杜寶瑞

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

0 海陽(yáng)核電概況

海陽(yáng)核電廠(chǎng)采用美國(guó)西屋先進(jìn)的AP1000非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)，規(guī)劃容量為6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組。廠(chǎng)區(qū)一次規(guī)劃、分期建設(shè)，一期工程1號(hào)、2號(hào)機(jī)組正在建設(shè)中，一期工程主變壓器至開(kāi)關(guān)站采用架空線(xiàn)方案，二期工程擴(kuò)建兩臺(tái)機(jī)組，即新建3號(hào)、4號(hào)機(jī)組。電廠(chǎng)以500 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)和主變壓器壓器采用單元制接線(xiàn)，經(jīng)主變壓器升壓后接入廠(chǎng)內(nèi)500 kV配電裝置，500 kV配電裝置按雙母線(xiàn)三分段設(shè)計(jì)，采用室內(nèi)500kV GIS設(shè)備，全部建成后為6進(jìn)6出，一期工程為其中6回出線(xiàn)以及1號(hào)、2號(hào)機(jī)組主變壓器兩回進(jìn)線(xiàn)，二期工程將擴(kuò)建3號(hào)、4號(hào)機(jī)組兩回主變壓器進(jìn)線(xiàn)。

1 電力進(jìn)線(xiàn)方案

主變壓器至 500 kV配電裝置的進(jìn)線(xiàn)方式通常有架空線(xiàn)方案、GIL方案和500 kV電纜方案三種實(shí)施方案。500 kV廠(chǎng)外電源是AP1000核電廠(chǎng)的優(yōu)先電源，在失去正常電源時(shí)，首先由500 kV優(yōu)先電源經(jīng)主變壓器（MSU）和廠(chǎng)用變壓器（UAT）倒送電帶完整廠(chǎng)用負(fù)荷運(yùn)行，以保證核電廠(chǎng)的安全運(yùn)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(jìn)線(xiàn)方案十分重要。

1.1 架空進(jìn)線(xiàn)方案

在我國(guó)高壓輸電線(xiàn)路中架空輸電線(xiàn)路應(yīng)用最為廣泛，其設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，檢修維護(hù)方便。雖然架空線(xiàn)具有造價(jià)低、施工周期短等特點(diǎn)，但是500 kV架空輸電線(xiàn)路由于長(zhǎng)期承受外部大氣環(huán)境影響，可靠性相應(yīng)降低，電網(wǎng)事故的大部分均因架空輸電線(xiàn)路故障引起。

具體到海陽(yáng)核電項(xiàng)目3號(hào)、4號(hào)機(jī)組，還存在下面一些安全隱患。

1）不能滿(mǎn)足倒塔距離要求。按國(guó)標(biāo)GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，電力線(xiàn)路邊導(dǎo)線(xiàn)間的最小水平距離，500 kV時(shí)，在開(kāi)闊地區(qū)平行時(shí)為最高塔高，在路徑受限制地區(qū)為13 m。經(jīng)測(cè)量，若3號(hào)、4號(hào)機(jī)組架空線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)，與1號(hào)、2號(hào)機(jī)組架空線(xiàn)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(mǎn)足受限制地區(qū)13 m的要求，不能滿(mǎn)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。考慮到核電廠(chǎng)的重要性，宜按開(kāi)闊地區(qū)的塔高來(lái)考慮，因此目前的布置不能滿(mǎn)足要求。

2）不利于事故搶修。開(kāi)關(guān)站進(jìn)線(xiàn)側(cè)線(xiàn)路間距較小，一旦線(xiàn)路或鐵塔出現(xiàn)問(wèn)題，大型設(shè)備應(yīng)用受到場(chǎng)地限制，將會(huì)影響搶修的時(shí)效性，影響核電廠(chǎng)供電可靠性。

3）不能避免共模故障。與1號(hào)、2號(hào)機(jī)組出線(xiàn)方式相同，在雷擊、鳥(niǎo)害、覆冰等不利情況下存在同時(shí)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(guó)也有了30多年的使用歷史，秦山核電二期擴(kuò)建工程主變壓器至開(kāi)關(guān)站采用的就是500 kV充油電纜，擠包絕緣電纜在核電中還沒(méi)有應(yīng)用。

高壓電纜主要優(yōu)點(diǎn)：布置靈活，進(jìn)線(xiàn)走廊占地少，可在電纜溝內(nèi)敷設(shè)，不受場(chǎng)地條件和角度限制。

