黃開長，孫文波，張樂群

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

內(nèi)陸核電500 kV配電裝置型式比選

黃開長，孫文波，張樂群

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

根據(jù)浙江省西部某核電項目的工程實際情況，對500 kV配電裝置的多種型式，如空氣絕緣敞開式配電裝置（AIS）、SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）和混合式配電裝置（H-GIS）等，從技術(shù)、經(jīng)濟等方面進行詳細的分析比較，并綜合考慮核電廠的可靠性、安全性等因素，推薦500 kV GIS作為內(nèi)陸核電的配電裝置選型方案。

核電廠；內(nèi)陸；500 kV配電裝置；選型

500 kV配電裝置是發(fā)電和輸電的連接樞紐，采用不同的500 kV配電裝置型式，其技術(shù)經(jīng)濟差異較大。目前，國內(nèi)在役核電廠均建設(shè)在濱海地區(qū)，高壓配電裝置均選用了SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS），GIS配電裝置占地面積小，可靠性高，但初投資大。對于內(nèi)陸核電廠，究竟采用哪種型式的配電裝置，目前爭議較多。電力規(guī)劃設(shè)計總院在核電項目設(shè)計審查時，多要求對此進行專題論證。

高壓配電裝置的選型方案，就常規(guī)火電廠和變電所而言，主要有空氣絕緣敞開式配電裝置、SF6氣體絕緣組合電器和混合式配電裝置等型式，各方案根據(jù)項目的具體工程條件各有優(yōu)劣，均具有豐富的運行業(yè)績。

1 內(nèi)陸核電廠配電裝置特點

內(nèi)陸核電廠不同于濱海核電廠，運行環(huán)境相對較好，基本不存在鹽霧污穢、臺風(fēng)等海洋氣候因素對高壓配電裝置的影響。

由于水源條件、溫排水對環(huán)境及取水影響等因素，內(nèi)陸核電廠通常采用循環(huán)供水系統(tǒng)，冷卻塔是循環(huán)供水核電廠的重要冷卻設(shè)施。按照國家統(tǒng)一核電技術(shù)路線的要求，內(nèi)陸核電廠采用第三代AP1000技術(shù)，根據(jù)AP1000機組特點及其配套輔助設(shè)施生產(chǎn)工藝流程的要求，結(jié)合廠址條件及廠區(qū)總體規(guī)劃，總平面布置一般按核島、常規(guī)島、循環(huán)供水設(shè)施、高壓配電裝置等順序布置。

由于循環(huán)供水系統(tǒng)特別是冷卻塔占地面積極大，而主變壓器通常布置于常規(guī)島汽機房一端，升壓后的500 kV輸電線路將穿越冷卻塔、水泵房等循環(huán)供水設(shè)施后接入高壓配電裝置。

《核電廠可行性研究報告內(nèi)容深度規(guī)定》第4.4.5部分明確指出：目前國內(nèi)沿海核電廠高壓配電裝置均采用防護性能較好的室內(nèi)式GIS，對于內(nèi)陸核電廠，應(yīng)根據(jù)廠址污穢等級、場地條件及廠區(qū)總平面規(guī)劃，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證確定高壓配電裝置的選型。

浙江省某核電項目處浙江西部的金衢盆地西南緣，系統(tǒng)規(guī)劃容量按4臺百萬千瓦級壓水堆核電機組考慮，一次規(guī)劃布置，分期建設(shè)；機組采用發(fā)電機—變壓器組單元接線，以500 kV電壓等級接入系統(tǒng)；500 kV配電裝置采用一個半斷路器接線方式，出線回路為3回。

