[工程案例]金沙江溪洛渡水电站高压引出线方式选择[材料]_金沙江溪洛渡水电站

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[工程案例]金沙江溪洛渡水电站高压引出线方式选择

2008-12-02 13:56:35 作者：中国长江三峡工程开发总公司 何智江 来源：输配电产品应用开关卷 总第75期 浏览次数：22 文字大小：【大】【中】【小】

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金沙江溪洛渡水电站高压引出线具有引出线长、高差大、输送容量大等特点。对各种引出线方案作了综合必选之后，选择了可靠性高、传输能力强、故障恢复快、且经济效益显著的气体绝缘输电线路（GIL）引出线方式。溪洛渡水电站GIL引出线应关注单元接口密封、现场安装试验、供货商遴选等问题。GIL特别适用于电站厂房布置在地下的大型水电站引出线，以及抽水蓄能电站引出线、核电站和高压换流站、大型变电站站内联络线。

1概述

金沙江属长江上游河段，长度3367km，水力资源量达122000MW，约占全国水能总量的1/6，可开发水能资源约90000MW。2002年国家正式授权中国三峡总公司先期开发金沙江下游河段的乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座水电站，总装机容量约为40000MW,年均发电量约1750亿kWh。溪洛渡水电站于2005年12月正式开工建设，2007年成功截流，计划2013年首批机组投产发电，2015年工程全部建成。电站位于四川省宜宾市以上180km（河道里程），左岸是四川省雷波县，右岸为云南省永善县，距上海、广州的直线距离约1800km和1300km。

溪洛渡水电站是一座以发电为主，兼有栏沙、防洪和改善下游航运等综合效益的巨型电站。电站由栏河大坝、引水发电建筑物、泄洪消能建筑物等组成。大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高278m。电站厂房分别设置在大坝上游左、右两岸地下，各安装9台单机容量为7700MW的水轮发电机组，电站总装机13860MW，年均发电量571亿kWh。溪洛渡水电站是当今仅次于三峡电站和巴西依泰普水电站的世界第三大水电站。

溪洛渡水电站左岸、右岸电厂主接线基本相同，发动机－变压器采用单元接线，设发电机出口断路器；电站送出电压为交流500kV，高压配电装置为550kVGIS。高压引出线左岸三回到青口换流站，再用特高压直流送电华东等地区；右岸引出线三回到南方电网系统后，用高压直流或特高压直流送电广东地区，枯水季部分电量送云南地区。两个厂房均深埋地下，其结构基本相同，都采用三洞室（主厂房、主变洞室和尾水调压室）平行布置。主变洞室分为二层，底层布置三相组合变压器，高程376.5m，第二层是550GIS室和高压引出线层，高程390.0m；户外500kV出线场高程左右岸分别为865m和870m。从引出线层到户外出线场通过500kV出线洞相连，出线洞由两段竖井和两段平洞组成。左、右岸电站高压引出线的进出口高差达475m、480m，引出线平均长度超过600m。

溪洛渡水电站装机容量特大，电站厂房深埋地下，电站接入系统涉及面广，电站500kV交流引出线有如下一些特点。

（1）引出线长不论采用那种电气主接线和不同型式的500kV高压配电装置，不论采用那种配电装置布置方案，也不论引出线采用挤包绝缘电缆还是采用气体绝缘输电线路（GIL），各种组合方案的引出线长度均大于600m；其长度在国内大型水电站引出线中是最长的（二滩电站六回800mm2铜芯低密度聚乙烯LDPE挤包电缆平均长度约500m、广州抽水蓄能电站一期工程二回1600mm2铜芯充油电缆长度平均约550m、桐柏抽水蓄能电站二回800mm2铜芯交联聚乙烯挤包XLPE电缆平均长度约410m）。

