苏通GIL综合管廊工程电气及辅助系统设计技术

刘泽洪，乐党救，韩先才，孙 岗，黄宝莹，王宁华，张鹏飞，方 静

(1．国家电网有限公司，北京 100031；2．中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001；3. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；4. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；5. 电力规划设计总院，北京 100120)

0 引言

自从1971年第一条345 kV GIL建成以来，GIL已经在全世界很多地方得到应用，早期的GIL主要用在一些特殊的场合。随着GIL技术的发展，GIL已经越来越多地用于各种大容量输电的场合。苏通工程投运前，世界上最长的GIL线路是日本的Shinmeika-Tokai(新名火—东海)线，其线路长度为3.25 km，电压等级为275 kV，采用隧道安装，用于连接Shin-Nagoya电厂和Tokai变电站。

在特高压等级GIL研究方面，目前国内外尚未有成熟的产品和工程应用，实际工程应用最高的委内瑞古里水电站(Guri Hydro)，额定运行电压为800 kV，但单相长度仅为348 m，且额定电流仅为1 200 A。美国的AZZ公司研制过特高压GIL，于20世纪80年代在美国的Waltz Mill试验站建成了世界上唯一的1 200 kV特高压GIL试验线段，单相长度达420 m，额定电流5 000 A，采用纯SF6气体绝缘。

苏通GIL综合管廊工程是世界上电压等级最高、距离最远、输送容量最大的GIL输电工程，共建设2回额定电压达到1 100 kV的GIL线路，跨江长度达到约5.5 km，穿越线路平断面图见图1，是世界首个商业运行的特高压GIL工程。因此依托本工程的实际情况，研究开展大容量GIL隧道的电气设计和辅助系统设计研究，对未来GIL大容量输电工程的应用具有良好的指导意义。

1 系统方案及参数

GIL气体绝缘金属封闭输电线路的构造与架空线路存在显著的差别，其电气参数的电感小于常规的架空线路、电容大于常规的架空线路，因此在输电系统的正常和故障运行及操作方式下，将有可能呈现和架空线路不同的特性，对设备能力将提出更高的要求[1]。

苏通工程根据特高压GIL结构、尺寸、及材料参数，建立GIL的稳态模型和电磁暂态仿真模型，结合电网运行方式，对于1 100 kV GIL接入架空线路中部以后进行潮流、短路、工频过电压、潜供电流、操作过电压、感应电压和感应电流、雷电过电压、瞬态恢复电压(transient recovery voltage，TRV)、特快速暂态过电压 (very fast transient overvoltage，VFTO)等仿真计算，以确定特高压GIL的系统电气参数要求。最终苏通工程GIL设备主参数见表1。

表1 1100kV GIL设备参数表

2 电气主接线

GIL作为当今世界先进的交流输电技术，提供了一种紧凑、可靠、经济的电力输送方式，以取代常规架空线路和电缆。电气接线在满足安全运行的前提下应尽可能简单可靠[2]。

根据国标GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的规定，气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metalenclosed switchgear，GIS)变电站需要计算雷电过电压(包括直击雷和侵入波)、暂时过电压、操作过电压、VFTO。GIL引接站与GIS变电站情况类似。因此，每回GIL两侧转架空处宜配置避雷器。

对于与同塔双回架空线路混和架设的条件下，GIL内部单相故障，线路保护切除故障线路后，由于同塔双回架空线路的耦合作用，在故障相仍可能存在感应引起的故障电流。因此，GIL故障的处理方案应区别于架空线路方案，对于架空线路故障，线路断路器动作即可。但GIL内部故障，应考虑在GIL两侧配置快速电流释放装置，在线路保护断路器动作后，尽快关合电流释放装置，以彻底消除故障点电流。

综上所述，为满足GIL线路的安全运行，需配置常规电流互感器、电压互感器、保护避雷器和感应电流快速释放装置。另根据GIL长度的不同，考虑设备耐压实验的容量需求，可以根据工程实际在合适的位置设置可拆卸隔离单元，不宜额外再单独设置开关类设备。GIL线路的电气主接线配置见图2。

3 电气布置[2-3]

