽的损耗已经通过采用交叉接地进行了优化,见表2。

介电损耗、与负载有关的损耗完全取决于所使用的绝缘介质。但它们在GIL系统中,几乎可以忽略不计,因为GIL采用了气体绝缘技术,而且内部所使用的绝缘件的数量也非常少。与负荷相关的损耗与负荷电流的平方成正比,并取决于导体的截面积和直径。由于采用了大截面的导体,GIL呈现比充油电缆或XLPE(交联聚乙烯)电缆更低的导体的损耗。图1是各类损耗与电网传输容量的关系。使用交叉接地的好处是减少了电缆外壳的电流,其外部的电磁场与外部完全接地的系统相比要高。

图1 各类400kV输电系统和充油电缆损耗的比较

表3给出了每公里电感和电容的数值。可以看出负载的容量,和每单位长度的电容成正比,GIL要远小于两种电缆。这就是说,按照输电系统的设计,当使用GIL时,其所需要的电抗器补偿的费用要少很多。

表3 充油电缆、XLPE电缆和GIL的主要物理参数

通常线路的传输容量和波阻抗有关。对此,可以看出GIL的波阻抗和电缆几乎相同,也就是说,GIL可以拥有和通常线路一样的传输容量。

若仅考虑输电系统的设备投资(要少于运营费用),可以看出,对于输送容量小的系统,采用自然冷却方式的电缆系统的造价要比输送容量相当的GIL低。对大容量的输电系统,电缆方式则需要采用强迫风冷、水冷或平行多拼结构的电缆。这就大大增加了输电系统的造价。图2给出了造价和输送容量的关系。可以看出,采用自然冷却的GIL输电系统,和同等的电缆系统相比,有着更高的传输功率和较低的造价。该对比是基于在一般地貌的隧道安装或直接地埋的GIL。

图2 图表:电缆和GIL系统的成本对比

如果是需要大传输容量的地下输电系统来取代架空线的工程,GIL(优势是运行的可靠性和投资成本)是替代电缆的方案。

2.磁场

对于建在永久居住地或办公区域的输电线系统,磁场是一个评估依据。磁场直接来自于导体中流经的电流,对于完全接地的GIL和交叉接地的电缆,外壳和屏蔽层的电流也会产生磁场。

以下研究的架空线架设在“多瑙河塔形”的铁塔上,有两回400kV系统。每侧的三相架空线为三角形的悬挂布置。GIL和电缆都是单相平行安装在地下,至少有1m深的土壤所覆盖。下图显示了输电系统周围的磁场分布。可以看出,对于GIL,其磁场强度只有其他设备的1/10~1/20。

架空线、电缆和GIL的磁通量密度的对比

磁场高的区域在架空线的三相导线形成的三角形区域内,见图3。磁场在架空线外侧隧道逐渐降低,到40m的范围会减少到5μT以下。

图3 输电系统周围磁场分布

磁场最高的区域位于交叉接地的电缆,见图3。该值随着离开电缆迅速减小,在20m处已接近于零。电磁场的峰值是30μT位于电缆正上方。

架空线附近的电磁场较为小,为24μT,但由于架空线铁塔的建筑物的高度的影响,电磁场传播到边缘,在距离40m的地方已经到了5μT。电磁场最小的是GIL,在GIL的顶部仅为2μT。

每个项目的电磁场都需进行计算,这些值和电流的大小、设备的布置有关。此处仅进行了原理性的介绍。

3.电压额定值

目前电网运行的最高电压等级见表4。

表4 交流输电系统的最高运行电压等级

1100kV或者1200kV架空线的塔高为80~120m。从550kV架空线的铁塔高度到1100kV架空线的铁塔高度,增加了一倍,从40m增加到80m。而相应的GIL的外径从500mm增大到650mm,不到20%。也就是说,电压等级越高,GIL的绝对造价和架空线相比越接近。550KV的XLPE(交联聚乙烯)电缆是如今使用的最贵的电缆。至今还在420kV电压等级的范围中广泛应用。