（2）引出线两端高差大引出线由地下主变洞室第二层经出线洞至户外开关站或出线场，出线洞两段竖井高差分别为下段229m/217m、上段251m/263m（左岸/右岸），总高差分别为475m、480m。国内已建电站中，敷设高差较大的二滩电站引出线高差约180m、广蓄一期工程为200m；国外已建电站中，高压引出线敷设高差超过200m的电站也不多，溪洛渡电站引出线高差在国内外水电站中实属罕见。

（3）输送容量大当500kV开关站露天布置时，采用发电机－变压器－挤包电缆单元接线、单回引出线输送容量为855MVA，工作电流988A；如果发电机-变压器组为两机联合单元接线、并采用一回引出线送出二台机组容量，单回输送容量达1710MVA，电流达1976A。当开关站布置在地下，单回引出线输送容量为3150MW，额定电流达4041A。

（4）单价高投资较大由于引出线输送容量大，回路数多，敷设长度长、落差大，技术参数高，故此无论选用XLPE挤包绝缘电缆还是气体绝缘输电线路（GIL），引出线设备的综合投资都比较大，经计算各种组合方案的总投资在3－5亿人民币范围内，而电站左、右岸电厂550kVGIS开关站本体综合造价不会超过5亿元，可见溪洛渡电站高压引出线在整个高压电气设备造价中占有较大的比重。

（5）电站接入系统规划设计变化较大，改动较多进入二十一世纪，我国国民经济持续平稳快速发展，电力电量需求与日俱增，电源建设和电网建设不断增速。西南地区特别是四川和云南省是我国水力资源富集之地，两省水能资源经济可开发量超过200000MW。国家大力发展清洁能源，加快西南地区水电建设步伐，一些大型和巨型水电站如小湾、溪洛渡、瀑布沟、锦屏和向家坝等巨型水电站相继开工建设。加上国家电力公司拆分为两大电网公司和五大电力集团，发电和输电的竞争态势必然会引发新的利益诉求和权力博弈，新的思维和新的动向。上世纪末本世纪初完成的溪洛渡电站可研报告中，电站接入系统方案采用左、右岸电站各出500kV交流6回共12回出线。500kV开关站户外布置，发电机－变压器单元接线采用XLPE挤包绝缘电缆，左右岸各9回，分别置于左岸3个和右岸3个电缆竖井中。2004年发改委审定《金沙江一期工程—溪洛渡、向家坝水电站输电系统规划设计报告》（2003年12月），溪洛渡接入系统方式为交流500kV，左岸出线三回至青口换流站，备用一回；右岸出线五回，其中至漂坝换流站三回，至云南昭通二回。从青口换流站、落雁换流站、漂坝换流站各出一回±620kV（随后又该为±800kV）直流至华中、华东地区。随着电力系统规划设计工作深化，2006年决定取消左岸电站的一回备用间隔。

最近又新的变动。溪洛渡电站电能消纳方案从电站接入系统论证开始，电力电能主送华东、华中，枯水期部分电能送云南，近十年来一直没有改变。但是就在最近，溪洛渡电力电量外送方案改为：右岸电站出线由5回缩减为三回并改送南方电网后再用直流送广东。左岸电站出线不变仍为三回500kV交流至青口换流站，再用特高压直流送电华东地区。

2引出线方式选择

关于金沙江溪洛渡水电站500kV引出方式和开关站位置选择课题，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院做了大量工作，历经十年，几易其稿，成果屡屡。这里仅择其要点，并结合设备招标文件和电站接入系统的新动态，归纳一些结论性意见。