根據(jù)內(nèi)陸核電廠的總平面布置特點，其500 kV配電裝置按照電氣設(shè)備的集成度不同，有以下幾種型式可供選擇。

2 500 kV配電裝置選型方案

2.1 空氣絕緣敞開式配電裝置（AIS）

500 kV空氣絕緣敞開式配電裝置采用罐式斷路器配套管式電流互感器，或瓷柱式斷路器配獨立式電流互感器，母線采用懸掛式軟母線或管形母線，母線及串間隔離開關(guān)采用獨立式隔離開關(guān)。布置型式有多種方案，根據(jù)斷路器的布 置主要可分為三列式、平環(huán)式和品字型等。500 kV AIS設(shè)備在國內(nèi)外已有豐富的制造及運行經(jīng)驗，國內(nèi)開關(guān)廠均可生產(chǎn)。

從理論上講，也可在室內(nèi)布置500 kV配電裝置，但由于500 kV電氣設(shè)備電壓等級高、體積大，采用室內(nèi)配電裝置技術(shù)難度大、造價高，尚無設(shè)計運行先例，故通常不考慮500 kV室內(nèi)敞開式配電裝置方案。

2.2 SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）

SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）由斷路器、母線、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、出線套管或電纜終端等電氣元件組合而成，這些元件封閉在外殼接地的金屬容器內(nèi)，可做成不同連接型式的獨立式標準結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)主接線的要求。

目前，GIS在歐美和日本的應(yīng)用已十分廣泛。在我國，隨著設(shè)備價格下降和土地價格的上漲，以及電力市場廠網(wǎng)分開后對供電企業(yè)運行安全可靠性要求的日益提高，GIS的應(yīng)用也越來越廣泛。比如，在浙江、廣東等地區(qū)的發(fā)電廠中，500 kV配電裝置已經(jīng)廣泛采用GIS。

GIS配電裝置按布置場所也可分為室內(nèi)式和室外式兩種。與室內(nèi)式GIS相比，室外式的進出線套管與本體的縱向距離可以縮短，節(jié)省了部分分支母線，同時少建一幢配電裝置室，土建投資也比室內(nèi)GIS低，但室外GIS的防護等級要求高于室內(nèi)GIS，就GIS本體而言，室外產(chǎn)品比室內(nèi)式產(chǎn)品稍貴；而且，GIS設(shè)備采用室內(nèi)式布置，可減少環(huán)境對設(shè)備的腐蝕，減少設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生水分的機會，避免灰塵和其它雜質(zhì)侵入設(shè)備，通過室內(nèi)溫度和濕度控制，可使GIS設(shè)備處于良好的運行狀態(tài)。

鑒于以上分析，在此僅將室內(nèi)GIS布置方式列為選型比較對象。

2.3 混合式配電裝置（H-GIS）

混合式配電裝置，即高壓母線為裸露、空氣絕緣，其他高壓電器采用SF6氣體絕緣，簡稱為H-GIS。它是以氣體絕緣斷路器為基礎(chǔ)，把隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器等電氣元件集中在氣體絕緣斷路器單元內(nèi)。用戶可以按不同的主接線方案和平面布置要求，拼接成SF6絕緣組合式電器和裸露母線混合的配電裝置。

H-GIS配電裝置的占地面積、可靠性均居于AIS和GIS之間，根據(jù)不同的生產(chǎn)廠家，造價比GIS略低或相當。H-GIS的最大優(yōu)點是采用了高架出線與母線重疊布置方案，推出了可向4個方向出線的高壓配電裝置，使500 kV出線更為靈活，特別適合于進出線較多的變電所，而核電廠出線有限。

H-GIS在日本較早得到應(yīng)用，運行業(yè)績較多，但由于日本地價昂貴，更多還是采用GIS。據(jù)某H-GIS制造廠家提供的業(yè)績表明，近幾年H-GIS在中國的應(yīng)用迅速發(fā)展，但主要應(yīng)用于變電所，發(fā)電廠使用較少。

3 技術(shù)比較

考慮到H-GIS在發(fā)電廠中少有使用業(yè)績，其裸露的高壓母線和連接導(dǎo)線以及室外布置方式，使其可靠性和安全性都不如GIS。根據(jù)該核電項目的總平面布置特點，綜合考慮核電廠的安全可靠性因素，對AIS和GIS兩種方案作技術(shù)比較如下。

