白鶴灘出線豎井GIL方案

李勝兵，黃曉敢，陳 鋼，危賢光

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站兩岸地下廠房內各裝設了8臺1 000 MW的水輪發電機組，500 kV配電裝置采用地下GIS，每岸出線都采用了4回SF6氣體絕緣金屬封閉母線(GIL)，并考慮了預留GIL出線布置位置，出線場布置在地下廠房上部山坡開挖出的平臺上。受地質和地形條件制約并考慮綜合難度等因素，左、右岸各布置了2條出線豎井，每條豎井分為上段、下段和水平連接段。下段豎井下連主變洞GIS層、上接通向上段豎井的水平連接洞，上段豎井的出口位于出線場。由地下GIS層到地面出線場，左、右岸高程差分別為360 m和540 m；單回出線總長度分別約為550 m和860 m；其中，右岸上段豎井為最高的豎井，由井口至井底高約310 m，GIL垂直布置高度約303 m，為世界上最高的垂直布置500 kV GIL，參見圖1。

圖1 右岸3號出線豎井上段示意

考慮未來可能的需要，每個出線豎井內按照2+1回GIL布置。出線豎井在垂直方向上每隔5.75 m分為一層，間隔為電梯停靠層和電梯安全門層。出線豎井內徑為11 m，平面上分隔為10個部分或稱為腔，分別為GIL井、電纜井、中間走廊、電梯井、樓梯間和4個送(排)風井，如圖2所示。在GIL井中，2回6根GIL靠一側布置，預留1回3根GIL靠另一側布置；在每層的側壁上設置了安裝和檢修用進人門，進人門通向出線豎井的中間走廊。在中間走廊的另一側，布置了電梯和樓梯間。考慮地下廠房與地面設施連接電纜敷設的需要布置了電纜井，井內的每層均設置了平臺和通向中間走廊的進人門。另外，在走廊的盡端布置垂直敷設的供水管。白鶴灘水電站500 kV GIL采用分相式，額定電壓550 kV，額定電流4 kA，額定峰值耐受電流170 kA，額定短時耐受電流63 kA，額定短路持續時間2 s，絕緣介質采用SF6絕緣。

圖2 出線豎井典型平面示意

2 以往工程經驗

在國內已經投入運行的水電站中，溪洛渡水電站右岸出線豎井中的550 kV GIL布置高差約為400 m，分為2段豎井，最大高差段約為250 m(這里為GIL布置高差)[1]。在國外已建水電站中，美國巴薩姆水電站出線豎井內的GIL布置高差約為320 m，額定電壓等級為240 kV，為已投于運行最大布置高差的GIL。雖然GIL已經被廣泛地應用于各類大型發電廠和城市輸電等場合，但根據主要GIL制造廠家的介紹，在其他工程項目中，GIL垂直敷設高度均未能超過水電站工程，如表1所示。

白鶴灘水電站擬采用的500 kV GIL，單回輸送容量為4 000 A，右岸上段出線豎井內的GIL垂直布置高度達到約303 m，超越了已有的工程經驗。在對國內水電站GIL豎井的調研和與制造廠的技術交流過程中，發現在布置(主要指支撐系統)和安裝方式上差異較大，對于安裝檢修平臺、井口上部起重設備的要求也不相同。根據白鶴灘水電站建設進程，需要在GIL招標采購前確定其布置和安裝方案。為此，我們進行了審慎的梳理和分析，并經過與主要制造廠的多輪溝通，選擇的方案可以適應于前期土建設計和施工，也可以適合于各主要制造廠家產品和安裝檢修的需要。

表1 部分垂直敷設GIL技術參數

3 支撐系統

在所有與出線豎井內GIL布置和安裝檢修相關的環節中，支撐系統是其中最為重要的環節；而溫度補償方式是支撐系統的主要決定因素。GIL在冷熱兩種狀態下會發生冷縮和熱脹，在極端情況下，303 m的GIL熱膨脹長度超過了250 mm，單根GIL管壁的溫變力可能達到150 t。所以，需要進行長度方向的補償，同時需要設置滑動支座以使得GIL可以在長度方向自由地滑動[2]。

可以在垂直管段設置伸縮節進行補償，也可以在水平管段設置角度補償節(組)對垂直管段進行長度方向補償。在確定了補償方式后，結合對于安裝檢修方式的選擇，再進行GIL在出線豎井中的布置和支承系統型式選擇。從以往工程經驗和制造廠推薦的方案來看，主要有以下幾種基本支撐系統方案[3- 6]，如表2所示。當然，在此基礎上還可以派生出更多的方式。

表2 部分豎井GIL支撐方式

3.1 頂部固定支撐方案

GIL懸吊于頂部固定支座之下，底部設置檢修支座，中間全部為滑動支座，在下部水平管段設置角度補償節。一般由下向上順序安裝。在吊出管節檢修時，由頂部橋機將GIL擱置在底部的檢修支座上，再吊起檢修節以上部分的GIL重新鎖定在頂部固定支座上，以便拆除需要吊出檢修的管節，如圖3所示。由于總質量和補償拉伸載荷全部施加在頂部固定支座上，所以，頂部需要設置堅固的支座。一般設置2臺橋機，其中1臺需要考慮整根GIL的起重量。