2．1引出线型式选择的前提条件

（1）按照最新的电站接入系统方案，即左岸电站和右岸电站各出500kV交流三回出线，每回最大输送容量按3150MW考虑；

（2）从确保电站电力电量安全送出考虑，每一个竖井内最多只能敷设或安装三回高压电缆或三回GIL；

（3）挤包绝缘电缆输送能力有限（对溪洛渡电站来说），挤包电缆方案必须将GIS开关站放在户外，并采用发电机－变压器单元接线接XLPE电缆的接线方式。

2．2引出线方式的选择原则

（1）溪洛渡站引出线的送出容量很大，电量全部送至沿海经济发达地区，必须确保安全、持续、稳定运行；

（2）设备的技术参数应完全满足电站要求，并留有一定的裕度；

（3）设备制造商必须有大容量高落差XLPE电缆或GIL的供货业绩和良好的运行实绩；

（4）引出线高差特大，安装、试验方案落实，安装经验丰富；

（5）项目综合造价合理。

按照上述的选择条件和选择原则，电站引出方式只有XLPE电缆和GIL两种设备有资格参与比较。充油电缆不满足高落差条件且故障率较高。低密度聚乙烯电缆（LDPE）仅法国SEGEM（原雪力克公司）生产，目前SEGEM公司在400kV及以上电压等级也不推荐XLPE电缆。

2．3XLPE挤包绝缘电缆

挤包绝缘电缆的开发制造和应用已有三十多年的历史。第一条500kVXLPE电缆于1988年投入运行，至1999年底，仅日本住友电气生产的500kVXLPE电缆并投入运行的已超过68.7km。法国225kV、400kV的LDPE电缆分别于1969年、1985年投入运行，至2000年1月，已投运的225kV和400kV电缆长度分别为1669km和49km。相对于充油电缆来说，各电压等级挤包绝缘电缆运行十分可靠（故障率远低于标准要求值：0.2/100km•回•年）。XLPE电缆投入运行之后，基本上不需要专门的运行维护工作，挤包电缆的结构特点确定了设备本体的质量保证主要来自制造厂。但是，在制造过程中可能产生的微小缺陷检测比较困难，运行中如果出现绝缘局部老化目前还缺乏有效的检测手段，这是它不足的一面。实际工程中挤包电缆的故障发生往往难以预测和预防，电缆故障大都是绝缘击穿，如果事故发生在电缆竖井内后果更为严重。一旦发生绝缘击穿事故，回路只能退出运行，维修或更换电缆费时费力，直接影响供电的连续性，如果遇上夏季丰水期电站将被逼弃水。

以日本藤仓电线生产的800mm2铜芯XLPE电缆为例，XLPE电缆的结构由内向外为（世界各大电缆制造厂家生产的XLPE电缆结构类似）：

•导体：由多股铜绞线构成，外径约34mm。

•导体屏蔽层：由半导体复合材料构成，厚度1.9mm。

•绝缘层：由交联聚乙烯构成，厚度32mm。

•绝缘屏蔽层：由半导体复合材料构成。

•金属屏蔽与金属护层：对于敷设落差大的电缆，该层由铝绞线和铝箔组成，厚度为2.7mm。

•外护层：材料为聚氯乙烯，与金属屏蔽层的铝箔连接，保护电缆绝缘不受潮气浸入，厚度6mm。

电缆外径约142mm，单位重量21.5kg/m。

500kVXLPE电缆载流量见表2－1,环境条件为：敷设在空气中，环境温度40℃，电缆三相水平布置。

表2－1500kVXLPE挤包电缆载流量

由表2－1可见，假如采用XLPE电缆做引出线，由于电缆载流能力的限制，只能将开关站布置在户外，而且只能采用发电机－变压器－XLPE电缆（800mm2）单元接线，其他的方案如联合单元等都是不经济的，甚至是不可能的。比如将开关站至于地下，那么引出线工作电流达到4041A，采用电缆则需要两根2500mm2电缆并联，还不能满足要求；投资大致增加3亿，现场安装、试验增加不少困难。此外，在500kV电压等级采用电缆并联运行尚无先例。

500kVXLPE电缆现场试验项目主要是交流工频耐压和护层耐压试验。IEC62607推荐的现场交流实验电压为320kV/1h。800mm2绝XLPE电缆的电容约0.15μF/km，按试验电压频率为50Hz、电压值为320kV进行计算，最长一相出线（690m）的电容电流约10.4A，试验设备容量不小于3328kVar，现场耐压试验没有问题。

