内蒙古高新500 kV变电站于2004年1月建成投运。截至2019年8月，该站几经扩建和改造，已建成4组750 MVA主变压器。为了满足电网建设需求，该站2019年又拟定扩建5号主变压器。扩建5号主变压器时存在新征用地困难的问题，因此本次扩建设计的难点在于尽量在少征或不征地基础上实现5号主变压器中压套管与其进线间隔之间的连接。本文经过比选，确定采用220 kV气体绝缘金属封闭输电线路（Gas-Insulated Metal-Enclosed Trans-mission Line，GIL）作为最终方案。高新变电站5号主变压器扩建工程于2020年顺利实施。220 kV三相共箱GIL在500 kV变电站220 kV主变压器进线侧的应用属国内首次，不仅节约了设备占地，且安全可靠，该设计思路可供同类型工程规划设计借鉴。
1 220 kV主变压器进线方式比选高新变电站梅力更（原包头北）500 kV出线间隔的线路高压并列电抗器已退出运行，在500 kV配电装置区西侧空出约5600 m2的空地，在此布置5号主变压器及其低压侧接带的无功补偿装置，可实现本次扩建工程主要电气设备无需新征用地的目的。高新站站内原有220 kV配电装置采用空气绝缘的常规配电装置（Air Insulated Switchgear，AIS），考虑到扩建间隔内地下设施复杂以及施工的便捷性，5号主变压器220 kV进线间隔采用复合式气体绝缘金属封闭开关设备（Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS）。5号主变压器220 kV进线间隔距离主变压器大约120 m，其进线需要穿过主建筑与西围墙之间的狭小空隙，同时需穿越两条站区道路（其中一条为主进站道路），路径区域内地下设施众多。综合考虑多种因素，5号主变压器220 kV侧主变压器进线方式有如下三种方案。
（1）架空导线方案。采用该方案虽然与本站其他主变压器的进线方式一致，费用低、可靠性高，后期运行维护简单，但由于本站围墙外征地困难，围墙内场地受限，无合适的架空线通过走廊，站内架设需要拆除或避让部分地下设施，同时建设3组引线构架，改造2组220 kV母线架构以增设进线梁，其建设难度大、停电时间长，对站内已有设施破坏严重。此外，由于架空线跨越主建筑物，会造成后期运行维护困难。
（2）电缆方案。由于500 kV主变压器220 kV侧工作电流较大，电缆截面需达到2500 mm2，该方面的生产厂家和运行经验都较少，同时高压电缆头是电力系统事故率较高的设备，用于主变压器进线安全性低。电缆敷设需经过多处道路、地下设施及建筑物，为了运行维护方便需建设电缆隧道，土建工程量和地下设施拆除量较大，本方案实施困难大[1]。
（3）GIL方案。三相共箱式GIL具有结构紧凑、运用场景灵活、可靠性高、传输能力强、损耗低、便于安装等优点，适合长距离、大容量、输电走廊受限的场所。GIL为静态设备，相对于动态设备（如断路器、隔离开关、GIS等），基础设计简单，安装时工程量较小，安装方式灵活，同时，大修周期设计为30年，安全可靠。采用GIL方案不但可以解决本工程220 kV进线走廊不足、向站外征地困难的问题，而且采用的GIL设备在技术上更为可靠，本方案实施相对简单[2]。GIL方案平面布置图如图 1所示。
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| 图 1 5号变压器220 kV进线侧GIL引接方案平面布置图 |
方案费用是衡量方案优劣的重要因素，方案实施的便捷性和施工过程中对站内原有设施的拆除量及扰动大小也是方案优劣的重要衡量标准。三种方案工程量及工程造价如表 1所示。
| 表 1 5号变压器220 kV进线侧引接方案技术经济比选 |
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结合表 1，综合分析上述三个方案，架空导线方案虽然造价低，但对站内原有设施扰动较大，施工过程不利于变电站安全运行，因此不应优先考虑。采用GIL方案与电缆方案造价相当，但GIL方案可靠性更高，拆除工程量明显少于电缆方案，工程实施便捷，对站内原有设施扰动较少，施工基本上不影响变电站正常运行，因此GIL方案更优。
2 GIL方案设计特点 2.1 基于GIL的安全性设计GIL多用于线路，220 kV GIL用在变电站内时多用在出线间隔调换。本工程将220 kV GIL用在主变压器进线段。为了保证变电站的安全可靠运行，本项目在GIL设计方案中采用了多项可提高设备安全可靠性的措施[3]。
（1）设备选型时，尽可能选择较长的GIL标准单元，最长标准单元达到12 m，加长标准单元可减少法兰连接点，降低气体泄漏的概率，提高设备可靠性。另外，在选择GIL主要导体载流量时，考虑造价控制的同时，适当增大导体截面，导体载流量达到3150 A，对比最大工作电流1968 A，保证了GIL的安全裕度。
（2）为了提高GIL基础稳定性，减小基础不均匀沉降造成GIL管道变形、损坏，进而导致管道内气体泄漏的风险，严格控制深厚地基、下卧土层压缩量等主要沉降因素，采取增强与弱化结合、局部平衡、整体协调的方式，实现差异沉降以及基础内力与资源消耗的最小化[4]，将总体垂直方向容差控制在±20 mm/10 m以内，相邻支撑基础预埋件水平误差控制在±2 mm以内，垂直误差控制在±5 mm以内。
