王 刚 陈晓鸣 崔正新 齐福利 曹会全

（1. 聊城市鲁西化工工程设计有限责任公司 2.江苏安靠智能输电工程科技股份有限公司）

0 引言

气体绝缘输电线路（Gas-Insulated Transmission line，GIL），外壳采用高强度防锈铝合金，导体采用高导电率的铝合金管材，减少电流集肤效应的影响，充分利用导体有效通流面积，采用支柱绝缘子对导体进行支撑，壳体内部充入绝缘性能优异的SF6气体。GIL 具有安全可靠性高、无易燃易爆风险、传输容量大、设计寿命长、布置灵活、运维工作量小、电能损耗低、环境影响小、节省占地等优点[1-5]。

鲁西化工集团外电引入项目坐落在山东聊城鲁西化工工业园内，建设内容包括2 座220kV 变电站，分别为鲁化站和创业站，创业站设置在化工工业园内，进入创业站220kV 线路必须穿越化工园区。鲁化站一期工程为2 台240MVA 变压器，二期工程扩建2 台240MVA 变压器；创业站为3 台240MVA 变压器。各站一期5 回220kV 电源引入，52.4km 架空外线路，根据 GB50160—2008（2018 年版）《石油化工企业设计防火标准》[8]第4.1.6 条明确规定“公路和地区架空电力线路严禁穿越生产区”，进入园区后改为220kV 三相共箱GIL 线路，为山东省最复杂的输变电工程项目之一，也是聊城电网的重要的输变电枢纽站。

本文将从GIL 项目概况、GIL 的方案确定、GIL工程设计特点以及GIL 投运后的运行和运维情况进行介绍，并提出应用GIL 需注意的问题，从而为化工行业应用GIL 提供了参考。

1 GIL 项目概况

本工程采用220kV 三相共箱GIL 线路，额定电压为252kV，单回额定电流为3150A[6-7]，共5 回，最长单回2.87km；采用管廊架空敷设，正常情况下架空高度为8m，跨越园区大门架空高度为12m，最大跨距66m，局部跨越障碍物的架空高度为23m；GIL热胀冷缩补偿采用U 形结构；间隔约80m 左右设置一个气室；与架空线转接在终端塔采用套管形式，与GIS 采用分相直连形式；为了监视GIL 的运行情况，每个气室配压力密度表、故障电弧监测定位设备、位移监测设备、角度位移监测设备等，并各自独立成系统等，实现远程监视运行状况。

2 GIL 方案确定

创业站布置在园区内部负荷中心，距离鲁化站约2.5km，穿越化工园区，由于化工园区存在大量易燃易爆、酸、碱等物质，高塔设备、高大框架比较多，且GB50160—2008（2018 年版）《石油化工企业设计防火标准》[8]第4.1.6 条明确规定“公路和地区架空电力线路严禁穿越生产区”，因此不能采用架空线路。另外，园区内如果采用隧道敷设，担心含酸性水进入影响安全运行且施工周期长及造价高。化工园区对地上架空压力管道运行管理经验较为丰富，因此，220kV 输电线路园区内部分最初调研了两种方案，方案一为架空电缆，方案二为架空GIL。通过安全可靠性及经济性等综合分析最终确定采用架空220kV 三相共箱GIL 方案。

2.1 电缆方案

架空电缆采用单芯2500mm2电缆，载流量约为1900A。由于电缆生产的工艺要求每根电缆长度约为500m，共需约75 个220kV 电缆中间接头，30 个终端接头，沿途建设封闭式电缆通道，根据220kV 电缆接头的特点存在燃爆风险，安全性较低。

2.2 GIL 方案

架空GIL 额定电流3150A，调研了两种GIL 技术方案，单相GIL 和三相共箱GIL，5 个回路单相GIL 共计15 根线路，将大大增加占用空间，三相共箱GIL 占用空间仅为单相的一半，由于三相共箱GIL所需单元数量约为单相GIL 的1/3，生产安装时间短，可满足项目的紧急需求；绝缘件数量约为单相GIL的1/3，可靠性更高；二次监测元件数量约为单相的1/3，后期运维工作量小，运维成本低，经济可靠性较高，最终确定采用了三相共箱GIL 方案。

