0 引言

近年来，气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line, GIL)技术凭借输送容量大、运行安全、敷设要求低以及经济性好等优势，被广泛运用于特高压输电线路，如苏通GIL综合管廊工程等^[1—3]。特高压GIL工频电气参数与传统架空线差异较大，其正序电容约为架空线的3倍，阻抗以及波阻抗均低于架空线，约为架空线的1/3^[4—5]。GIL引接站一般还要接入不同的测量设备，因此GIL-架空线混合输电线路沿线故障特性与架空线路存在较大差异，这势必影响输电线路开关设备的开断特性，危及线路安全运行。断路器作为主要的开关设备之一，在开断故障电流时存在瞬态恢复电压(transient recovery voltage，TRV)。TRV具有幅值大、上升速度快的特点，对断路器开断能力和绝缘性能要求较高，是设计断路器时必须考虑的主要因素之一。如果TRV幅值过大或瞬态恢复电压上升率(rate of rise of TRV，RRRV)过大，会引起熄弧重燃，导致断路器开断故障失败。TRV波形与故障类型、回路参数、断路器特性等有关^[6]。现有研究表明，特高压断路器的TRV幅值是500 kV断路器的1.7~2倍，发生三相短路故障时TRV最为严重^[7—8]。

目前国内外学者已针对特高压交流断路器TRV特性开展大量研究。文献[9—10]研究特高压双回输电线路感应电压对断路器TRV特性的影响，结果表明感应电压会使断路器TRV幅值及RRRV超过国标规定值。文献[11]研究特高压半波长输电线路不同位置发生短路故障时断路器的TRV特性，结果表明半波长输电线路与常规输电线路相比，TRV幅值及RRRV均存在较大差异。文献[12—13]研究特高压断路器发生重合闸时的TRV特性，结果表明发生重合闸过程时，断路器TRV幅值和RRRV均会增加，开断更加困难。文献[14]基于Matlab研究特高压输电线路在不同位置发生不同类型故障时断路器的TRV特性，研究结果表明，断路器端部发生三相短路故障时，TRV幅值和RRRV最大。文献[15—19]研究限流器对断路器TRV的影响，结果表明限流装置会有效降低TRV幅值，但会引起RRRV超出国标规定值。

GIL为近几年兴起的新型输电技术，关于其工程应用的相关研究中，鲜有对含GIL的特高压输电系统断路器TRV特性的研究。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路为例，研究GIL接入位置、GIL长度以及GIL引接站测量设备对断路器TRV的影响，为含GIL输电线路的断路器TRV研究提供参考。

1 TRV产生原理

以断路器端部发生单相接地故障为例分析TRV的产生原理，如图 1所示。其中，L_s，R_s分别为线路等效电感、电阻；C_AB，C_BC，C_CA为相间电容；C_C0为对地电容；P为故障点。C相发生单相接地故障与大地构成放电回路，等效电路如图 2所示。其中，u为电源电压；R_eq，L_eq，C_eq分别为放电回路等效电阻、电感以及电容；i_c，u_c分别为流经C_eq的电流和C_eq两端电压。当线路发生单相接地故障时，断路器动作开断故障电流，电弧熄灭后，在触头两端出现TRV，即图 2中断路器B两端的电压，其大小与C_eq有关，可用C_eq两端的电压表示。

假设u=U_msin(ωt+φ)，U_m为电压幅值，ω为角频率，φ为相角。C相发生单相接地故障并在t₁时刻电弧熄灭，令t₁=0，则此时回路方程为：

$ R_{\mathrm{eq}} i_{\mathrm{c}}+L_{\mathrm{eq}} \frac{\mathrm{d} i_{\mathrm{c}}}{\mathrm{d} t}+u_{\mathrm{c}}=U_{\mathrm{m}} \sin (\omega t+\varphi) $

(1)

由于TRV持续时间极短，一般不超过几百微秒，假设期间u保持U₀不变，即U₀=U_msin φ。同时有：

$ i_{\mathrm{c}}=C_{\mathrm{eq}} \frac{\mathrm{d} u_{\mathrm{c}}}{\mathrm{d} t} $

(2)

将式(2)代入式(1)得到：

$ L_{\text {eq }} C_{\text {eq }} \frac{\mathrm{d}^2 u_{\mathrm{c}}}{\mathrm{d} t^2}+R_{\mathrm{eq}} C_{\mathrm{eq}} \frac{\mathrm{d} u_{\mathrm{c}}}{\mathrm{d} t}+u_{\mathrm{c}}=U_0 $