高壓電纜主要缺點(diǎn)：電纜正常運(yùn)行狀況不易監(jiān)測(cè)，需采取防火報(bào)警措施，運(yùn)行可靠性相對(duì)較低；工程投資較高，國(guó)內(nèi)運(yùn)行業(yè)績(jī)少，電纜終端基本依靠進(jìn)口，修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；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(kāi)關(guān)站內(nèi)控制電纜溝等管線(xiàn)交叉。

1.3 GIL進(jìn)線(xiàn)方案

3號(hào)、4號(hào)機(jī)組主變壓器與500 kV開(kāi)關(guān)站采用GIL連接，考慮到廠(chǎng)區(qū)的整體布置及施工等因素，GIL按地下廊道敷設(shè)方式設(shè)計(jì)。GIL架空安裝在4 600 mm×2 000 mm的地下廊道內(nèi)，兩臺(tái)機(jī)地下廊道總長(zhǎng)度約為600 m。

GIL方案的優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)行可靠、低電磁輻射等特點(diǎn)；采用地下廊道內(nèi)敷設(shè)，可以?xún)?yōu)化廠(chǎng)區(qū)布置；避免共模故障，采用與架空線(xiàn)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(guò)臨時(shí)電纜提供應(yīng)急電源，提高了核電廠(chǎng)的供電可靠性。

GIL方案的缺點(diǎn)：采用地下廊道與一期工程220 kV電纜溝、控制電纜溝、廠(chǎng)區(qū)污水管、廠(chǎng)區(qū)雨水管、綜合管廊等地下管線(xiàn)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(jì)比較

500 kV架空線(xiàn)。 工程造價(jià)539萬(wàn)元，壽期內(nèi)預(yù)計(jì)故障停運(yùn)費(fèi)用72.3萬(wàn)元，更換費(fèi)用300萬(wàn)元，損耗費(fèi)用2 041.2萬(wàn)元，價(jià)格總計(jì)約2 952.5萬(wàn)元。

500 kV GIL。工程造價(jià)3 805.87萬(wàn)元，壽期內(nèi)預(yù)計(jì)故障停運(yùn)費(fèi)用32.5萬(wàn)元，更換費(fèi)用300萬(wàn)元，損耗費(fèi)用2 177萬(wàn)元，價(jià)格總計(jì)約6 315.37萬(wàn)元。

500 kV電纜。工程造價(jià)2 485.22萬(wàn)元，壽期內(nèi)預(yù)計(jì)故障停運(yùn)費(fèi)用301.9萬(wàn)元，更換費(fèi)用3096萬(wàn)元，損耗費(fèi)用3 265.5萬(wàn)元，價(jià)格總計(jì)約9 148.12萬(wàn)元。

由此可以看出，采用500 kV架空線(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)性最好。GIL方案的初期投資最大，但考慮60年電廠(chǎng)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(shù)角度考慮，3個(gè)方案均可行，但架空線(xiàn)方案存在一定的安全隱患。從經(jīng)濟(jì)性能方面看，架空線(xiàn)方案初期投資和運(yùn)行成本最低，經(jīng)濟(jì)性最好，其次是GIL方案，最后是電纜方案。綜合技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)兩方面，GIL方案最優(yōu)，其次是架空進(jìn)線(xiàn)方案，最后是電纜方案。

2 氣體絕緣輸電線(xiàn)路在核電站的應(yīng)用及性能特點(diǎn)

2.1 GIL的制造和使用情況

GIL從1970年開(kāi)始在美國(guó)率先投入使用［1］。目前世界上能生產(chǎn)長(zhǎng)距離大容量專(zhuān)業(yè)SF6管道母線(xiàn)（GIL）的廠(chǎng)家有西門(mén)子、阿爾斯通、美國(guó)AZZ/CGIT等國(guó)外公司，部分國(guó)內(nèi)的GIS廠(chǎng)家，也相繼開(kāi)發(fā)了GIL。

500 kV GIL在我國(guó)核電行業(yè)已有不少應(yīng)用的實(shí)例，大亞灣核電站早在1988年就采用了500 kV GIL，后續(xù)建設(shè)的嶺澳、田灣、紅沿河、寧德、三門(mén)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(jī)［3］。

2.2 GIL性能特點(diǎn)

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(shè)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(zhǎng)距離水平或垂直敷設(shè)，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況完成不同的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)。