3.1 引接站电气总平面布置

3.1.1 布置设计原则

为保证线路从架空线转换至地下GIL管线的安全过渡，在GIL线路两端需设地面引接站布置GIL与架空线路转接用设备，苏通工程引接站电气总平面布置设计原则如下：

1)一回GIL故障检修不影响另一回GIL带电运行；

2)引接站地面建筑主入口前场地尺寸按不小于21 m×21 m (满足安装和后期运行检修阶段18 m长的GIL标准单元进出)预留；

3)考虑到GIL抢修、扩建后的特殊性试验，应预留20 m×20 m的硬化试验场地。

3.1.2 地面引接站布置

南岸考虑始发井盾构段施工不影响现有的苏通大桥展览馆，同时结合地方规划线路走廊尽量靠近西侧道路的要求，最终采用GIL设备集中布置在西侧、工作井主体建筑布置在东侧的方案。

北岸由于限制条件较少，则考虑两回GIL引接设备相对独立，采用工作井主体建筑布置在两回GIL出线设备中间的方案。

南北岸的布置效果图见图3。

3.2 工作井内GIL布置

GIL竖井段是连接隧道段和地面GIL的枢纽，具有高差大、转角大、施工空间少等特点。故竖井段的GIL管线全部是采用专用设计方案和管线长度，竖井作为GIL工程投运后的主要运行维护出入口，应满足安装和后期运行检修阶段的GIL标准单元的吊装需求。同时竖井内任一根管线检修拆除吊装应尽可能减少对其他管线的影响。

根据GIL标准段的运输需求，配套辅助建筑内均设置10 t行车，用于隧道内GIL单元吊装。同时设置多部5 t行车，用于吊装工作井内GIL竖直段。

隧道内GIL如果出现紧急问题，在投运后需要进行更换工作，因此在竖井内需考虑18 m长GIL标准管线的吊装孔，在竖井与隧道的对接层设置运输车和安装车停泊位置，长期停放。

3.3 管廊内GIL布置

根据GIL设备厂家的研发技术成果，特高压GIL主要结构参数见表2。

表2 1 100 kV GIL结构参数表

由于1 100 kV GIL单个单元的尺寸较大，运输需求和成本对工程本体的影响因素比较大，同时GIL作为全金属封闭气体绝缘装置，运行可靠性高、故障率低，且设备本身基本无可燃物，对防火影响小。

因此综合考虑经济性和检修方便的角度，确定最终两回GIL采用垂直布置，分开布置在管廊两侧，中心间距按满足单轨单通道预留的方案。确定此原则后，GIL布置还要同时兼顾安装车就位的空间需求(下相GIL管线中心离地距离)、GIL对接安装空间需求(上相GIL管线对接面与管廊壁的净距)和GIL运输空间需求(两回GIL的中间动输净距离)，根据苏通工程的成果，下相GIL管线中心离地距离不宜小于980 mm，GIL对接面法兰距管廊壁净距不宜小于290 mm，中间运输通道的净距不宜小于4 000 mm。

基于上述原则，且为充分利用圆形隧道空间，GIL管廊内预留两回电缆线路，最终管廊整体断面布置见图4。

整个隧道主要分隔成4个腔体，其中上部设置1个大上腔体，下部则分隔成3个小腔体。

上腔体2回1 100 kV GIL布置于两侧，中间通过作为运输和检修通道，顶部设置自动运行维护机器人装置、灯具等辅助设施，贴近管廊壁侧设置隧道动力和辅助系统电缆桥架。每间隔100 m在靠近管廊壁侧左右各设置1个上下联通的电缆通道，每间隔500 mm在隧道两侧和中间各设1个上下联通的人员通行通道。

下腔左侧和右侧腔体分别用于远景2回500 kV电缆线路，在底部隔出空间作为GIL泄漏SF6气体排风腔使用；中间腔体作为隧道动力和辅控系统的屏柜布置区和巡视区，屏柜单独布置于中间腔西侧，东侧则作为巡视通道。

4 配电系统、照明及接地[4-6]

4.1 配电系统

GIL引接站用电的重要程度考虑和开关站采用类似配置，从站外引接2回可靠电源，每回站用电源的容量按满足全站计算负荷的用电需求。当没有条件从站外接引可靠电源时，可在站内设置自备应急电源。

苏通工程由于隧道长，受压降限制，供电方式考虑采用双端供电方式，每端地面引接站为一个供电电源点，负责其中一段GIL管廊内的负荷供电。

与一般变电站相比，GIL管廊工程用电设备具有多且布置、供电辐射距离较长的特点，考虑到管廊内空间较为紧张，且管廊内检修维护困难。因此应结合管廊实际长度，尽量不考虑设置降压变压器，优先采用两侧引接站380 V/220 V双端直供电方式。

