白鹤滩出线竖井GIL方案

李胜兵，黄晓敢，陈 钢，危贤光

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

白鹤滩水电站两岸地下厂房内各装设了8台1 000 MW的水轮发电机组，500 kV配电装置采用地下GIS，每岸出线都采用了4回SF6气体绝缘金属封闭母线(GIL)，并考虑了预留GIL出线布置位置，出线场布置在地下厂房上部山坡开挖出的平台上。受地质和地形条件制约并考虑综合难度等因素，左、右岸各布置了2条出线竖井，每条竖井分为上段、下段和水平连接段。下段竖井下连主变洞GIS层、上接通向上段竖井的水平连接洞，上段竖井的出口位于出线场。由地下GIS层到地面出线场，左、右岸高程差分别为360 m和540 m；单回出线总长度分别约为550 m和860 m；其中，右岸上段竖井为最高的竖井，由井口至井底高约310 m，GIL垂直布置高度约303 m，为世界上最高的垂直布置500 kV GIL，参见图1。

图1 右岸3号出线竖井上段示意

考虑未来可能的需要，每个出线竖井内按照2+1回GIL布置。出线竖井在垂直方向上每隔5.75 m分为一层，间隔为电梯停靠层和电梯安全门层。出线竖井内径为11 m，平面上分隔为10个部分或称为腔，分别为GIL井、电缆井、中间走廊、电梯井、楼梯间和4个送(排)风井，如图2所示。在GIL井中，2回6根GIL靠一侧布置，预留1回3根GIL靠另一侧布置；在每层的侧壁上设置了安装和检修用进人门，进人门通向出线竖井的中间走廊。在中间走廊的另一侧，布置了电梯和楼梯间。考虑地下厂房与地面设施连接电缆敷设的需要布置了电缆井，井内的每层均设置了平台和通向中间走廊的进人门。另外，在走廊的尽端布置垂直敷设的供水管。白鹤滩水电站500 kV GIL采用分相式，额定电压550 kV，额定电流4 kA，额定峰值耐受电流170 kA，额定短时耐受电流63 kA，额定短路持续时间2 s，绝缘介质采用SF6绝缘。

图2 出线竖井典型平面示意

2 以往工程经验

在国内已经投入运行的水电站中，溪洛渡水电站右岸出线竖井中的550 kV GIL布置高差约为400 m，分为2段竖井，最大高差段约为250 m(这里为GIL布置高差)[1]。在国外已建水电站中，美国巴萨姆水电站出线竖井内的GIL布置高差约为320 m，额定电压等级为240 kV，为已投于运行最大布置高差的GIL。虽然GIL已经被广泛地应用于各类大型发电厂和城市输电等场合，但根据主要GIL制造厂家的介绍，在其他工程项目中，GIL垂直敷设高度均未能超过水电站工程，如表1所示。

白鹤滩水电站拟采用的500 kV GIL，单回输送容量为4 000 A，右岸上段出线竖井内的GIL垂直布置高度达到约303 m，超越了已有的工程经验。在对国内水电站GIL竖井的调研和与制造厂的技术交流过程中，发现在布置(主要指支撑系统)和安装方式上差异较大，对于安装检修平台、井口上部起重设备的要求也不相同。根据白鹤滩水电站建设进程，需要在GIL招标采购前确定其布置和安装方案。为此，我们进行了审慎的梳理和分析，并经过与主要制造厂的多轮沟通，选择的方案可以适应于前期土建设计和施工，也可以适合于各主要制造厂家产品和安装检修的需要。

表1 部分垂直敷设GIL技术参数

3 支撑系统

在所有与出线竖井内GIL布置和安装检修相关的环节中，支撑系统是其中最为重要的环节；而温度补偿方式是支撑系统的主要决定因素。GIL在冷热两种状态下会发生冷缩和热胀，在极端情况下，303 m的GIL热膨胀长度超过了250 mm，单根GIL管壁的温变力可能达到150 t。所以，需要进行长度方向的补偿，同时需要设置滑动支座以使得GIL可以在长度方向自由地滑动[2]。

可以在垂直管段设置伸缩节进行补偿，也可以在水平管段设置角度补偿节(组)对垂直管段进行长度方向补偿。在确定了补偿方式后，结合对于安装检修方式的选择，再进行GIL在出线竖井中的布置和支承系统型式选择。从以往工程经验和制造厂推荐的方案来看，主要有以下几种基本支撑系统方案[3- 6]，如表2所示。当然，在此基础上还可以派生出更多的方式。

表2 部分竖井GIL支撑方式

3.1 顶部固定支撑方案

GIL悬吊于顶部固定支座之下，底部设置检修支座，中间全部为滑动支座，在下部水平管段设置角度补偿节。一般由下向上顺序安装。在吊出管节检修时，由顶部桥机将GIL搁置在底部的检修支座上，再吊起检修节以上部分的GIL重新锁定在顶部固定支座上，以便拆除需要吊出检修的管节，如图3所示。由于总质量和补偿拉伸载荷全部施加在顶部固定支座上，所以，顶部需要设置坚固的支座。一般设置2台桥机，其中1台需要考虑整根GIL的起重量。