圖3 頂部固定支撐方案檢修程序示意

3.2 底部頂升方案

在頂部支承方案的基礎上，若底部檢修支座具有“千斤頂”的能力，則可由下向上順序安裝。在吊出管節檢修時，采用液壓缸由底部支座頂起整根GIL，然后于頂部利用卡箍懸吊檢修管節以上部分，再利用頂部橋機拆除檢修管節，如圖4所示。這一方案的優點明顯，僅需要設置1臺橋機、橋機也無需考慮整根GIL的起重量。

圖4 底部頂升方案檢修程序示意

3.3 底部固定支撐方案

GIL完全支承在底部固定支座之上，中間全部為滑動支座，在上部水平管段設置角度補償節(組)。由下向上順序安裝。在吊出管節檢修時，由頂部橋機吊起檢修節以上部分的GIL，再用另一部橋機吊出需要檢修的管節，如圖5所示。其中1部橋機需要考慮整根GIL的質量。這一方式的優點是僅底部支座承受垂直方向的載荷，缺點是在垂直管段較長時需要考慮失穩因素。所以，在下部水平管段長度可以滿足補償量需要且井口結構可以承受垂直方向載荷時，宜采用頂部支撐方案。

圖5 底部固定支撐方案檢修程序示意

3.4 多點固定支撐方案

中間分布多點固定支座，通過固定支座間的軸向伸縮節進行高度方向的溫度補償。安裝順序較為靈活，如圖6所示。在吊出管節檢修時，首先拆除固定支座間的可拆卸段，然后拆除需要吊出檢修的管節，再利用頂部橋機吊出檢修。由于總重量載荷被分散，所以布置高度基本不受限制，僅需要設置1臺橋機、橋機也無需考慮整根GIL的起重量。其缺點是需要增加若干可拆卸段和伸縮節。

圖6 多點支撐方案安裝檢修程序示意

經過初步核算和GIL制造廠證實，目前的GIL產品可以滿足白鶴灘出線豎井中GIL懸吊高度的剛強度要求。另外，由于伸縮節的軸向補償量偏小，通過水平段伸縮節的角向補償更容易獲得豎井高度方向的補償量，制造廠技術交流提供的伸縮節補償量數據中，軸向補償補償量為13～55 mm補償管數量6～24個，角補償補償量為2.5°～3°，補償管長度6～7 m，對應的高度補償均為300 mm。所以，優先采用底部頂升方案，也可以采用多點支撐方案。井口設置1臺橋機、橋機的起吊容量不考慮整根GIL的起吊質量。當采用底部頂升方案時，其底部檢修支座需要有“千斤頂”的功能，如圖7所示。

圖7 底部支撐支座布置示意

4 管節外殼連接方式

GIL管節外殼有直接對焊和法蘭螺栓連接兩種方式，他們的安裝、檢修工藝過程差異較大。當采用直接對焊的方式時，需要在兩個管節的接口處壓入一個內環，該內環外表面中部為凹槽型，可以起到定位、防止焊接污物進入管節和防止焊接損傷的作用；調整就位后施焊，如圖8所示。直接對焊的方式為無法蘭結構，具有節省材料、減輕重量、安裝線性度好的優點，還有氣密性好、備品數量少的優點。但在國內工程實踐中的表現差強人意，突出問題是安裝質量較難保障，且缺乏直接有效的檢驗手段，工程風險大；另外還需要搭建現場預組裝廠房，安裝工期也較長。

圖8 直接對焊示意

當采用法蘭螺栓的連接方式時，調整就位后，采用螺栓把合兩個管節端部的法蘭。雖然采用法蘭螺栓連接方式的氣密性不如直接對焊方式好，還有備品數量多、維護工作量大的缺點；但管節可以在出廠前完成試驗，產品質量提前得到檢驗；現場拼裝時間短，有利于提高現場安裝質量；在管節檢修時，拆出檢修方便。

在前期技術交流中，提出采用直接對焊方案的僅有一家，且該制造廠也具有較為豐富的法蘭螺栓連接方案的經驗。主要從有利于提高現場安裝質量、節省安裝工期、控制工程風險的角度，選擇了采用法蘭螺栓連接的方式。

5 標準節長度

白鶴灘水電站出線豎井的土建設計及開挖時間較早，需要在設備招標采購前確定豎井內各層的高度。對分層高度影響比較大的是GIL標準節長度。在確定標準節長度時，既要考慮盡量減少分節數量，也要考慮運輸的方便性和吊裝空間等因素。在技術交流過程中，各制造廠推薦的標準節長度不盡相同，但多數推薦了11.5 m的標準節長度且都認可此了此長度。所以，選擇11.5 m作為標準節長度，并按此模數進行豎井的土建結構設計；在井口和井底按照需要采用非標準節；對于多支點支撐方案，豎井中部還需要采用一些非標準節。

