氣體絕緣輸電線路技術在核電工程的應用

杜寶瑞

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 海陽核電概況

海陽核電廠采用美國西屋先進的AP1000非能動型壓水堆核電技術，規(guī)劃容量為6臺百萬千瓦級機組。廠區(qū)一次規(guī)劃、分期建設，一期工程1號、2號機組正在建設中，一期工程主變壓器至開關站采用架空線方案，二期工程擴建兩臺機組，即新建3號、4號機組。電廠以500 kV電壓等級接入電網(wǎng)，發(fā)電機和主變壓器壓器采用單元制接線，經(jīng)主變壓器升壓后接入廠內(nèi)500 kV配電裝置，500 kV配電裝置按雙母線三分段設計，采用室內(nèi)500kV GIS設備，全部建成后為6進6出，一期工程為其中6回出線以及1號、2號機組主變壓器兩回進線，二期工程將擴建3號、4號機組兩回主變壓器進線。

1 電力進線方案

主變壓器至 500 kV配電裝置的進線方式通常有架空線方案、GIL方案和500 kV電纜方案三種實施方案。500 kV廠外電源是AP1000核電廠的優(yōu)先電源，在失去正常電源時，首先由500 kV優(yōu)先電源經(jīng)主變壓器（MSU）和廠用變壓器（UAT）倒送電帶完整廠用負荷運行，以保證核電廠的安全運行和停堆。 所以選擇合理、可靠的主變壓器至500 kV配電裝置的進線方案十分重要。

1.1 架空進線方案

在我國高壓輸電線路中架空輸電線路應用最為廣泛，其設計、施工及運行經(jīng)驗豐富，檢修維護方便。雖然架空線具有造價低、施工周期短等特點，但是500 kV架空輸電線路由于長期承受外部大氣環(huán)境影響，可靠性相應降低，電網(wǎng)事故的大部分均因架空輸電線路故障引起。

具體到海陽核電項目3號、4號機組，還存在下面一些安全隱患。

1）不能滿足倒塔距離要求。按國標GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》要求，電力線路邊導線間的最小水平距離，500 kV時，在開闊地區(qū)平行時為最高塔高，在路徑受限制地區(qū)為13 m。經(jīng)測量，若3號、4號機組架空線進線，與1號、2號機組架空線路之間最近的距離為19 m，而塔高均為50 m左右。這樣，僅能滿足受限制地區(qū)13 m的要求，不能滿足倒塔距離要求，一旦出現(xiàn)倒塔事故，可能影響4回優(yōu)先電源的使用?？紤]到核電廠的重要性，宜按開闊地區(qū)的塔高來考慮，因此目前的布置不能滿足要求。

2）不利于事故搶修。開關站進線側線路間距較小，一旦線路或鐵塔出現(xiàn)問題，大型設備應用受到場地限制，將會影響搶修的時效性，影響核電廠供電可靠性。

3）不能避免共模故障。與1號、2號機組出線方式相同，在雷擊、鳥害、覆冰等不利情況下存在同時失電的可能性。

1.2 電纜方案

高壓電纜的制造和使用情況。目前高壓電纜主要有擠包絕緣電纜和油浸式電纜，其中擠包絕緣電纜又分為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜（XLPE電纜）和低密度聚乙烯絕緣電纜（LDPE）。充油電纜在我國也有了30多年的使用歷史，秦山核電二期擴建工程主變壓器至開關站采用的就是500 kV充油電纜，擠包絕緣電纜在核電中還沒有應用。

高壓電纜主要優(yōu)點：布置靈活，進線走廊占地少，可在電纜溝內(nèi)敷設，不受場地條件和角度限制。

高壓電纜主要缺點：電纜正常運行狀況不易監(jiān)測，需采取防火報警措施，運行可靠性相對較低；工程投資較高，國內(nèi)運行業(yè)績少，電纜終端基本依靠進口，修復時間較長；使用壽命較短，一般為30年，電纜終端壽命一般15年。