（3）GIL过路部分采用隧道敷设方式，道路下方设置过路隧道可拆装顶板，方便后期运维检修。为了保证运维人员的安全，在过路段入口及出口处设置通风井，并在通风井侧面安装轴流风机。同时，在过路隧道安装环境监测系统，实现隧道内有害气体（如CO、H2S、CH4、SF6）和空气含氧量的监测，有效保证运维人员进入隧道的安全。
2.2 紧凑型安装方式GIL设计长度虽然只有120 m，但GIL敷设路径复杂，需穿越道路、避让建筑物、避让污水处理池及其他地下设施等，因此GIL的选型和安装采取了多种方式。壳体选型主要以三相共箱为主，在换相及跨路处采用三相分箱架空敷设方式，在穿越主进站道路处采用隧道敷设方式。由于路径狭窄，为了避让障碍物，工程包含多处三维空间的折弯[5]。GIL敷设路径示意图如图 2所示。
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| 图 2 GIL多种敷设方式平断面 |
GIL主路径敷设方式主要采用三相共箱GIL方式，不仅可解决路径复杂的设计难点，还具有如下优势。
（1）主变压器进线段采用三相共箱220 kV GIL，传输容量大，受外界环境影响小，安全可靠性高；
（2）结构紧凑，节省占地，敷设方式灵活方便；
（3）本体价格较同额定电流三相分箱式GIL低约10%，经济性好；
（4）与三相分箱式GIL相比，土建基础量显著减少，可有效节约土建和机电施工成本；
（5）维护和检修量少，全寿命管理成本降低。
2.3 GIL抗低温措施高新500 kV变电站地处内蒙古包头地区，冬季严寒，历年极端最低气温-34.5 ℃，运行环境恶劣。220 kV三相共箱式GIL绝缘介质采用SF6气体，其管道正常运行时，SF6气体额定压力为0.48 MPa，报警压力0.44 MPa。按照图 3中SF6气体温度与压力的关系[2]，当遇到极端环境温度时，SF6气体低温液化会导致GIL绝缘击穿，造成运行事故[6]。
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| 图 3 SF6气体温度、压力关系曲线 |
解决GIL绝缘气体低温液化问题有两种常规方法，一种是采用充SF6与N2混合气体的方法，该方法绝缘气体本体造价基本不变，但是其气体回收装置比常规SF6气体回收装置成本高约40万元，此外，混气GIL需要做补充型式试验，后期补气程序复杂，运维不方便。另一种是加装伴热带，设备成本约10万元，后期极寒天气启动伴热带时需要消耗电能，会增加变电站的运行成本。
经综合比较，由于将GIL使用在500 kV主变压器进线侧，根据内蒙古电网运行经验，户外SF6绝缘设备罐体采用伴热带的方案运行稳定，维护方便[7]。因此，GIL抗低温液化选择加装伴热带方案。GIL加装伴热带如图 4所示。
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| 图 4 GIL加装伴热带 |
将GIL用在主变压器进线侧，为了确保变电站的安全运行，需做好GIL的日常维护。
（1）GIL投运后的泄漏率主要取决于密封面，低泄漏率可保证GIL的安全稳定运行[8]。设计GIL年泄漏率≤0.1%，日常运行维护工作中需做好各气室压力表数值巡视记录，发现气室压力下降或报警，应及时检修补气，避免低压力运行造成设备击穿故障[9-12]。
（2）GIL采用可调节支座、滑动三支撑、热膨胀波纹管等有利于调节不均匀沉降的设计结构，运行人员需时刻观测管体和基础的变形情况。一旦发现基础沉陷、伸缩节位移或角度变化时，须及时检修[10]。
（3）GIL运行10年后，需停电进行主回路电阻测量、密度继电器校验及定量检漏、微水检测等[13]。
3.2 安全措施（1）GIL隧道内维护操作前需有效通风，同时对有害气体进行实时监测。GIL过路部分采用隧道敷设方式，在过路段入口及出口处设置通风井，并在通风井侧面安装轴流风机。进入隧道内对GIL运维检修前，应打开轴流风机对隧道内气体进行充分排放。此外，过道路隧道内安装了环境监测系统，实现了隧道内有害气体和空气含氧量监测，进入隧道工作时，应确认环境监测系统显示安全后方可进入，避免单人从事检修工作[14]。
（2）防止接触电势危害人身安全。根据DL/T 5352—2018《高压配电装置设计规范》要求[15]，为保证人身安全，GIL外壳应多点接地，保证GIL外壳、支架及易接触部位在正常运行条件下感应电压不超过24 V，故障条件下不超过100 V。GIL的接地采用截面（40 mm×5 mm）专用接地铜排，GIL设备接地端子通过软铜线与专用接地铜排连接，专用铜排与地网可靠连接，满足规程DL/T 5352—2018的要求。GIL操作时，工作人员应在一定距离外进行，尽量避免接触GIL外壳，必须接触外壳时应佩戴绝缘手套。
4 结语500 kV变电站主变压器进线对变电站的安全稳定运行非常重要，高新500 kV变电站5号主变压器扩建项目经过技术经济比较，主变压器220 kV侧进线采用三相一体式GIL，该方案占地面积小、传输损耗小、安装便捷、布置方案灵活、气体泄漏概率低、维护成本低[16]。采用该方案，项目实施顺利，投产后GIL各项运行指标正常，变电站运行稳定，该设计方案可供场地受限的变电站扩建工程设计时借鉴。
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