內陸核電500 kV配電裝置型式比選

黃開長，孫文波，張樂群

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

內陸核電500 kV配電裝置型式比選

黃開長，孫文波，張樂群

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

根據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、經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作為內陸核電的配電裝置選型方案。

核電廠；內陸；500 kV配電裝置；選型

500 kV配電裝置是發電和輸電的連接樞紐，采用不同的500 kV配電裝置型式，其技術經濟差異較大。目前，國內在役核電廠均建設在濱海地區，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。電力規劃設計總院在核電項目設計審查時，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，各方案根據項目的具體工程條件各有優劣，均具有豐富的運行業績。

1 內陸核電廠配電裝置特點

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

由于水源條件、溫排水對環境及取水影響等因素，內陸核電廠通常采用循環供水系統，冷卻塔是循環供水核電廠的重要冷卻設施。按照國家統一核電技術路線的要求，內陸核電廠采用第三代AP1000技術，根據AP1000機組特點及其配套輔助設施生產工藝流程的要求，結合廠址條件及廠區總體規劃，總平面布置一般按核島、常規島、循環供水設施、高壓配電裝置等順序布置。

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

《核電廠可行性研究報告內容深度規定》第4.4.5部分明確指出：目前國內沿海核電廠高壓配電裝置均采用防護性能較好的室內式GIS，對于內陸核電廠，應根據廠址污穢等級、場地條件及廠區總平面規劃，經技術經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，系統規劃容量按4臺百萬千瓦級壓水堆核電機組考慮，一次規劃布置，分期建設；機組采用發電機—變壓器組單元接線，以500 kV電壓等級接入系統；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。

根據內陸核電廠的總平面布置特點，其500 kV配電裝置按照電氣設備的集成度不同，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采用獨立式隔離開關。布置型式有多種方案，根據斷路器的布 置主要可分為三列式、平環式和品字型等。500 kV AIS設備在國內外已有豐富的制造及運行經驗，國內開關廠均可生產。

從理論上講，也可在室內布置500 kV配電裝置，但由于500 kV電氣設備電壓等級高、體積大，采用室內配電裝置技術難度大、造價高，尚無設計運行先例，故通常不考慮500 kV室內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、接地開關、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，可做成不同連接型式的獨立式標準結構，以適應主接線的要求。

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

GIS配電裝置按布置場所也可分為室內式和室外式兩種。與室內式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GIS低，但室外GIS的防護等級要求高于室內GIS，就GIS本體而言，室外產品比室內式產品稍貴；而且，GIS設備采用室內式布置，可減少環境對設備的腐蝕，減少設備內產生水分的機會，避免灰塵和其它雜質侵入設備，通過室內溫度和濕度控制，可使GIS設備處于良好的運行狀態。

鑒于以上分析，在此僅將室內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，把隔離開關、接地開關、電流互感器等電氣元件集中在氣體絕緣斷路器單元內。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，根據不同的生產廠家，造價比GIS略低或相當。H-GIS的最大優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在日本較早得到應用，運行業績較多，但由于日本地價昂貴，更多還是采用GIS。據某H-GIS制造廠家提供的業績表明，近幾年H-GIS在中國的應用迅速發展，但主要應用于變電所，發電廠使用較少。

3 技術比較

考慮到H-GIS在發電廠中少有使用業績，其裸露的高壓母線和連接導線以及室外布置方式，使其可靠性和安全性都不如GIS。根據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兩種方案作技術比較如下。

3.1 AIS方案的布置及其優缺點

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

AIS方案的主要優點是：設備布置清晰，串間設檢修維護通道，日常運行維護和事故檢修比較便利；設備一次性投資較低，不需建筑房屋，土建投資較省。但該方案的缺點也很明顯，比如結構不緊湊、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電污穢物沉積，對配電裝置的安全運行構成嚴重隱患，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；國內敞開式配電裝置的運行經驗表明，太陽輻射對導體和電氣設備產生的附加溫升不可忽略[1]，特別是戶外隔離開關在沒有達到額定電流的情況下也會出現觸頭熔焊現象，嚴重影響核電廠的安全生產。同時，靜電感應、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，初期工程兩進兩出構成兩個完整串，需要額外增加過渡間隔，使土建構架較多，且增加了占地面積。

3.2 GIS方案的布置及優缺點

GIS方案即500 kV配電裝置采用室內氣體絕緣全封閉組合電器，發變組單元經主變壓器升壓后采用氣體絕緣輸電導線接入升壓站；由于GIS配電裝置結構緊湊，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。

該方案的主要優點是：SF6的絕緣強度高，使GIS設備體積較AIS大幅縮小，大大壓縮了配電裝置占地面積，節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、電暈及無線電干擾和噪聲水平低；GIS設備重心低，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設備各個元件的通用性強，采用積木式結構，與常規配電裝置比，現場的安裝工作量少80%左右[2]，因此安裝周期短，施工費用較省。

另外，GIS可以實現內部元件之間的電氣聯鎖，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、外已有大量的良好運行經驗。理論分析和實際運行經驗均表明，GIS方案的可用系數、強迫停運率、計劃停運時間等可靠性指標[3]均優于AIS方案。

該方案的缺點是：設備綜合造價高，工程初期投資大，而且設計、制造、施工等方面的技術要求較高。

4 經濟比較

以500 kV配電裝置遠景建設規模為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，兩種方案的經濟比較見表1。

表1 兩種方案經濟比較萬元

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，但隨著技術的發展，預計將來GIS設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，此差價也未計入設備檢修維護、事故損失等費用。

如果考慮設備的全壽命周期費用[3]，包括裝置費用、預防性維護費用、修理費用、運行費用、故障停用費用及系統停用費用等，按工程規劃裝機容量4×1 250 MW，初步估算單臺發電機組因設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，因設備故障的累計單臺停運時間如超過6天，即已超過AIS方案所節省的初投資費用。

根據以上技術經濟分析比較，經濟方面，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備的安全可靠性要求更高，以及60年機組壽命期中設備的檢修維護費用、事故損失費用等，從全壽命周期費用來看，采用GIS方案在經濟上更合理。技術方面，GIS可靠性非常高，技術性能更佳，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控樓布置在冷卻塔外側，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、網控樓和主廠房同在冷卻塔一側，避免了配電裝置與主廠房總有一者布置于冷卻塔、冬季常處于下風側的不利情況。

5 結語

隨著能源日益短缺和環境污染日益嚴重，核電廠作為清潔的新能源終將替代常規燃煤電廠成為電力系統的主力電源，其安全可靠運行對于電力系統的穩定性意義重大。根據安全可靠、技術先進、維護方便、節約用地的原則，并綜合考慮以上因素，內陸核電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高壓配電裝置設計技術規程[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用[J]．電力建設, 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，從事發電廠電氣設計工作。