最新的800kVGIL是位于中国的水电站,从2008年已投运至今。世界范围内的标准电压是550kV和420kV。

GIL用N2和SF6气体作为绝缘气体,运行在6bar压力下,和用空气作为绝缘的架空线相似。所以,GIL的电气特性和架空线基本一致。

4.电流额定值

用四分裂导线的典型架空线的额定电流是3000A。典型1600mm⊃2;截面积的铜芯电缆的额定电流时2000A,2500mm⊃2;的电流是2500A。这些典型额定值还和设备的布置方式有关,例如隧道或直埋式布置。

420kV和550kV的GIL在隧道和直埋式布置方式下的额定电流是3000~4000A。但当用于地面上布置时,电流可到8000A。额定电流是每个GIL项目的设计和技术要求的部分内容。

电压越高,GIL的外壳和导体就越大。800kV GIL的外壳直径为630mm,额定电流可到5000A。1200kV GIL的外壳直径可到800mm,其电流可到6000A。

5.短路电流额定值

额定短路电流是一个较为复杂的设计准则,这个数值直接影响到导体和接地系统。该设计需要考虑导体间电磁场的作用力以及GIL导体和外壳、电缆屏蔽层和架空线接地线的热效应。63kA的短路电流时标准值。有些项目中为80kA,甚至一些项目达到100kA。GIL的完整接地和外壳的交叉互联接地可满足这些高的额定值。

输电系统的架空线用自己的接地线来保证安全接地系统连接到后面的变电站,可以使用保护系统来跳开这条线路。短路电流的极限是由导体的极限耐受能力,以及接地线的横截面的大小和导线的过热能力来决定。增大短路电流额定值需要加大架空线的投资。由于额定短路电流的限制,电缆需要有电缆故障保护来保护电缆在短路电流下不会损坏。若额定短路电流太高,电缆屏蔽层的截面太小会造成过热。

6.过电压

过电压来自于电网上的开合操作或架空线遭受的雷击。过电压可以传导到与之相连的架空线、GIL或者电缆上。架空线采用铁塔上的绝缘子作为过电压放电装置。GIL和电缆可以通过提高绝缘水平来耐受过电压。通常,连接在架空线上的GIL和电缆可以采用装在连接处的避雷器来保护。现在,GIL和电缆的过电压保护避雷器已经非常有效了,可以保护它们不受高频的暂态过电压的危害。

7.温度限制

取决于材料的性能,架空线的温度限制是由绝缘子决定的,为100~120℃。增加架空线的长度并限定架空线的垂度来保证到地面的安全距离,可以提高温度范围。

电缆的温度极限由绝缘材料的性能和土壤或者隧道的最高温度来决定。温度极限由电缆的长度或者电缆接头来确定。对于直埋式电缆,最高温度是40~50℃,当安装在隧道时为60~70℃。

GIL的运行的最高温度由绝缘材料来决定,其温度在105~120℃。按照相关标准规定的可触摸温度,对于直埋式GIL,土壤温度的范围是40~50℃,当安装在隧道时为60~70℃。

现场的比较

现场运输线路对GIL的技术可行性和经济性有着重要的影响。线路规划是一个复杂的调研过程,有着大量的相关工作。下面对一些参数进行了解释。

软特性

经济性

输电系统比较是一个复杂的课题,每个项目从技术和经济方面的差别都非常大。多重因素影响了输电系统的技术结构和投资。纯粹的技术参数在输电线路上主要是电压、电流、短路电流、过电压、温升极限及电磁场的极限。另外,现场的条件也是要考虑的,如最大运输重量和尺寸、土壤的特性、运输道路和工作场地也对可行性研究和投资有重大影响。在运行阶段,一些“软指标”,如外观的美化、隐藏、噪声等对项目的运行,或许会成为最困难的问题。有些因素,如风景区的保护、自然保护区、对动植物的影响等,都需要在电网建设阶段进行考虑,这些因素或许可以让一个输电项目下马。

推荐阅读:《气体绝缘输电线路》

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