6 隔室長度和氣體回收裝置

白鶴灘水電站右岸上段豎井GIL布置高度達303 m，大約有290 m長的垂直段需要進行隔室的分隔。如果分隔為2個隔室，則可以在豎井頂部和底部進行充、排氣，充排氣裝置布置和運輸受限制較小，但單個隔室長度超過了140 m，多數制造廠不建議采用此方案。如果分隔為更多的隔室，則需要將氣體回收裝置運輸至豎井的中部。受出線豎井內布置空間的限制，電梯轎廂內部空間尺寸約為2 m(寬)×1.47 m(深)×3.0 m(高)，載重量約為1.35 t。初期技術交流時，各制造廠提出的氣體回收裝置均超過了電梯的承載能力。參照其他氣體系統壓縮機和儲氣罐并聯運行的做法，我們提出了組合式氣體回收裝置的意見，得到了制造廠的響應。按照8小時充、排氣的時間原則，最長隔室按照5個標準管節長度考慮，即每個隔室長度不超過57.5 m，初步考慮的隔室分隔方案見表3。

表3 豎井內GIL隔室分隔

7 井壁固定方式

白鶴灘水電站出線豎井采用滑模施工，GIL豎井四周的井壁為滑模施工形成，不宜采用埋件。對于載荷不大的部件，包括滑動支座、多支點固定支座、安裝檢修平臺、橋機控制插座盒等擬采用后置式，即采用錨固螺栓固定于井壁。

對于底部頂升方案的井口固定支座，僅單根GIL的重力荷載最大達到了約18 t，6根并排布置的GIL間距約為1 m；如果采用膨脹螺栓固定，密集的膨脹螺栓可能對GIL井壁結構造成不利影響。所以，井口支座采用了埋件方案，結合井口安裝平臺統籌設計；在滑模至井口時，保留一段高度的現澆混凝土。另外，GIL與井壁的距離按照滑動支座布置考慮，底部檢修支座需要更大的布置尺寸，所以結合豎井土建結構設計，采用了龕入式的布置方案，參見圖7。

8 安裝檢修平臺

為了方便GIL和豎井中間部位支座的安裝檢修，并方便運行巡視，考慮在豎井的每層都設置安裝檢修平臺。安裝檢修平臺需要能夠承擔擱置1組GIL并同時進行安裝檢修工作的載荷。安裝檢修平臺需要結合GIL支座統籌設計，其詳細方案還需要在確定制造廠家后擬定。

安裝檢修平臺可以與GIL同步安裝，也可以全部先行安裝完成后再進行GIL安裝。一些制造廠的安裝方案中含有1根由井口至井底的導軌，GIL沿導軌吊運不會產生擺動，安全性更有保障。

9 橋 機

白鶴灘出線豎井GIL選擇了底部頂升支撐系統或多點固定支撐系統，所以只需要在井口上部布置1臺橋機。在豎井內的GIL安裝過程中，一般將3節左右的GIL管節在井口連接成為一組后吊運，這樣的做法可以方便施工，節省吊運的時間。首先，將水平運送至井口的單根GIL單端吊起使其成為懸垂狀態、下放至井口安裝支座之下(上端出露)、利用卡箍鎖緊在安裝支座上，再懸吊第2根管節、與第1根管節相連、下放并鎖緊在至井口安裝支座之下，如此連接更多的管節成為一組。再將成組的GIL下放至安裝高程、平移至安裝位置進行安裝。

目前，具有同類橋機供貨經驗的制造廠不多。通過技術交流，結合安裝檢修需要和布置條件，確定了以下方案：

(1)按照懸吊單根水平搬運的GIL、在井口把合成為一組的條件設置橋機主鉤上限位置高程；按照最低可以下放至井底考慮設置橋機主鉤下限位置高程；選擇采用320 m的高揚程橋機。

(2)從與GIL制造廠技術交流的情況來看，僅從GIL安裝檢修角度考慮，橋機的額定起重量約為3 t。考慮到豎井施工采用該臺橋機吊運混凝土預制件等可能性，選擇了5 t的額定起重量。

10 結 語

白鶴灘水電站GIL采用了公開招標采購的方式，共有6個投標人提供了與招標方案相符合的技術方案，最終選用了AZZ方案和產品。詳細設計尚在進行中，預期2020年初底開始安裝。與本文相關的實施方案要點如下：

(1)采用了底部頂升支撐系統，整根GIL懸吊于頂部固定支座之下。底部管節下端設置了頂升法蘭環，配備了移動式液壓頂升系統。

(2)采用法蘭螺栓連接的管節，標準節長度為11.5 m。

(3)最長垂直段隔室不大于60 m，采用了并聯運行的氣體回收裝置，可以通過電梯運送。

(4)頂部固定支座與安裝檢修平臺統籌布置、分開設置，采用基礎埋件；滑動支座采用錨固螺栓。

(5)設置了GIL吊運的導向滑軌。3根標準節為一組的GIL吊重約為1 350 kg。