4.2 隧道内照明

对于GIL腔体的照度由于没有相关的参考规范要求，参考DL/T 5390—2014 《发电厂和变电站照明设计技术规定》中屋内GIS的照度要求为200 lux，此要求对于隧道型照度要求过高，因此宜综合考虑GIL安装和维护的实际运行需求确定合适的照度，苏通工程的照度设计标准值约为75 lux，工程实际运行经验显示可以满足运行维护需求。

管廊其他腔体区域参考DL/T 5484—2013《电力电缆隧道设计规程》和GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》相关规定，主要人行巡视通道的照度要求不宜小于15 lux，电缆腔体不宜小于15 lux。

隧道内诱导指示疏散照明上下腔均按间隔20 m布置，保证紧急情况下人员向两侧引接站撤离。

4.3 接地

两侧引接站与常规的特高压变电站设置相同类型的地网，局部配以集中接地装置。同时考虑工作井区域土建施工的时候在底部设置局部辅助地网，增加引接站整体电网的散流能力。

管廊段将运维的下部区域隧道内钢筋网全部连接起来，形成一个密度小于1 m ×1 m的等电位法拉第笼，将整个管廊钢筋网连接在一起，实现隧道钢筋自然接地体的泄流能力利用最大化，而且形成的等电位可以大大减少人员在管廊内任意人员接触的两点之间电位差，保证设备的安全运行和人员的安全维护。

结合土壤电阻率报告和地网布置，在最大接地电流31.5 kA条件下，采用CDEGS软件整体建模计算，接地电阻约为0.06 Ω，南北岸地面引接站接触电势和跨步电势均在安全允许值范围内。各种工况下整个接地网的最大电位差均不超过1 000 V，满足安全要求。

5 保护和电气二次

5.1 继电保护及安全自动装置

1)线路保护

泰州—东吴全线路为架空—GIL混合线路，线路保护采用“大差动+小差动”的方案。“大差动”将泰州—东吴全线路(包含两个架空段与一个GIL段)作为完整线路考虑；“小差动”仅针对独立的GIL段，并作为完整线路保护的附加保护。“大差动”动作、“小差动”不动作时，则为架空段线路发生故障；两者同时动作时，则为GIL段发生故障，此时线路三相跳闸并闭锁重合闸。

2)故障测距

泰州—东吴全线路包含两个架空段与一个GIL段，由于阻抗的不均匀，仅在两个架空段上分别配置行波原理的双端故障测距系统，采用复用2 M光纤通道。GIL段的故障定位由专用的放电故障定位系统实现。

3)感应电流快速释放装置控制

GIL短路故障时，线路保护动作、两侧变电站断路器跳开后，由控制器(自动控制装置)控制感应电流快速释放装置快速合闸。为确保可靠性，控制器采用双重化配置方案。

5.2 系统调度自动化

GIL管廊及引接站一体化监控系统的网络经FE通道与GE通道延伸至1 000 kV东吴站，相关远动信息通过1 000 kV东吴站上送调度端，在东吴站部署独立的GIL系统专用的数据通信网关机。

5.3 电气二次

1)监控系统

引接站监控系统支持DL/T 860.5—2006《变电站通信网络和系统 第5部分：功能的通信要求和装置模型》等系列标准，采用基于IEEE 802.3—2018《IEEE Standard for Ethernet》的分层分布式高速以太网。北岸引接站、南岸引接站、东吴站的GIL监控网络互联，在任一站点均可监测完整信息，实现多站协调控制功能。

2)直流及不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)、应急电源系统(emergency power supply，EPS)

引接站及GIL管廊隧道内采用交直流一体化电源系统，包括UPS、EPS以及站用直流电源。引接站直流系统采用“两电三充”方案，直流标称电压220 V。

管廊内按综合监测系统的数据采集分区部署UPS电源柜，按备用照明及疏散照明灯具的分布来部署EPS电源柜。管廊内UPS与EPS的交流进线均由交流总控箱提供，直流进线均由地面引接站提供。

3)二次设备布置

二次设备布置在生产综合楼，包括1间二次设备室与2间蓄电池室。二次专业屏柜与通信专业屏柜分开独立布置。

6 综合监测和通信

6.1 综合监测

GIL综合监测系统由前端在线监测子系统、通信网络和综合监测平台构成。前端在线监测子系统主要包括环境监测子系统、通风排水控制子系统、视频监控子系统、安全防范及警卫子系统、人员管理子系统、广播及逃生指挥子系统。综合监测平台预留第三方接口，接入GIL本体SF6气体密度在线监测、放电故障定位系统、隧道结构健康监测系统、巡检机器人系统的相关信息。