2．4 GIL

GIL研发、制造和应用也有三十多年的历史。GIL类似于GIS中的SF6气体绝缘封闭母线，从某种意义上来说，GIL是在研发制造GIS过程中的一个衍生品。但是，当SF6气体绝缘封闭母线作为较长距离的大容量输送电能的载体时，对它的技术要求和使用条件已经不等同于GIS。1998年7月由IEC第17技术委员会的17C分技术委员会（高压封闭式开关设备和控制设备）起草了IEC61640－1998标准《额定电压72.5kV及以上气体绝缘高压刚性输电线路》，2005年我国颁布了DL/T978－2005《气体绝缘金属封闭输电线路技术条件》，这两个标准是当前GIL设计、制造、试验和选用的依据。

美国伟斯特堡气体绝缘母线公司（现为AZZ︱CGITWestboro.Inc.）在1972年生产了242kV1600A，单相长414m的GIL，用于美国HudsonGen.NJ；在1981年和1984年生产1200kV，5000A单相长90m和330mGIL，用于美国DOEWalzMill。德国SIEMSENS公司和日本几家公司也生产制造了不同电压等级及不同长度的GIL。到目前为止，GIL在世界上应用在最高竖井的项目为美国塞拉国家森林区的BalsamMeadow抽水蓄能电站，其垂直高度为305m。我国大亚湾和岭澳核电站，张河湾抽水蓄能电站，三峡输变电工程宜都、华新等500kV换流站，都采用了500kVGIL，黄河拉西瓦水电站装机4200MW，两回出线选用了美国AZZ∣CGIT公司制造的800kV电压等级GIL，其出线平均长度450m，高差210m，现正在安装试验之中，预计2009年投运。据IEC/PESGIS分委会2004年统计，全世界73－1200kVGIL总长约198km。

GIL的主要特点有：

•可靠性高，故障率低，使用寿命长GIS已经广泛使用并在实践中证明是一种十分可靠安全的电气设备，GIL与GIS相比，由于没有开断高电压大电流和灭弧的运动部件，也没有断路器、隔离开关、接地开关、PT、CT、避雷器、套管和母线等设备的组合连接，运行经验证明GIL比GIS的故障率更低。GIL的是一种可靠性很高的电气设备。

•传输能力强电能损耗小输送功率可达4GW，最大工作电流可达8000A；GIL的导体和外壳截面大，其电阻损耗要低于电缆和架空线路。

•运行维护工作量小，故障恢复时间短年漏气量低于0.5％，基本上不需要检修；发生故障恢复较快（相对于电缆而言），故障段可取下，换上备用段，可在72小时内完成。

•与周边环境友好相处无电磁干扰，且电容电流小；不受敷设高差和弯曲半径的限制，也不受大气、污染和高海拔等环境影响。

以前，GIL使用很少的主要原因是一次设备单价高投资大，十年前500kVGIL单相米约6－7万元人民币。现在无论是GIS还是GIL，价格已经不断下滑，当前500kV4500AGIL价格约2万元/单相米，与大截面XLPE电缆单价相近。

由于GIL是一种刚性部件组合成的电力传输设备，在工厂将各个单元制造、试验之后，封装打包，运输至工地后仍是半成品。与电缆的质量在绝对程度上取决于工厂环节不同，GIL的质量一定程度上取决于安装。GIL现场安装工作主要包括密封端面清洗、法兰螺栓连接、充气（约0.2MPa）进行漏气检查、抽真空和充气至额定气压、耐压试验等工序。安装人员认为：GIL每一道工序质量控制难度不大，但都直接影响GIL的最终质量。安装环境（湿度和粉尘控制）、安装人员的责任心和技术水平是质量保证的关键。GIL已经有一套严格成熟的安装程序，配套的的安装工具和完备的安装质量检测手段，安装质量得以保证，SF6气体年泄漏率可以保证小于0.5%。美国加州的BalsamMeadow电站安装在高差为305m的竖井中的GIL(AZZ∣CGIT供货)，自1987年投运至今，从未发生过非计划停电。