本電纜溝要與一期工程220kV電纜溝、500kV開關站內(nèi)控制電纜溝等管線交叉。

1.3 GIL進線方案

3號、4號機組主變壓器與500 kV開關站采用GIL連接，考慮到廠區(qū)的整體布置及施工等因素，GIL按地下廊道敷設方式設計。GIL架空安裝在4 600 mm×2 000 mm的地下廊道內(nèi)，兩臺機地下廊道總長度約為600 m。

GIL方案的優(yōu)點：GIL具有體積小、安裝布置靈活、絕緣水平高、輸電容量大、不受外部環(huán)境的影響、運行可靠、低電磁輻射等特點；采用地下廊道內(nèi)敷設，可以優(yōu)化廠區(qū)布置；避免共模故障，采用與架空線路不同的GIL輸電方案，可有效防止發(fā)生共模故障，在緊急情況下一期和二期之間可通過臨時電纜提供應急電源，提高了核電廠的供電可靠性。

GIL方案的缺點：采用地下廊道與一期工程220 kV電纜溝、控制電纜溝、廠區(qū)污水管、廠區(qū)雨水管、綜合管廊等地下管線均存在交叉，GIL廊道必須建在現(xiàn)有管道下方，土建成本較高。

1.4 方案經(jīng)濟比較

500 kV架空線。 工程造價539萬元，壽期內(nèi)預計故障停運費用72.3萬元，更換費用300萬元，損耗費用2 041.2萬元，價格總計約2 952.5萬元。

500 kV GIL。工程造價3 805.87萬元，壽期內(nèi)預計故障停運費用32.5萬元，更換費用300萬元，損耗費用2 177萬元，價格總計約6 315.37萬元。

500 kV電纜。工程造價2 485.22萬元，壽期內(nèi)預計故障停運費用301.9萬元，更換費用3096萬元，損耗費用3 265.5萬元，價格總計約9 148.12萬元。

由此可以看出，采用500 kV架空線方案的經(jīng)濟性最好。GIL方案的初期投資最大，但考慮60年電廠壽期內(nèi)的綜合成本，GIL方案明顯優(yōu)于電纜方案。

1.5 方案選擇

從技術角度考慮，3個方案均可行，但架空線方案存在一定的安全隱患。從經(jīng)濟性能方面看，架空線方案初期投資和運行成本最低，經(jīng)濟性最好，其次是GIL方案，最后是電纜方案。綜合技術性能和經(jīng)濟兩方面，GIL方案最優(yōu)，其次是架空進線方案，最后是電纜方案。

2 氣體絕緣輸電線路在核電站的應用及性能特點

2.1 GIL的制造和使用情況

GIL從1970年開始在美國率先投入使用［1］。目前世界上能生產(chǎn)長距離大容量專業(yè)SF6管道母線（GIL）的廠家有西門子、阿爾斯通、美國AZZ/CGIT等國外公司，部分國內(nèi)的GIS廠家，也相繼開發(fā)了GIL。

500 kV GIL在我國核電行業(yè)已有不少應用的實例，大亞灣核電站早在1988年就采用了500 kV GIL，后續(xù)建設的嶺澳、田灣、紅沿河、寧德、三門等核電站也都采用了GIL［2］。另外，GIL在水電行業(yè)也有不少業(yè)績［3］。

2.2 GIL性能特點

1）體積小、安裝布置靈活。 分相式GIL的外徑僅為500 mm左右，敷設于地下管廊，從而有效地利用地下空間，節(jié)省占地面積。GIL布置緊湊，靈活方便，可長距離水平或垂直敷設，并可根據(jù)現(xiàn)場情況完成不同的轉角設計。

2）絕緣水平高。GIL采用同軸圓柱的絕緣結構設計，電場分布均勻，絕緣性能優(yōu)異。 SF6氣體的年泄漏率小于0.5%，可保證GIL在運行過程中始終保持充分的絕緣裕度。GIL具有零表壓工頻電壓耐受能力，即便管道母線內(nèi)部的氣體壓力下降至零表壓（0.1 MPa，絕對壓力）時，仍具有1.1倍的系統(tǒng)最高工頻相電壓的耐受能力，不會對地閃絡。

GIL氣體間隙的最大電場強度應是導體表面電場強度，計算公式為：

以AZZ/CGIT的500 kV GIL的數(shù)據(jù)為例，外殼半徑Rwn=247.5 mm；Rdw=89 mm，帶入上式計算，得到GIL內(nèi)部的導體的表面場強Emax=3.49 kV/mm。