3.1 AIS方案的布置及其優(yōu)缺點

500 kV配電裝置采用室外敞開式布置，發(fā)變組單元經(jīng)主變壓器升壓后采用同桿雙回路架空導(dǎo)線接入升壓站，500 kV配電裝置布置在主廠房和冷卻塔的西北側(cè)。

AIS方案的主要優(yōu)點是：設(shè)備布置清晰，串間設(shè)檢修維護通道，日常運行維護和事故檢修比較便利；設(shè)備一次性投資較低，不需建筑房屋，土建投資較省。但該方案的缺點也很明顯，比如結(jié)構(gòu)不緊湊、占地面積較大、運行人員巡視范圍較大、管理不方便等；敞開式布置容易造成灰塵等導(dǎo)電污穢物沉積，對配電裝置的安全運行構(gòu)成嚴重隱患，往往還需采用防護措施，如加RTV涂料等，定期維護清洗較多、工作量和運行費用較大；國內(nèi)敞開式配電裝置的運行經(jīng)驗表明，太陽輻射對導(dǎo)體和電氣設(shè)備產(chǎn)生的附加溫升不可忽略[1]，特別是戶外隔離開關(guān)在沒有達到額定電流的情況下也會出現(xiàn)觸頭熔焊現(xiàn)象，嚴重影響核電廠的安全生產(chǎn)。同時，靜電感應(yīng)、電暈及無線電干擾和噪聲等問題比較嚴重。

另外，如果考慮分期建設(shè)，初期工程兩進兩出構(gòu)成兩個完整串，需要額外增加過渡間隔，使土建構(gòu)架較多，且增加了占地面積。

3.2 GIS方案的布置及優(yōu)缺點

GIS方案即500 kV配電裝置采用室內(nèi)氣體絕緣全封閉組合電器，發(fā)變組單元經(jīng)主變壓器升壓后采用氣體絕緣輸電導(dǎo)線接入升壓站；由于GIS配電裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，采用該方案可以考慮利用主廠房和冷卻塔之間的空地布置500 kV配電裝置。

該方案的主要優(yōu)點是：SF6的絕緣強度高，使GIS設(shè)備體積較AIS大幅縮小，大大壓縮了配電裝置占地面積，節(jié)省了土建開挖和回填費用，所需控制電纜也大為減少。GIS暴露的外絕緣少，受環(huán)境影響小，運行可靠性高；其斷路器的開斷能力強，觸頭燒傷輕微，故 GIS設(shè)備的故障率低、維修周期長；外殼屏蔽接地，沒有觸電危險，靜電感應(yīng)、電暈及無線電干擾和噪聲水平低；GIS設(shè)備重心低，脆性元件少，抗震性能好，這一點在核電廠中非常重要；并且GIS設(shè)備各個元件的通用性強，采用積木式結(jié)構(gòu)，與常規(guī)配電裝置比，現(xiàn)場的安裝工作量少80%左右[2]，因此安裝周期短，施工費用較省。

另外，GIS可以實現(xiàn)內(nèi)部元件之間的電氣聯(lián)鎖，其控制和保護回路功能更齊全可靠，大大減少誤操作的可能性。國內(nèi)、外已有大量的良好運行經(jīng)驗。理論分析和實際運行經(jīng)驗均表明，GIS方案的可用系數(shù)、強迫停運率、計劃停運時間等可靠性指標[3]均優(yōu)于AIS方案。

該方案的缺點是：設(shè)備綜合造價高，工程初期投資大，而且設(shè)計、制造、施工等方面的技術(shù)要求較高。

4 經(jīng)濟比較

以500 kV配電裝置遠景建設(shè)規(guī)模為4回進線3回出線，即3個完整串、1個不完整串，共11臺斷路器為例，兩種方案的經(jīng)濟比較見表1。

表1 兩種方案經(jīng)濟比較萬元

兩方案的總投資相差5 148萬元，即500 kV AIS和GIS的總體投資比例大致為0.64∶1，但隨著技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計將來GIS設(shè)備價格下降空間較大，AIS和GIS的差價縮小，投資比例將會有所接近。另外，此差價也未計入設(shè)備檢修維護、事故損失等費用。