(3)

由初始条件t=0，u_c=0，i_c=0，得到式(3)的解为：

$ u_{\mathrm{c}}=U_0\left[1-\mathrm{e}^{\delta t}\left(\cos \omega_0^{\prime} t+\frac{\delta}{\omega_0} \sin \omega_0^{\prime} t\right)\right] $

(4)

式中：

$ \left\{\begin{array}{l} \delta=\frac{R_{\mathrm{eq}}}{2 L_{\mathrm{eq}}} \\ \omega_0=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{eq}} C_{\mathrm{eq}}}} \\ \omega_0^{\prime}=\sqrt{\omega_0^2-\delta^2} \end{array}\right. $

(5)

由式(3)可知，断路器TRV幅值和RRRV与故障类型、回路参数以及发生故障时电源电压相位等因素有关。

2 仿真模型

基于EMTP-ATP进行仿真建模计算，系统电压等级为交流1 000 kV。输电线路由架空线和GIL组成，其中架空线长300 km，GIL长度为3 km或6 km。考虑GIL直接与变电站出线连接、安装在架空线中断以及纯架空线路3种情况。同时GIL引接站考虑安装电容式电压互感器(capacitor voltage transformer，CVT)或电磁式电压互感器(potential transformer，PT)2种测量设备。上述运行工况，架空线完成一次完整的换位。

架空线为同塔双回布置方式，采用8×630 mm²截面导线，两回线路关于杆塔中心线对称分布，其中一回线路空间参数如表 1所示。GIL直接与变电站出线连接示意如图 3所示。GIL空间布置与架空线一一对应，共有6条线路。由于GIL在结构上与单芯电缆类似，因此可以使用类似单芯电缆的分布参数计算方法计算GIL母线参数, GIL电气参数如表 2所示。变电站内主要设备为气体绝缘变电站(gas insulated substation，GIS)、高压并联电抗器、变压器以及断路器等，其主要等效参数如表 3所示。

文中首先针对不同故障类型计算断路器开断过程TRV参数，结果如表 4所示。故障发生的位置如图 3所示，F₁，F₂分别表示变电站A和B断路器端部发生故障。双回架空线与双回GIL均处于运行状态，单回最大输送能力约10 500 MW，接地故障过渡电阻为0.01 Ω。发生故障时，变电站A与变电站B的断路器同时发出跳闸指令，在故障电流过零点时动作，从而得出两变电站断路器的TRV波形。

3 GIL接入对TRV的影响

文中考虑GIL长度、接入位置与引接站测量设备对断路器TRV的影响。线路基本配置设定为GIL长度3 km，变电站线路侧及GIL引接站均安装独立敞开式CVT，GIL直接与变电站出线连接。

文中使用EMTP-ATP计算断路器开断故障产生的TRV典型波形，如图 4所示。文中研究的不同系统条件及工况下断路器TRV波形差别不大，近似为工频正弦波叠加高频振荡。根据GB/T 24838—2018中1 100 kV高压交流断路器，考核断路器TRV的指标为TRV幅值及RRRV，文中后续仅给出计算出的TRV幅值及RRRV具体数值，不再给出相应的TRV波形。

3.1 GIL长度对TRV的影响

文中结果及现有研究均表明，断路器端部发生三相短路故障时产生的TRV最严重^[20]，因此文中仅针对最严苛的三相短路故障进行仿真研究。当考虑GIL长度为3 km，6 km以及无GIL接入时，变电站A或B发生三相短路故障，断路器TRV参数如表 5所示。

由表 5可知，GIL长度由3 km增至6 km后，RRRV均有不同程度的下降。当故障发生在F₁处时，GIL长度6 km时的TRV幅值与RRRV均比GIL长度3 km时小，其中TRV幅值最大降低115 kV，降幅为10%；RRRV最大降低0.93 kV/μs，降幅为36%。而当故障发生在F₂处时，GIL长度6 km时的TRV幅值相比GIL长度3 km时略有上升，TRV幅值最大增加88 kV，增幅为8%；而RRRV略有下降，最大降低0.42 kV/μs，降幅为10%。