图3 顶部固定支撑方案检修程序示意

3.2 底部顶升方案

在顶部支承方案的基础上，若底部检修支座具有“千斤顶”的能力，则可由下向上顺序安装。在吊出管节检修时，采用液压缸由底部支座顶起整根GIL，然后于顶部利用卡箍悬吊检修管节以上部分，再利用顶部桥机拆除检修管节，如图4所示。这一方案的优点明显，仅需要设置1台桥机、桥机也无需考虑整根GIL的起重量。

图4 底部顶升方案检修程序示意

3.3 底部固定支撑方案

GIL完全支承在底部固定支座之上，中间全部为滑动支座，在上部水平管段设置角度补偿节(组)。由下向上顺序安装。在吊出管节检修时，由顶部桥机吊起检修节以上部分的GIL，再用另一部桥机吊出需要检修的管节，如图5所示。其中1部桥机需要考虑整根GIL的质量。这一方式的优点是仅底部支座承受垂直方向的载荷，缺点是在垂直管段较长时需要考虑失稳因素。所以，在下部水平管段长度可以满足补偿量需要且井口结构可以承受垂直方向载荷时，宜采用顶部支撑方案。

图5 底部固定支撑方案检修程序示意

3.4 多点固定支撑方案

中间分布多点固定支座，通过固定支座间的轴向伸缩节进行高度方向的温度补偿。安装顺序较为灵活，如图6所示。在吊出管节检修时，首先拆除固定支座间的可拆卸段，然后拆除需要吊出检修的管节，再利用顶部桥机吊出检修。由于总重量载荷被分散，所以布置高度基本不受限制，仅需要设置1台桥机、桥机也无需考虑整根GIL的起重量。其缺点是需要增加若干可拆卸段和伸缩节。

图6 多点支撑方案安装检修程序示意

经过初步核算和GIL制造厂证实，目前的GIL产品可以满足白鹤滩出线竖井中GIL悬吊高度的刚强度要求。另外，由于伸缩节的轴向补偿量偏小，通过水平段伸缩节的角向补偿更容易获得竖井高度方向的补偿量，制造厂技术交流提供的伸缩节补偿量数据中，轴向补偿补偿量为13～55 mm补偿管数量6～24个，角补偿补偿量为2.5°～3°，补偿管长度6～7 m，对应的高度补偿均为300 mm。所以，优先采用底部顶升方案，也可以采用多点支撑方案。井口设置1台桥机、桥机的起吊容量不考虑整根GIL的起吊质量。当采用底部顶升方案时，其底部检修支座需要有“千斤顶”的功能，如图7所示。

图7 底部支撑支座布置示意

4 管节外壳连接方式

GIL管节外壳有直接对焊和法兰螺栓连接两种方式，他们的安装、检修工艺过程差异较大。当采用直接对焊的方式时，需要在两个管节的接口处压入一个内环，该内环外表面中部为凹槽型，可以起到定位、防止焊接污物进入管节和防止焊接损伤的作用；调整就位后施焊，如图8所示。直接对焊的方式为无法兰结构，具有节省材料、减轻重量、安装线性度好的优点，还有气密性好、备品数量少的优点。但在国内工程实践中的表现差强人意，突出问题是安装质量较难保障，且缺乏直接有效的检验手段，工程风险大；另外还需要搭建现场预组装厂房，安装工期也较长。

图8 直接对焊示意

当采用法兰螺栓的连接方式时，调整就位后，采用螺栓把合两个管节端部的法兰。虽然采用法兰螺栓连接方式的气密性不如直接对焊方式好，还有备品数量多、维护工作量大的缺点；但管节可以在出厂前完成试验，产品质量提前得到检验；现场拼装时间短，有利于提高现场安装质量；在管节检修时，拆出检修方便。

在前期技术交流中，提出采用直接对焊方案的仅有一家，且该制造厂也具有较为丰富的法兰螺栓连接方案的经验。主要从有利于提高现场安装质量、节省安装工期、控制工程风险的角度，选择了采用法兰螺栓连接的方式。

5 标准节长度

白鹤滩水电站出线竖井的土建设计及开挖时间较早，需要在设备招标采购前确定竖井内各层的高度。对分层高度影响比较大的是GIL标准节长度。在确定标准节长度时，既要考虑尽量减少分节数量，也要考虑运输的方便性和吊装空间等因素。在技术交流过程中，各制造厂推荐的标准节长度不尽相同，但多数推荐了11.5 m的标准节长度且都认可此了此长度。所以，选择11.5 m作为标准节长度，并按此模数进行竖井的土建结构设计；在井口和井底按照需要采用非标准节；对于多支点支撑方案，竖井中部还需要采用一些非标准节。

