220 kV 氣體絕緣金屬封閉輸電線路在變電站擴建工程中的應(yīng)用

侯國柱

（內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

內(nèi)蒙古高新500 kV變電站于2004年1月建成投運。截至2019年8月，該站幾經(jīng)擴建和改造，已建成4組750 MVA主變壓器。為了滿足電網(wǎng)建設(shè)需求，該站2019年又擬定擴建5號主變壓器。擴建5號主變壓器時存在新征用地困難的問題，因此本次擴建設(shè)計的難點在于盡量在少征或不征地基礎(chǔ)上實現(xiàn)5號主變壓器中壓套管與其進線間隔之間的連接。本文經(jīng)過比選，確定采用220 kV氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas?Insulated Metal?Enclosed Trans?mission Line，GIL）作為最終方案。高新變電站5號主變壓器擴建工程于2020年順利實施。220 kV三相共箱GIL在500 kV變電站220 kV主變壓器進線側(cè)的應(yīng)用屬國內(nèi)首次，不僅節(jié)約了設(shè)備占地，且安全可靠，該設(shè)計思路可供同類型工程規(guī)劃設(shè)計借鑒。

1 220 kV主變壓器進線方式比選

高新變電站梅力更（原包頭北）500 kV出線間隔的線路高壓并列電抗器已退出運行，在500 kV配電裝置區(qū)西側(cè)空出約5600 m2的空地，在此布置5號主變壓器及其低壓側(cè)接帶的無功補償裝置，可實現(xiàn)本次擴建工程主要電氣設(shè)備無需新征用地的目的。高新站站內(nèi)原有220 kV配電裝置采用空氣絕緣的常規(guī)配電裝置（Air Insulated Switchgear，AIS），考慮到擴建間隔內(nèi)地下設(shè)施復雜以及施工的便捷性，5號主變壓器220 kV進線間隔采用復合式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS）。5號主變壓器220 kV進線間隔距離主變壓器大約120 m，其進線需要穿過主建筑與西圍墻之間的狹小空隙，同時需穿越兩條站區(qū)道路（其中一條為主進站道路），路徑區(qū)域內(nèi)地下設(shè)施眾多。綜合考慮多種因素，5號主變壓器220 kV側(cè)主變壓器進線方式有如下三種方案。

（1）架空導線方案。采用該方案雖然與本站其他主變壓器的進線方式一致，費用低、可靠性高，后期運行維護簡單，但由于本站圍墻外征地困難，圍墻內(nèi)場地受限，無合適的架空線通過走廊，站內(nèi)架設(shè)需要拆除或避讓部分地下設(shè)施，同時建設(shè)3組引線構(gòu)架，改造2組220 kV母線架構(gòu)以增設(shè)進線梁，其建設(shè)難度大、停電時間長，對站內(nèi)已有設(shè)施破壞嚴重。此外，由于架空線跨越主建筑物，會造成后期運行維護困難。

（2）電纜方案。由于500 kV主 變 壓 器220 kV側(cè)工作電流較大，電纜截面需達到2500 mm2，該方面的生產(chǎn)廠家和運行經(jīng)驗都較少，同時高壓電纜頭是電力系統(tǒng)事故率較高的設(shè)備，用于主變壓器進線安全性低。電纜敷設(shè)需經(jīng)過多處道路、地下設(shè)施及建筑物，為了運行維護方便需建設(shè)電纜隧道，土建工程量和地下設(shè)施拆除量較大，本方案實施困難大[1]。

（3）GIL方案。三相共箱式GIL具有結(jié)構(gòu)緊湊、運用場景靈活、可靠性高、傳輸能力強、損耗低、便于安裝等優(yōu)點，適合長距離、大容量、輸電走廊受限的場所。GIL為靜態(tài)設(shè)備，相對于動態(tài)設(shè)備（如斷路器、隔離開關(guān)、GIS等），基礎(chǔ)設(shè)計簡單，安裝時工程量較小，安裝方式靈活，同時，大修周期設(shè)計為30年，安全可靠。采用GIL方案不但可以解決本工程220 kV進線走廊不足、向站外征地困難的問題，而且采用的GIL設(shè)備在技術(shù)上更為可靠，本方案實施相對簡單[2]。GIL方案平面布置圖如圖1所示。

圖1 5號變壓器220 kV進線側(cè)GIL引接方案平面布置圖

方案費用是衡量方案優(yōu)劣的重要因素，方案實施的便捷性和施工過程中對站內(nèi)原有設(shè)施的拆除量及擾動大小也是方案優(yōu)劣的重要衡量標準。三種方案工程量及工程造價如表1所示。