2）絕緣水平高。GIL采用同軸圓柱的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電場(chǎng)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(yùn)行過(guò)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(xiàn)內(nèi)部的氣體壓力下降至零表壓（0.1 MPa，絕對(duì)壓力）時(shí)，仍具有1.1倍的系統(tǒng)最高工頻相電壓的耐受能力，不會(huì)對(duì)地閃絡(luò)。

GIL氣體間隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)是導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)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(jì)算，得到GIL內(nèi)部的導(dǎo)體的表面場(chǎng)強(qiáng)Emax=3.49 kV/mm。

對(duì)于同軸圓柱結(jié)構(gòu)的SF6氣體絕緣系統(tǒng)，當(dāng)氣體壓力為零表壓（0.1 MPa絕對(duì)壓力），導(dǎo)體外徑為38～200 mm，電極表面粗糙度不超過(guò)30 μm時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其U50電壓下?lián)舸╇妶?chǎng)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：E50%為SF6氣體的50%擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，A=44，B=3.5。這樣，計(jì)算出E50%=7.9 kV/mm。 由于 Emax＜E50%，即在零表壓下，GIL 內(nèi)部的導(dǎo)體場(chǎng)強(qiáng)小于氣體的50%擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，證明GIL在零表壓下可以正常運(yùn)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(xiàn)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(dá)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超高壓通流導(dǎo)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(wèn)題，并具備抗電氣和熱老化特性，不經(jīng)受任何實(shí)際的老化過(guò)程。

5）運(yùn)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(jié)構(gòu)，在正常運(yùn)行情況下，三相外殼回路中因電磁感應(yīng)產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流數(shù)值大約等于母線(xiàn)電流的95%，且方向相反，從而使殼外的磁場(chǎng)大部分消失，另外設(shè)備外部沒(méi)有電場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度也保持在較低的水準(zhǔn)。 完全可以滿(mǎn)足核電廠(chǎng)各種測(cè)量控制設(shè)備的電磁兼容性要求。

3 采用GIL方案注意問(wèn)題

3.1 GIL布置

GIL有多種敷設(shè)方式，一般有地下管廊、沿地表低支架敷設(shè)、地上高架敷設(shè)、地面開(kāi)溝架設(shè)等敷設(shè)方式。海陽(yáng)核電廠(chǎng)在主變壓器至開(kāi)關(guān)站之間有兩條建設(shè)道路，采用地面上敷設(shè)方式既影響美觀(guān)，又影響道路通行及大件設(shè)備運(yùn)輸，所以比較可行的是地下廊道敷設(shè)方式，但在進(jìn)行立體布置時(shí)既要考慮避開(kāi)一期工程電纜溝、雨水管線(xiàn)、污水管線(xiàn)等地下管道，又要確保GIL管道母線(xiàn)的安裝、維護(hù)方便，同時(shí)要減少土建費(fèi)用。

3.2 GIL連接

GIL在工廠(chǎng)是分段制造的，每一單元經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)后封裝充氮，組成運(yùn)輸單元并發(fā)運(yùn)到工地，再組裝成一條氣體絕緣金屬封閉輸電線(xiàn)路。GIL單元之間的連接包括導(dǎo)體之間的連接和外殼之間的連接。

導(dǎo)體連接。兩段導(dǎo)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(jié)構(gòu)，接觸電阻很小。

外殼連接設(shè)計(jì)。管道母線(xiàn)外殼一般有法蘭連接和焊接兩種方式。焊接優(yōu)點(diǎn)是可以減少漏氣點(diǎn)，運(yùn)行可靠性高。缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大，時(shí)間長(zhǎng)，質(zhì)量不易控制，發(fā)生故障不易更換，現(xiàn)場(chǎng)焊接煙霧和粉塵難以消散，投運(yùn)后如發(fā)生故障修復(fù)困難，延誤恢復(fù)送電時(shí)間。法蘭連接具有現(xiàn)場(chǎng)工作量小，質(zhì)量容易控制，安裝時(shí)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(chǎng)家產(chǎn)品及其安裝技術(shù)有關(guān)，建議海陽(yáng)核電二期的GIL要根據(jù)所選用的產(chǎn)品采用適當(dāng)?shù)倪B接方式。

3.3 基礎(chǔ)支架

地上或管廊內(nèi)敷設(shè)GIL時(shí)，需按一定的間距布置支架，以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。 管道母線(xiàn)的架設(shè)地點(diǎn)互有差異，其支架的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不宜雷同，應(yīng)確保支撐得當(dāng)，使GIL無(wú)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(yùn)行。GIL的支撐結(jié)構(gòu)有固定式和滑動(dòng)式兩種，滑動(dòng)式用于支撐GIL在熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生位移的情況，GIL可在支撐架上的滾輪上滑動(dòng)。固定支撐結(jié)構(gòu)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(gè)固定塊，用螺桿將固定塊固定在支架上。