對于同軸圓柱結構的SF6氣體絕緣系統(tǒng)，當氣體壓力為零表壓（0.1 MPa絕對壓力），導體外徑為38～200 mm，電極表面粗糙度不超過30 μm時，根據(jù)實驗結果，其U50電壓下?lián)舸╇妶鰪姸冉?jīng)驗公式為：

式中：E50%為SF6氣體的50%擊穿電場強度，kV/mm；P 為 SF6氣體的壓力（0.1 MPa）；A、B 為系數(shù)。

在工頻交流時，A=44，B=3.5。這樣，計算出E50%=7.9 kV/mm。 由于 Emax＜E50%，即在零表壓下，GIL 內(nèi)部的導體場強小于氣體的50%擊穿電場強度，證明GIL在零表壓下可以正常運行。

3）輸電容量大。GIL的載流量高，單回輸電容量大，與500 kV的架空輸電線路相比，其輸電容量有較大的提升，單回額定輸電容量可以達到4 000 MW以上。

4）不受外部環(huán)境的影響。500 kV GIL采用全封閉式結構設計，超高壓通流導體及絕緣件完全不受外部環(huán)境的影響，不存在污閃、冰閃、雷擊等問題，并具備抗電氣和熱老化特性，不經(jīng)受任何實際的老化過程。

5）運行可靠、低電磁輻射。 由于GIL鋁合金殼體的有效屏蔽作用，且采用全連接結構，在正常運行情況下，三相外殼回路中因電磁感應產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流數(shù)值大約等于母線電流的95%，且方向相反，從而使殼外的磁場大部分消失，另外設備外部沒有電場，磁場強度也保持在較低的水準。 完全可以滿足核電廠各種測量控制設備的電磁兼容性要求。

3 采用GIL方案注意問題

3.1 GIL布置

GIL有多種敷設方式，一般有地下管廊、沿地表低支架敷設、地上高架敷設、地面開溝架設等敷設方式。海陽核電廠在主變壓器至開關站之間有兩條建設道路，采用地面上敷設方式既影響美觀，又影響道路通行及大件設備運輸，所以比較可行的是地下廊道敷設方式，但在進行立體布置時既要考慮避開一期工程電纜溝、雨水管線、污水管線等地下管道，又要確保GIL管道母線的安裝、維護方便，同時要減少土建費用。

3.2 GIL連接

GIL在工廠是分段制造的，每一單元經(jīng)過相關試驗后封裝充氮，組成運輸單元并發(fā)運到工地，再組裝成一條氣體絕緣金屬封閉輸電線路。GIL單元之間的連接包括導體之間的連接和外殼之間的連接。

導體連接。兩段導體之間的連接一般采用接插觸頭方式，插座與觸指采用銅合金鍍銀，并有環(huán)形彈簧壓緊結構，接觸電阻很小。

外殼連接設計。管道母線外殼一般有法蘭連接和焊接兩種方式。焊接優(yōu)點是可以減少漏氣點，運行可靠性高。缺點是現(xiàn)場安裝工作量大，時間長，質量不易控制，發(fā)生故障不易更換，現(xiàn)場焊接煙霧和粉塵難以消散，投運后如發(fā)生故障修復困難，延誤恢復送電時間。法蘭連接具有現(xiàn)場工作量小，質量容易控制，安裝時間短，但存在發(fā)生漏氣的可能。采用法蘭螺栓連接，還是采用焊接方式，與不同廠家產(chǎn)品及其安裝技術有關，建議海陽核電二期的GIL要根據(jù)所選用的產(chǎn)品采用適當?shù)倪B接方式。

3.3 基礎支架

地上或管廊內(nèi)敷設GIL時，需按一定的間距布置支架，以保證系統(tǒng)運行安全。 管道母線的架設地點互有差異，其支架的設計細節(jié)不宜雷同，應確保支撐得當，使GIL無論在正常狀況下，還是在地震等異常條件下，都能持續(xù)正常運行。GIL的支撐結構有固定式和滑動式兩種，滑動式用于支撐GIL在熱脹冷縮時產(chǎn)生位移的情況，GIL可在支撐架上的滾輪上滑動。固定支撐結構用于固定GIL并能承受因外殼和伸縮節(jié)熱膨脹引起的力以及內(nèi)部氣體壓力。GIL的底部有4個固定塊，用螺桿將固定塊固定在支架上。