結(jié)合表1，綜合分析上述三個方案，架空導線方案雖然造價低，但對站內(nèi)原有設(shè)施擾動較大，施工過程不利于變電站安全運行，因此不應(yīng)優(yōu)先考慮。采用GIL方案與電纜方案造價相當，但GIL方案可靠性更高，拆除工程量明顯少于電纜方案，工程實施便捷，對站內(nèi)原有設(shè)施擾動較少，施工基本上不影響變電站正常運行，因此GIL方案更優(yōu)。

表1 5號變壓器220 kV進線側(cè)引接方案技術(shù)經(jīng)濟比選

2 GIL方案設(shè)計特點

2.1 基于GIL的安全性設(shè)計

GIL多用于線路，220 kV GIL用在變電站內(nèi)時多用在出線間隔調(diào)換。本工程將220 kV GIL用在主變壓器進線段。為了保證變電站的安全可靠運行，本項目在GIL設(shè)計方案中采用了多項可提高設(shè)備安全可靠性的措施[3]。

（1）設(shè)備選型時，盡可能選擇較長的GIL標準單元，最長標準單元達到12 m，加長標準單元可減少法蘭連接點，降低氣體泄漏的概率，提高設(shè)備可靠性。另外，在選擇GIL主要導體載流量時，考慮造價控制的同時，適當增大導體截面，導體載流量達到3150 A，對比最大工作電流1968 A，保證了GIL的安全裕度。

（2）為了提高GIL基礎(chǔ)穩(wěn)定性，減小基礎(chǔ)不均勻沉降造成GIL管道變形、損壞，進而導致管道內(nèi)氣體泄漏的風險，嚴格控制深厚地基、下臥土層壓縮量等主要沉降因素，采取增強與弱化結(jié)合、局部平衡、整體協(xié)調(diào)的方式，實現(xiàn)差異沉降以及基礎(chǔ)內(nèi)力與資源消耗的最小化[4]，將總體垂直方向容差控制在±20 mm/10 m以內(nèi)，相鄰支撐基礎(chǔ)預(yù)埋件水平誤差控制在±2 mm以內(nèi)，垂直誤差控制在±5 mm以內(nèi)。

（3）GIL過路部分采用隧道敷設(shè)方式，道路下方設(shè)置過路隧道可拆裝頂板，方便后期運維檢修。為了保證運維人員的安全，在過路段入口及出口處設(shè)置通風井，并在通風井側(cè)面安裝軸流風機。同時，在過路隧道安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道內(nèi)有害氣體（如CO、H2S、CH4、SF6）和空氣含氧量的監(jiān)測，有效保證運維人員進入隧道的安全。

2.2 緊湊型安裝方式

GIL設(shè)計長度雖然只有120 m，但GIL敷設(shè)路徑復雜，需穿越道路、避讓建筑物、避讓污水處理池及其他地下設(shè)施等，因此GIL的選型和安裝采取了多種方式。殼體選型主要以三相共箱為主，在換相及跨路處采用三相分箱架空敷設(shè)方式，在穿越主進站道路處采用隧道敷設(shè)方式。由于路徑狹窄，為了避讓障礙物，工程包含多處三維空間的折彎[5]。GIL敷設(shè)路徑示意圖如圖2所示。

圖2 GIL多種敷設(shè)方式平斷面

GIL主路徑敷設(shè)方式主要采用三相共箱GIL方式，不僅可解決路徑復雜的設(shè)計難點，還具有如下優(yōu)勢。

（1）主變壓器進線段采用三相共箱220 kV GIL，傳輸容量大，受外界環(huán)境影響小，安全可靠性高；

（2）結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省占地，敷設(shè)方式靈活方便；

（3）本體價格較同額定電流三相分箱式GIL低約10%，經(jīng)濟性好；

（4）與三相分箱式GIL相比，土建基礎(chǔ)量顯著減少，可有效節(jié)約土建和機電施工成本；

（5）維護和檢修量少，全壽命管理成本降低。

2.3 GIL抗低溫措施

高新500 kV變電站地處內(nèi)蒙古包頭地區(qū)，冬季嚴寒，歷年極端最低氣溫-34.5℃，運行環(huán)境惡劣。220 kV三相共箱式GIL絕緣介質(zhì)采用SF6氣體，其管道正常運行時，SF6氣體額定壓力為0.48 MPa，報警壓力0.44 MPa。按照圖3中SF6氣體溫度與壓力的關(guān)系[2]，當遇到極端環(huán)境溫度時，SF6氣體低溫液化會導致GIL絕緣擊穿，造成運行事故[6]。