三相共箱GIL 设计寿命为60 年，为电缆设计寿命的两倍（电缆设计寿命30 年），因此从综合寿命周期分析，采用GIL 性价比更高，如表1 所示。

表1 GIL 和电缆优缺点对比

3 工程设计特点

3.1 平面布置

本项目采用5 回路220kV 三相共箱GIL 连接化工园区内的两个新建220kV 变电站，GIL 路径沿园区内绿化带架空敷设，和园区内其他管道布置相协调，美观程度高（见图1）。

图1 5 回路GIL 架空敷设

3.2 断面图

正常情况下，GIL 架空高度为8m，采用水泥柱子作为支撑（见图2）。水泥柱子类型主要有两种，一种为滑动支架用，受力较小，间距为12m；另外一种是固定支架用水泥柱子，受力较大，间距约80m。为了减少水泥柱子的施工周期，滑动支架用的水泥柱子采用预制式，提高生产效率。

图2 断面图

管廊两侧设置巡视通道，方便现场安装以及后期运维。

跨越园区大门架空设高度为12m，最大跨距66m，采用桁架结构进行跨越（见图3），方便重载货车通行。

图3 桁架结构简图

3.3 补偿方案

由于GIL 路径长度较长，在长直线段必须设置波纹管来吸收其壳体产生的热胀冷缩，否则壳体将会对固定支架产生数百吨的热载荷，造成支架破坏，影响运行安全。

长直线段如果采用轴向非力平衡波纹管，水泥柱子顶部的支架需承受每回路GIL 壳体产生的约20t 的盲板力，且由于架空高度较高，对水泥柱子根部将会产生很大的弯矩，固定支架的水泥柱子将需要承受巨大的轴向力及弯矩，大大增加土建成本以及施工周期；如果采用轴向力平衡波纹管，由于其行程比较小，一般为±50mm，则需要布置较多的波纹管。最后经过论证，选用U 形段进行补偿（见图4），在U 形段的两个竖直方向分别设置一组角向波纹管，一组角向波纹管的补偿量为±243mm，每80m设置一根角向波纹管，80m 的GIL 壳体产生的热胀冷缩量为-115/+86mm，补偿裕度非常大，因此角向波纹管还可用来做为可拆卸单元，吸收土建施工误差、安装误差等，提高了运行的安全性，另外采用角向波纹管还大大降低了基础的受力，减少了土建成本的投入。

图4 U 形段补偿示意图

3.4 支架设计

支架采用钢结构形式，表面进行热镀锌处理，支架底部和水泥柱子顶部的预埋钢板进行焊接。

支架设计中应考虑的作用力和荷载包括：GIL 的自身荷载、支架的横梁表面和GIL 底部间的摩擦力、波纹管刚度力、地震作用力、风荷载（户外）、短路电流作用力、其他外部冲击（如振动）产生的力以及冰、雪荷载（户外）等。

通过仿真计算分析，固定支架最大应力值为127MPa，滑动支架最大应力值为116MPa，均远小于支架所选用的钢材Q345 的屈服强度345MPa，满足项目需求。

3.5 地基设计

为加快施工进度普通滑动支架采用预制混凝土柱，其基础为独立杯口基础；固定支架采用现浇混凝土框架式结构，其基础为筏板基础。大跨度支架采用桁架结构，支撑桁架支座采用现浇混凝土框架式结构，其基础为桩基筏板形式。

3.6 接地设计

GIL 及其成套设备接地的设计应使设备外壳、支架及易接触部位，在正常运行条件下感应电压不超过24V[9]，在故障条件下感应电压不超过100V。

接地母线截面应按最大单相短路电流的70%进行选择。

根据IEEE 标准，确定接地线及短接线尺寸的公式如下：

式中，I为电流有效值，kA；Amm2为导体截面积，mm2；Tm为最大许可温度，℃；

Ta为环境温度，℃；Tr为材料常数的参考温度，℃；a0为0℃时电阻率的温度系数，1/℃；ar为参考温度Tr时电阻率的温度系数，1/℃；ρr为参考温度为Tr时接地导体的电阻率，μΩ·cm；K0为1/a0或（1/ar）Tr，℃；tc为电流的持续时间，s；TCAP为每单位体积的热容量，J/（cm3·℃）。