6 隔室长度和气体回收装置

白鹤滩水电站右岸上段竖井GIL布置高度达303 m，大约有290 m长的垂直段需要进行隔室的分隔。如果分隔为2个隔室，则可以在竖井顶部和底部进行充、排气，充排气装置布置和运输受限制较小，但单个隔室长度超过了140 m，多数制造厂不建议采用此方案。如果分隔为更多的隔室，则需要将气体回收装置运输至竖井的中部。受出线竖井内布置空间的限制，电梯轿厢内部空间尺寸约为2 m(宽)×1.47 m(深)×3.0 m(高)，载重量约为1.35 t。初期技术交流时，各制造厂提出的气体回收装置均超过了电梯的承载能力。参照其他气体系统压缩机和储气罐并联运行的做法，我们提出了组合式气体回收装置的意见，得到了制造厂的响应。按照8小时充、排气的时间原则，最长隔室按照5个标准管节长度考虑，即每个隔室长度不超过57.5 m，初步考虑的隔室分隔方案见表3。

表3 竖井内GIL隔室分隔

7 井壁固定方式

白鹤滩水电站出线竖井采用滑模施工，GIL竖井四周的井壁为滑模施工形成，不宜采用埋件。对于载荷不大的部件，包括滑动支座、多支点固定支座、安装检修平台、桥机控制插座盒等拟采用后置式，即采用锚固螺栓固定于井壁。

对于底部顶升方案的井口固定支座，仅单根GIL的重力荷载最大达到了约18 t，6根并排布置的GIL间距约为1 m；如果采用膨胀螺栓固定，密集的膨胀螺栓可能对GIL井壁结构造成不利影响。所以，井口支座采用了埋件方案，结合井口安装平台统筹设计；在滑模至井口时，保留一段高度的现浇混凝土。另外，GIL与井壁的距离按照滑动支座布置考虑，底部检修支座需要更大的布置尺寸，所以结合竖井土建结构设计，采用了龛入式的布置方案，参见图7。

8 安装检修平台

为了方便GIL和竖井中间部位支座的安装检修，并方便运行巡视，考虑在竖井的每层都设置安装检修平台。安装检修平台需要能够承担搁置1组GIL并同时进行安装检修工作的载荷。安装检修平台需要结合GIL支座统筹设计，其详细方案还需要在确定制造厂家后拟定。

安装检修平台可以与GIL同步安装，也可以全部先行安装完成后再进行GIL安装。一些制造厂的安装方案中含有1根由井口至井底的导轨，GIL沿导轨吊运不会产生摆动，安全性更有保障。

9 桥 机

白鹤滩出线竖井GIL选择了底部顶升支撑系统或多点固定支撑系统，所以只需要在井口上部布置1台桥机。在竖井内的GIL安装过程中，一般将3节左右的GIL管节在井口连接成为一组后吊运，这样的做法可以方便施工，节省吊运的时间。首先，将水平运送至井口的单根GIL单端吊起使其成为悬垂状态、下放至井口安装支座之下(上端出露)、利用卡箍锁紧在安装支座上，再悬吊第2根管节、与第1根管节相连、下放并锁紧在至井口安装支座之下，如此连接更多的管节成为一组。再将成组的GIL下放至安装高程、平移至安装位置进行安装。

目前，具有同类桥机供货经验的制造厂不多。通过技术交流，结合安装检修需要和布置条件，确定了以下方案：

(1)按照悬吊单根水平搬运的GIL、在井口把合成为一组的条件设置桥机主钩上限位置高程；按照最低可以下放至井底考虑设置桥机主钩下限位置高程；选择采用320 m的高扬程桥机。

(2)从与GIL制造厂技术交流的情况来看，仅从GIL安装检修角度考虑，桥机的额定起重量约为3 t。考虑到竖井施工采用该台桥机吊运混凝土预制件等可能性，选择了5 t的额定起重量。

10 结 语

白鹤滩水电站GIL采用了公开招标采购的方式，共有6个投标人提供了与招标方案相符合的技术方案，最终选用了AZZ方案和产品。详细设计尚在进行中，预期2020年初底开始安装。与本文相关的实施方案要点如下：

(1)采用了底部顶升支撑系统，整根GIL悬吊于顶部固定支座之下。底部管节下端设置了顶升法兰环，配备了移动式液压顶升系统。

(2)采用法兰螺栓连接的管节，标准节长度为11.5 m。

(3)最长垂直段隔室不大于60 m，采用了并联运行的气体回收装置，可以通过电梯运送。

(4)顶部固定支座与安装检修平台统筹布置、分开设置，采用基础埋件；滑动支座采用锚固螺栓。

(5)设置了GIL吊运的导向滑轨。3根标准节为一组的GIL吊重约为1 350 kg。