圖3 SF6氣體溫度、壓力關(guān)系曲線

解決GIL絕緣氣體低溫液化問題有兩種常規(guī)方法，一種是采用充SF6與N2混合氣體的方法，該方法絕緣氣體本體造價基本不變，但是其氣體回收裝置比常規(guī)SF6氣體回收裝置成本高約40萬元，此外，混氣GIL需要做補充型式試驗，后期補氣程序復雜，運維不方便。另一種是加裝伴熱帶，設(shè)備成本約10萬元，后期極寒天氣啟動伴熱帶時需要消耗電能，會增加變電站的運行成本。

經(jīng)綜合比較，由于將GIL使用在500 kV主變壓器進線側(cè)，根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)運行經(jīng)驗，戶外SF6絕緣設(shè)備罐體采用伴熱帶的方案運行穩(wěn)定，維護方便[7]。因此，GIL抗低溫液化選擇加裝伴熱帶方案。GIL加裝伴熱帶如圖4所示。

圖4 GIL加裝伴熱帶

3 GIL運行維護

3.1 GIL日常維護

將GIL用在主變壓器進線側(cè)，為了確保變電站的安全運行，需做好GIL的日常維護。

（1）GIL投運后的泄漏率主要取決于密封面，低泄漏率可保證GIL的安全穩(wěn)定運行[8]。設(shè)計GIL年泄漏率≤0.1%，日常運行維護工作中需做好各氣室壓力表數(shù)值巡視記錄，發(fā)現(xiàn)氣室壓力下降或報警，應(yīng)及時檢修補氣，避免低壓力運行造成設(shè)備擊穿故障[9-12]。

（2）GIL采用可調(diào)節(jié)支座、滑動三支撐、熱膨脹波紋管等有利于調(diào)節(jié)不均勻沉降的設(shè)計結(jié)構(gòu)，運行人員需時刻觀測管體和基礎(chǔ)的變形情況。一旦發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)沉陷、伸縮節(jié)位移或角度變化時，須及時檢修[10]。

（3）GIL運行10年后，需停電進行主回路電阻測量、密度繼電器校驗及定量檢漏、微水檢測等[13]。

3.2 安全措施

（1）GIL隧道內(nèi)維護操作前需有效通風，同時對有害氣體進行實時監(jiān)測。GIL過路部分采用隧道敷設(shè)方式，在過路段入口及出口處設(shè)置通風井，并在通風井側(cè)面安裝軸流風機。進入隧道內(nèi)對GIL運維檢修前，應(yīng)打開軸流風機對隧道內(nèi)氣體進行充分排放。此外，過道路隧道內(nèi)安裝了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道內(nèi)有害氣體和空氣含氧量監(jiān)測，進入隧道工作時，應(yīng)確認環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)顯示安全后方可進入，避免單人從事檢修工作[14]。

（2）防止接觸電勢危害人身安全。根據(jù)DL/T 5352—2018《高壓配電裝置設(shè)計規(guī)范》要求[15]，為保證人身安全，GIL外殼應(yīng)多點接地，保證GIL外殼、支架及易接觸部位在正常運行條件下感應(yīng)電壓不超過24 V，故障條件下不超過100 V。GIL的接地采用截面（40 mm×5 mm）專用接地銅排，GIL設(shè)備接地端子通過軟銅線與專用接地銅排連接，專用銅排與地網(wǎng)可靠連接，滿足規(guī)程DL/T 5352—2018的要求。GIL操作時，工作人員應(yīng)在一定距離外進行，盡量避免接觸GIL外殼，必須接觸外殼時應(yīng)佩戴絕緣手套。

4 結(jié)語

500 kV變電站主變壓器進線對變電站的安全穩(wěn)定運行非常重要，高新500 kV變電站5號主變壓器擴建項目經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，主變壓器220 kV側(cè)進線采用三相一體式GIL，該方案占地面積小、傳輸損耗小、安裝便捷、布置方案靈活、氣體泄漏概率低、維護成本低[16]。采用該方案，項目實施順利，投產(chǎn)后GIL各項運行指標正常，變電站運行穩(wěn)定，該設(shè)計方案可供場地受限的變電站擴建工程設(shè)計時借鑒。