相对于挤包电缆来说，GIL的安装工作量要大一些。AZZ∣CGIT公司制造的GIL单元长度最大为18.3m，由于海运和溪洛渡电站交通条件的限制，厂家推荐GIL单元（管）长11.5m。各组件外壳在现场需要螺栓连接（AZZ∣CGIT方案）或焊接（SIEMENS方案）。溪洛渡电站GIL大多在竖井中安装，高差大，分段多，估计安装周期比电缆长，对现场环境要求较高。AZZ∣CGIT供货的GIL特性参数见表2－2。

表2-2AZZ︱CGITGIL特性参数表

1，露天敷设额定电流的设计条件是，室外环境温度400C，阳光辐射和温升限制，执行IEC标准，设计上可保证更高的额定电流值。

2，直埋敷设额定电流的设计条件是，土壤环境温度200C，相间距离及埋设深度按规定执行，增加相间距离可提高额定电流值。

3，标称充气的表计压力为480kPa或515kPa，视系统需要而定。

GIL现场试验项目有交流耐压和局放试验。AZZ∣CGIT公司500kVGIL电容约0.054μF/km、现场交流试验电压为592kV（80%×工频耐压值740kV）。考虑到置于地下的GIS交流耐压试验也需施加在地面的出线套管通过GIL到GIS，试验设备的最大需要容量由GIL和最大的GIS试验单元确定，按试验电压频率为50Hz、电压值为592kV进行计算，最长一相GIL（695m）电容电流约7.0A、最大GIS试验单元电容电流约6A，合计约13A，试验设备容量不小于7696kVar，容量之大国内少见。武汉高压电器研究所已在考虑试验设备的订制。

2．5投资比较

XLPE电缆出线方案和GIL出线方案的设备投资比较见表2－3。表中所给出的XLPE电缆综合单价是根据国外公司在国内工程的报价并考虑了近期市场发展趋势确定的，GIL综合单价参照了AZZ∣CGIT和SIEMENS提供的资料，以及最近工程GIS主母线价格分析得出的。综合单价包括本体、附件、运费、技术指导费，不包括安装费。

表2－3XLPE电缆方案与GIL方案的设备综合造价比较

由表2－3可见，GIL方案的设备综合造价仅为XLPE电缆方案的61％。土建方面，GIL方案仅需要两条垂直竖井（包括上下水平段），而XLPE电缆需要六条。包括土建费用，电缆方案投资将比GIL方案多2亿元以上（这是方案比选阶段的结论，实际执行中有所变化，但不影响方案比选结论）。

2.6小结

溪洛渡水电站高压引出线最终选择了气体绝缘输电线路GIL。

按照2.2所确定的引出线选择原则，GIL方案和XLPE电缆方案都是安全可靠的，设备的各项技术指标满足设计要求；都有比较可靠、成熟的国际供货商，都有设备安装和现场试验的经验和相应的试验设备。相对来说，GIL的安全可靠度更高，过流能力裕度大，故障后所需修复时间短，工作量少。GIL的现场安装工作量较大，安装时间较长，但不会影响电站的发电工期。

GIL方案的设备综合费用要比XLPE电缆方案省1.4亿元，包括土建费用在内估计GIL方案可省2亿人民币以上。GIL方案费用的节省主要得益于溪洛渡电站接入系统设计的不断优化，500kV出线从12回减至九回，最终减至六回，以及电站高压配电装置优化设计将GIS从露天放置改为洞内布置。

3溪洛渡电站选用GIL设备值得关注的一些问题

1992年天星桥水电站安装了我国最早的500kVGIL，随后在大亚湾核电站、岭澳核电站、三峡输变电工程湖北宜都、上海华新等换流站、湛江澳里油电厂和张河湾水电站的GIL相继投入运行。拉西瓦水电站800kVGIL正在安装试验。我国水电站、核电站、火电站和变电站已建和在建的GIL项目见表3－