如果考慮設(shè)備的全壽命周期費用[3]，包括裝置費用、預(yù)防性維護費用、修理費用、運行費用、故障停用費用及系統(tǒng)停用費用等，按工程規(guī)劃裝機容量4×1 250 MW，初步估算單臺發(fā)電機組因設(shè)備故障停運造成的售電損失約為1 000萬元/天。在60年的機組壽命期內(nèi)，因設(shè)備故障的累計單臺停運時間如超過6天，即已超過AIS方案所節(jié)省的初投資費用。

根據(jù)以上技術(shù)經(jīng)濟分析比較，經(jīng)濟方面，GIS方案可比AIS方案減少征地面積近80畝；AIS方案比GIS方案投資少5 148萬元，但考慮到核電廠對設(shè)備的安全可靠性要求更高，以及60年機組壽命期中設(shè)備的檢修維護費用、事故損失費用等，從全壽命周期費用來看，采用GIS方案在經(jīng)濟上更合理。技術(shù)方面，GIS可靠性非常高，技術(shù)性能更佳，AIS為室外敞開式布置，其可靠性和安全性都遠不如GIS，且需要定時清掃以減少污穢的影響；AIS方案的配電裝置及網(wǎng)控樓布置在冷卻塔外側(cè)，遠離主廠房，運行維護和管理等方面都遠不如GIS方案方便；且GIS方案的高壓配電裝置、網(wǎng)控樓和主廠房同在冷卻塔一側(cè)，避免了配電裝置與主廠房總有一者布置于冷卻塔、冬季常處于下風(fēng)側(cè)的不利情況。

5 結(jié)語

隨著能源日益短缺和環(huán)境污染日益嚴重，核電廠作為清潔的新能源終將替代常規(guī)燃煤電廠成為電力系統(tǒng)的主力電源，其安全可靠運行對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性意義重大。根據(jù)安全可靠、技術(shù)先進、維護方便、節(jié)約用地的原則，并綜合考慮以上因素，內(nèi)陸核電500 kV配電裝置宜首推GIS方案，而AIS方案可作為備選方案。

[1]GB/T 5352－2006高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S]．北京∶中國電力出版社．2007

[2]電力可靠性管理中心．2008年220 kV及以上電壓等級變壓器、斷路器、架空線路等13類輸變電設(shè)施的運行可靠性指標[EB/OL]．[2009－05－27]．http∶//www．chinaer．org．

[3]G．SCHOEFFNER,T．NEUMANN．氣體絕緣管道輸電線和氣體絕緣組合電器在電廠中的應(yīng)用[J]．電力建設(shè), 2004,25（6）∶4－7．

（本文編輯：楊 勇）

Comparison and Selection of 500 kV Switchgear for Nuclear Power Plant in Inland

HUANG Kai-chang，SUN Wen-bo，ZHANG Le-qun

（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

According to the practical situations of a nuclear power plant in western Zhejiang province，this paper presents a detailed analysis and comparison of technology，economy etc.for a variety of 500 kV switchgears such as air insulated switchgear（AIS），SF6gas insulated switchgear（GIS）and hybrid gas insulated switchgear(H-GIS).And in view of such factors as reliability and safety of the nuclear power plant，500 kV GIS is recommended for nuclear power plantin inland.

nuclear power plant；inland；500 kV switchgear；type selection

TM642+.1

：B

：1007-1881（2010）10-0021-03

2010-02-24

黃開長(1977-)，男，浙江溫州人，工程師，碩士研究生，從事發(fā)電廠電氣設(shè)計工作。