3.4 GIL的現(xiàn)場(chǎng)安裝

GIL設(shè)備在工廠(chǎng)制造的僅僅是半成品，工廠(chǎng)設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量保證只是產(chǎn)品質(zhì)量保證的必要條件，并不是充分條件。因此，現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)的嚴(yán)格管理和安裝人員的質(zhì)量意識(shí)特別重要，對(duì)于海陽(yáng)核電項(xiàng)目，由于GIL都在地下隧道中安裝，施工空間小，距離較長(zhǎng)，安裝精度要求高，安裝過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守安裝程序及相關(guān)技術(shù)要求，并且注意安裝環(huán)境。

3.5 GIL的現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)

安裝完成后，投入運(yùn)行前，GIL應(yīng)進(jìn)行整體的試驗(yàn)以檢查安裝質(zhì)量和設(shè)備的絕緣性能。GIL現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)的項(xiàng)目包括：外觀(guān)檢查與核實(shí)；主回路電阻測(cè)量；主回路絕緣試驗(yàn)；輔助回路絕緣試驗(yàn)；氣密性試驗(yàn)；氣體質(zhì)量檢查；氣體濕度測(cè)量；元件試驗(yàn)。這些試驗(yàn)項(xiàng)目中，最重要的和要求最高的是主回路絕緣試驗(yàn)，它直接決定GIL能否投入使用。

GIL的耐壓試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的要求。GIL由于單位電容大，距離長(zhǎng)，在耐壓試驗(yàn)的過(guò)程中，會(huì)遇到試驗(yàn)設(shè)備容量不足的情況?，F(xiàn)場(chǎng)需采用串聯(lián)諧振的試驗(yàn)回路，可以大大減輕電源設(shè)備的容量。

耐壓試驗(yàn)程序。和GIS的耐壓試驗(yàn)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(chǎng)區(qū)域，或是通過(guò)放電燒掉微小的微?；螂姌O上的毛刺，減少對(duì)設(shè)備絕緣的危害。GIL加壓步驟如圖1曲線(xiàn)所示。

圖1 GIL耐壓試驗(yàn)的加壓步驟

3.6 GIL的運(yùn)行和維護(hù)

GIL系統(tǒng)沒(méi)有任何移動(dòng)的部件，在系統(tǒng)安裝完畢并通過(guò)耐壓試驗(yàn)后，GIL就應(yīng)該可以在整個(gè)使用期限內(nèi)毫無(wú)故障地使用。但為了確保系統(tǒng)保持高效運(yùn)行狀態(tài)，可采取一些簡(jiǎn)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(gè)月時(shí)，需檢查每個(gè)氣室的濕度。在運(yùn)行6個(gè)月后，應(yīng)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(yīng)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(guò)每年 0.5%。正確安裝后，泄漏率應(yīng)比該參數(shù)低得多。這意味著至少在 10年內(nèi)沒(méi)有必要進(jìn)行補(bǔ)氣。每次檢查濕度時(shí)都應(yīng)檢查密度計(jì)（運(yùn)行6個(gè)月監(jiān)測(cè)1次，以后每隔5年1次）。如果趨勢(shì)分析指出某個(gè)特定氣室有泄漏現(xiàn)象，則應(yīng)安排一次仔細(xì)的泄漏檢查。

日常巡視。為確保GIL的長(zhǎng)期安全的運(yùn)行，可以在日常的巡視中檢查母線(xiàn)、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(dòng)，或者接地裝置是否有損壞，然后進(jìn)行必要的維修。

4 結(jié)語(yǔ)

GIL是用于大功率輸電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明的技術(shù)，可靠性較高，所以國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)大多采用GIL方案。根據(jù)海陽(yáng)項(xiàng)目實(shí)際情況，由于一期工程采用了架空線(xiàn)方案，二期工程若采用架空線(xiàn)方案，不滿(mǎn)足倒塔距離要求，對(duì)核電廠(chǎng)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(shí)與一期管線(xiàn)交叉布置，還需要對(duì)GIL管廊布置方案、連接方式、基礎(chǔ)支架，運(yùn)行和維護(hù)等做進(jìn)一步研究和細(xì)化，以保證設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)、合理、可行，保證核電廠(chǎng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。