3.4 GIL的現(xiàn)場安裝

GIL設備在工廠制造的僅僅是半成品，工廠設計制造的質量保證只是產(chǎn)品質量保證的必要條件，并不是充分條件。因此，現(xiàn)場安裝作業(yè)的嚴格管理和安裝人員的質量意識特別重要，對于海陽核電項目，由于GIL都在地下隧道中安裝，施工空間小，距離較長，安裝精度要求高，安裝過程中，必須嚴格遵守安裝程序及相關技術要求，并且注意安裝環(huán)境。

3.5 GIL的現(xiàn)場交接試驗

安裝完成后，投入運行前，GIL應進行整體的試驗以檢查安裝質量和設備的絕緣性能。GIL現(xiàn)場交接試驗的項目包括：外觀檢查與核實；主回路電阻測量；主回路絕緣試驗；輔助回路絕緣試驗；氣密性試驗；氣體質量檢查；氣體濕度測量；元件試驗。這些試驗項目中，最重要的和要求最高的是主回路絕緣試驗，它直接決定GIL能否投入使用。

GIL的耐壓試驗對設備的要求。GIL由于單位電容大，距離長，在耐壓試驗的過程中，會遇到試驗設備容量不足的情況?，F(xiàn)場需采用串聯(lián)諧振的試驗回路，可以大大減輕電源設備的容量。

耐壓試驗程序。和GIS的耐壓試驗程序不同，GIL的加壓通常采用階梯加壓方式，其目的是將GIL中可能存在的金屬微粒遷移到低電場區(qū)域，或是通過放電燒掉微小的微粒或電極上的毛刺，減少對設備絕緣的危害。GIL加壓步驟如圖1曲線所示。

圖1 GIL耐壓試驗的加壓步驟

3.6 GIL的運行和維護

GIL系統(tǒng)沒有任何移動的部件，在系統(tǒng)安裝完畢并通過耐壓試驗后，GIL就應該可以在整個使用期限內(nèi)毫無故障地使用。但為了確保系統(tǒng)保持高效運行狀態(tài)，可采取一些簡單的狀態(tài)監(jiān)控措施。

濕度監(jiān)視。在系統(tǒng)填充氣體后約 6個月時，需檢查每個氣室的濕度。在運行6個月后，應每隔5年檢查一次濕度，如果發(fā)現(xiàn)特定氣室有泄漏現(xiàn)象，則應增加檢查濕度的頻率。

氣體密度監(jiān)視。GIL的泄漏率保證不超過每年 0.5%。正確安裝后，泄漏率應比該參數(shù)低得多。這意味著至少在 10年內(nèi)沒有必要進行補氣。每次檢查濕度時都應檢查密度計（運行6個月監(jiān)測1次，以后每隔5年1次）。如果趨勢分析指出某個特定氣室有泄漏現(xiàn)象，則應安排一次仔細的泄漏檢查。

日常巡視。為確保GIL的長期安全的運行，可以在日常的巡視中檢查母線、支持部分和連接部件，檢查是否有腐蝕跡象、連接部件是否有所松動，或者接地裝置是否有損壞，然后進行必要的維修。

4 結語

GIL是用于大功率輸電系統(tǒng)經(jīng)過實踐證明的技術，可靠性較高，所以國內(nèi)核電廠大多采用GIL方案。根據(jù)海陽項目實際情況，由于一期工程采用了架空線方案，二期工程若采用架空線方案，不滿足倒塔距離要求，對核電廠安全供電存在潛在安全隱患，加上GIL方案投資比電纜方案少了很多，因此總體考慮，采用GIL方案是合理和必要的。但GIL投資較大，同時與一期管線交叉布置，還需要對GIL管廊布置方案、連接方式、基礎支架，運行和維護等做進一步研究和細化，以保證設計方案的經(jīng)濟、合理、可行，保證核電廠的長期安全穩(wěn)定運行。