相较于纯架空线路，GIL的接入对断路器TRV幅值与RRRV产生一定程度的影响。GIL长度不同，断路器TRV幅值与RRRV也不相同。相较于无GIL线路，接入GIL的线路TRV幅值最大增加175 kV，增幅为17%；RRRV最大升高1.85 kV/μs，增幅为253%，这种情况出现在GIL为3 km，故障发生在F₁处时变电站B断路器的TRV波形中，实际运行中应特别注意。

接入GIL以及GIL长度的变化导致线路参数发生改变，进而引起放电回路发生变化。由于GIL的电容大于架空线，阻抗小于架空线，根据图 2等效电路以及式(3)可知，RLC振荡电路阻尼减小，ω′ ₀增加，最严重情况下，TRV幅值与RRRV均增加。

3.2 GIL接入位置对TRV的影响

GIL存在2种不同的接入位置：GIL直接与变电站出线连接，如图 3所示；GIL安装在架空线路中段，如图 5所示。针对2种不同的接入位置，F₁或F₂处发生三相短路故障时断路器TRV参数如表 6所示。

由表 6可知，GIL直接与变电站出线连接时，断路器TRV幅值相较于GIL安装在架空线中段时最大降低741 kV，降幅为37%；而RRRV有所升高，最大增幅为351%。当故障发生在F₁处时，变电站A断路器的RRRV差异较大，直接与变电站出线连接方式为安装在架空线中段方式的4.5倍。故障发生在F₂处时，变电站B断路器的RRRV差异较大。2种接入方式下变电站B断路器的TRV幅值差异较大。

综上所述，GIL安装在线路中段的等效电容较大，而放电回路阻尼相差不大，因此GIL安装在架空线中段可明显降低断路器开断故障时的RRRV，但可能会增加TRV幅值。根据国标中1 000 kV交流断路器T100考核指标，即TRV幅值不超过1 635 kV，RRRV不超过2 kV/μs，GIL应采用安装在架空线中段方式，且需要安装金属氧化物避雷器(metal oxide varistor, MOV)以限制TRV幅值。

3.3 GIL引接站测量设备对TRV的影响

输电线路中最常用的测量设备是CVT与电磁式PT。在含有GIL的输电线路中，为了监测GIL运行的安全性，往往在GIL引接站安装CVT或电磁式PT监测其运行电压。测量设备的接入会改变输电线路的整体参数，进而改变断路器切断故障时的TRV波形。文中通过仿真计算比较2种测量设备对断路器TRV波形的影响，其中取独立敞开式CVT对地等效电容为5 000 pF，电磁式PT对地等效电容为200 pF。不同测量设备下断路器TRV参数的计算结果如表 7所示。

由表 7可知，独立敞开式CVT与电磁式PT对断路器TRV幅值及RRRV的影响很小。当测量设备换为电磁式PT后，TRV幅值最大降低11 kV，降幅为0.9%；RRRV最大降低0.43 kV/μs，降幅为10%。可见测量设备对TRV幅值基本没有影响。根据国标规定的断路器TRV考核指标，使用不同的测量设备，TRV幅值均满足要求，但仅故障发生在F₂处时，变电站A断路器的RRRV满足国标。

GIL引接站测量设备的接入会增大输电线路电容，但测量设备等效电容很小，基本不会对线路整体电容产生很大影响，因此测量设备对断路器TRV影响很小。

4 结论

含GIL的特高压输电线路与纯架空线在工频电气参数上存在较大差异，导致断路器开断故障时的TRV幅值和RRRV发生改变。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路的仿真建模计算，研究了GIL长度、接入位置与GIL引接站测量设备对断路器TRV波形的影响，结论为：

(1) GIL长度的增加对TRV幅值的影响很小，GIL长度增加3 km时，TRV幅值最大增幅为8%，而RRRV有所减小，最大降幅为36%。

(2) GIL与变电站出线直接相连时，TRV幅值相较于GIL安装在架空线中段时最大降幅为37%，RRRV最大增幅为351%。为了限制RRRV，应将GIL安装在架空线中段，且应安装MOV限制TRV幅值。

(3) GIL引接站安装敞开式CVT或电磁式PT对TRV幅值及RRRV的影响均很小。相较于CVT，使用电磁式PT后TRV幅值最大降幅为0.9%，RRRV最大降幅为10%。

(4) GIL长度、接入位置以及GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值影响较小，最大增幅为17%，但对RRRV影响较大，最大增幅为253%。因此在考虑GIL的接入对断路器TRV的影响时，应重点关注RRRV的变化。