1、3－

2、3－3，从表中数字可以看出，我国在大型发电和输电项目上有选用GIL的趋势。有一些项目如糯扎渡水电站、三峡地下电站与右岸电站联络线、三峡宜都换流站、华新换流站等工程的GIL项目，有一些参数没能落实，故未予登录。

溪洛渡水电站在选用GIL时值得关注如下一些问题。

（1）关于GIL单元的接口密封GIL在工厂是一段一段制造的，每一单元经过相关试验后封装充氮，组成运输单元并发运到工地，再组装成一条气体绝缘金属封闭输电线路。GIL单元之间的连接有法兰连接和焊接两种典型方式，大多数GIL采用法兰连接，与一般的GIS厂家处理方法不同，AZZ︱CGIT公司采用的是双密封圈的法兰连接，让接头的漏气量减至最低，并保护内层密封圈防止老化，实际使用效果比较好。采用法兰连接还有一个好处是万一发生故障，更换故障段较快。另一种是SIEMENS的现场焊接方式，它可以更有效地减少可能的漏气点。现场焊接时在GIL外壳内安置了一段衬管，焊接完成后对筒管内壁仔细清扫检查。工程实践证明，两种连接方式都是成功的。焊接方式用于户外架空GIL和直埋式GIL较好；敷设在洞室、廊道内的GIL采用双密封圈法兰连接方式为宜，特别是长竖井段，如果采用现场焊接烟雾和粉尘难以消散，投运后如发生故障修复困难，延误恢复送电时间。

（2）关于现场安装和试验GIL设备在工厂制造的仅仅是半成品，工厂设计制造的质量保证只是产品质量保证的必要条件，并不是充分条件。因此，现场安装作业的严格管理和安装人员的质量意识特别重要，对于高长竖井中的安装作业，不允许有丝毫的疏忽，要将现场安装工作做好做细，把安装现场的周边环境和安全工作搞好。要做好现场试验各项工作，确保安装质量。

（3）关于GIL供货商从技术层面上来说，GIS与GIL是同门师兄弟，GIL的技术含量远不如GIS。一般说来，GIS厂都可以制造GIL。事实上GIS的母线也是IGL的一种特殊使用方式。在三峡左岸和右岸电站，以及已经动工建设的三峡地下电站，三个电站的GIS开关站的主母线，粗略估计，约有10000单相米，它们都是西开和沈高两大开关厂制造的。不过从各个厂家给溪洛渡电站GIL项目提交的技术咨询文件、与用户交流的情况看，GIS厂家的表现并不理想，倒是专门制造GIL一种产品的美国AZZ∣CGIT和德国SIEMENS（有专门的GIL研发制造部门）比较认真，这个中原因无从知晓。因此，对于电压高、电流大，又有一些特殊应用条件的项目应专门立项独立招标，并多请一些专业GIL公司交流咨询。对于一些长度较短，无特别要求的GIL项目，可以考虑在GIS招标时一并处理。

4结语

金沙江溪洛渡水电站高压引出线型式最终选择了气体绝缘输电线路（GIL）。GIL的特点是：安全可靠度高，输送容量大，与周边环境友好相处，而且损耗比挤包电缆和架空线路都低。它特别适用于电站厂房布置在地下的大型水电站高压引出线，也适用于大型抽水蓄能电站高压出线；适用于核电站主变高压侧与高压配电装置的连接线，以及高压直流换流站和特高压交流变电站的站内高压联络线。由于GIL具有送电能力强、与周边环境友好相处的优点，预计在不久的将来，一些人口稠密的大城市中心区采用GIL供电也许是一种不错的抉择。

表3－1国内水电站GIL项目统计表（包括已建、在建项目）

表3－2国内核电站GIL项目统计表（包括已建、在建项目）

表3－3国内火电站和变电站GIL项目统计表（包括已建、在建项目）