不同材料的参数如表2 所示。

表2 不同材料的参数

当发生短路时，取环境温度20℃，电流有效值I取50kA，短路持续时间3s。将相应数据代入上述公式后，可得铝排截面积为515mm2，可得铜排截面积为300mm2，按照通流截面积70%计算，所需铝排、铜排截面积分别为360mm2、210mm2。

3.7 连接方案

GIL 和架空线采用套管连接，将架空线用铝绞线从铁塔上引下至GIL 套管的接线端子上，无需设置人字形构架。

GIL 和GIS 采用直连方案，连接处设置波纹管，用于吸收现场安装误差，气室压力选取大的一侧。

3.8 二次在线监测

3.8.1 SF6 密度在线监测

每个隔室单独安装一个具有密度和压力指示功能合一的绝缘气体监测设备，具有自动温度补偿功能，在-30～+60℃范围内任何温度下指示的压力值是室温（20℃）下的压力值（密度）。压力表（或密度表）的准确度等级为1.0 级，最大允许误差为±1%。

压力监测装置装设逆止阀和三通阀门，以便进行校验和维修。供充放气用的逆止阀和三通阀门可外接压力表和水分监测装置。

气体监测设备的安装位置便于运行人员读取数据和试验维护。对于安装于户外的GIL 设备，其气体监测设备安装防雨罩。

3.8.2 内部故障定位在线监测

由于GIL 长度较长，安装内部故障定位装置，通过其给出需要维修的故障点位置。故障定位准确度应小于一个标准单元长度。可选用方法包括特高频信号在线监测定位法、超声信号定位法、行波定位法、接地排汇流定位法等。本项目选用超声信号定位法。

内部故障定位检测系统则需具备如下功能：

1）内部故障定位检测系统不应对设备本体构成电磁干扰；

2）具备对检测信号的降频、变频、抽样、除干扰等处理功能，快速检测故障信息及故障位置；

3）具备远程通信功能；具备数据分析、历史趋势分析及显示功能。

3.8.3 位移在线监测

位移传感器用于监测GIL 运行过程中单元壳体活动端的热胀冷缩位移情况，监测点的位移都可以在计算机显示，当位移超过设定值时信号报警，由运检人员处理。位移传感器基于电位计原理，内部没有复杂的信号处理电路，结构简单，由铁心、衔铁、初级线圈、次级 线圈组成，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，输出为绝对位置测量，对位移和长度进行直接测量，输出电阻信号，也可以将信号转换成标准的4～20mA 信号或RS485 数字信号等，可以满足远距离传输控制要求，具有很高的线性精度、很平滑的微线性特性、微米级的重复性精度。

3.8.4 综合在线监测后台

综合在线监测后台均配有通讯接口，一般采用Modbus 通讯协议将GIL 监测数据传输至GIL 综合监控平台，就地展示后再统一由通讯管理设备实时上传至变电站、城市中心乃至更上级监控中心，真正实现变电站，尤其是无人值班站的设备在线监测，该通讯管理设备支持IEC61850、103、104 等多项通讯规约，接口支持串口、网口、光口形式。

4 结论

4.1 安全可靠性高

可耐受严酷环境，2020 年8 月时最高温度38℃，2020 年冬天是近15 年来最冷天气，最低温度达到零下21℃，年最大温差近60℃，由于工程设计采用了U 形补偿方案，补偿量大，在最冷的时候GIL 伸缩量达到了120mm，角向波纹管的补偿量仍有裕度。

土建水泥柱产生沉降，有一处架空立柱发生20mm的沉降，已经严重超出了设计值10mm 的沉降要求，由于GIL 铝合金壳体的柔性，GIL 仍可正常运行。

4.2 施工快、运维简单

从签订合同到完成现场交接试验仅用了不到6 个月的时间，中间还经历了新冠疫情，1 名运维人员即可完成对11.4km GIL 的运维。运维人员在后台查看SF6压力、GIL 位移、GIL 故障定位数据即可。仅在数据出现异常时才需要进行实地查看，几乎达到了免维护。

4.3 投资经济性高

GIL 设计使用寿命约为60 年，电缆的设计使用寿命约为30 年；全寿命周期成本及运维成本较低。

该工程是化工行业内第一条220kV 三相共箱GIL输电线路，于2020 年8 月投运以来，运行稳定，免维护。