6.2 通信

本次两个地面引接站和管廊部分站内通信采用一个整体系统进行设计，配置有线调度指挥通信系统和无线对讲双系统，实现了地面引接站、地下综合管廊及东吴维护站的一体化调度通信指挥架构。在管廊无线覆盖上实现自身的无线对讲及消防无线通信指挥系统的双覆盖。本次两个地面引接站设置了独立通信机房，管廊内设置了3条独立的光缆敷设路由，为本次苏通GIL管廊成为一个综合管廊创造了一定条件。

本次苏通GIL综合管廊作为华东特高压环网的重要组成部分，南北岸引接站作为独立通信站环入已建成的国网、华东网、省网及所属地区网四级光通信网络，为泰州—东吴的架空—GIL混合线路的保护、综合监控系统和南北岸引接站通信系统提供直达+迂回的可靠网络通道。在光缆架构上，本工程利用站用电源线及苏通大桥上敷设的电力光缆可作为南北岸引接站的外部冷备用迂回光缆，进一步提高了本次苏通GIL段的通信可靠性。

7 暖通[4]

因隧道长度长、GIL发热量大(6 300 A时约250 W/m)，且江底不具备自然通风条件，因此采用机械通风方案。江底无法设置中间风井，不具备划分区段通风条件，因此采用在南、北两岸工作井分别设置送、排风机，一送一排的通风方式。

采用SES地铁环境模拟计算程序与计算流体动力学分析(computational fluid dynamics，CFD)软件进行通风模拟研究，主要结论如下：

1)隧道主通道(GIL部分)采用工作井内轴流风机机械进风、机械排风的通风方式，主通道部分依据排热工况确定风量，校验事故工况满足1.5 h人员进入要求。当载流量为3 150 A时，选取风量160 m3/s (两台210 kW轴流风机)可以控制隧道出口温度≤40℃。一回GIL停运，另一回GIL载流量达到6 300 A时，风机全开(三台210 kW轴流风机)，夏季极端高温时段北岸接收井1 km左右区段最高温度约43℃。

2)隧道内SF6气体排除采用主通道通风系统与SF6专用排风系统相结合的形式。当监测到SF6气体泄漏时，将主通道风机开至最大风速，同时开启泄漏区域附近SF6专用排风系统的风阀，保证SF6气体在最短时间内排除。

8 水工和消防

8.1 水工

管廊内无给水系统，考虑管廊结构渗漏水的可能，需设置排水系统。管廊上下层的两侧均设排水沟，管廊内结构板坡向排水沟，下层巡视通道中间设主排水沟，在GIL管廊底部最低点和中途各设一座排水泵站。当GIL管廊发生渗漏，水排入两侧纵向排水沟内，排水沟每隔500 m设地漏，将排水沟内的水集中汇入主排水沟内，最终汇集在排水泵站的集水池中，通过潜水排污泵排除。

8.2 消防

管廊上腔布置GIL管道、A级阻燃电缆及附属设备，无需设置固定灭火装置，仅设移动式灭火设施；下腔中部通道的配电柜集中区域设悬挂式超细干粉自动灭火装置，感温自启动；下腔左、右两侧在远景敷设电缆后考虑设自动灭火装置。

9 结论

苏通GIL综合管廊工程是世界上电压等级最高、距离最远、输送容量最大的GIL输电工程，是世界首个商业运行的特高压GIL工程，本文介绍了工程电气设计和辅助系统设计的主要情况和相关考虑，对未来的特高压GIL工程和地下管廊GIL工程有重要的参考意义。

1)电气一次设计方面，根据系统情况确定了电气主接线和GIL主要技术参数，在GIL两端设置了自动控制的感应电流快速释放装置，在中部设置了隔离单元。双回GIL在管廊中分别布置在管廊两侧，三相垂直布置，结合GIL外形尺寸、运输安装空间需求和辅助系统配置，确定了管廊内径和管廊内布置设计及引接站布置设计。

2)系统二次设计方面，采用双端供电方式，每端地面引接站为一个供电电源点，管廊内不设降压变压器；线路保护配置采用“大差动+小差动”的方式。保护动作后感应电流快速释放装置可自动合闸；隧道和两侧引接站内的设备监测和环境监测等各子系统整合配置一套综合监测系统，并设有线电话、无线集群对讲、地面调度指挥相结合的立体通信网络架构。

3)辅助系统设计方面，采用南岸进风、北岸排风的机械通风方案，通过SES与CFD软件进行通风模拟研究，提出了推荐的风机配置；采用主通道通风系统与SF6专用排风系统相结合的形式排除有害气体；管廊内消防以移动式干粉灭火设施为主。