核电厂运行中GIL竖向形变的监控与校正策略
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中广核工程有限公司、中国水利水电第十六工程局有限公司、广东拓奇电力技术发展有限公司、成都海光核电技术服务有限公司的研究人员宋晓斌、陈剑青、李天华、陈军，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，针对核电厂运行中GIL所出现的竖向形变增大问题，本文结合实际案例，介绍了核电厂GIL竖向形变问题的处理过程，阐述分析了GIL竖向形变的产生原因，并给出相应的监控与校正策略。
气体绝缘金属封闭输电线路[1-2]（Gas-insulated metal-enclosed transmission line，GIL），是气体绝缘开关站（GIS）的衍生产品。相较于GIS，GIL少了断路器、隔离开关等开关设备，只要求具备绝缘、通流、动热稳定等基本的电气性能，可靠性要优于GIS，也更优于电缆线路[3]，因此，GIL被广泛应用于核电厂。
GIL具有布置紧凑、输送容量大、可靠性高，少维护甚至免维护的特点及优点，满足核电厂对高压输电设备的运行可靠性要求。也正因如此，GIL运行过程中一旦出现一些异常变化，如GIL竖向形变增大，须引起特别关注，并应采取必要的应对措施。
本文结合实际案例，介绍了核电厂GIL竖向形变问题的处理过程，阐述分析了GIL竖向形变的产生原因，并给出相应的监控与校正策略。
1 GIL竖向形变增大
核电厂的GIL管道母线，通常用于500kV GIS与主变压器的连接，部分走地下廊道，部分于户外地面支架布置（如下图1、图2所示）。
图1 GIL廊道布置
图2 GIL户外地面布置
GIL管道母线运行后通常会在水平方向和竖直方向发生一定形变。水平方向的形变主要由金属的热胀冷缩引起，通常可以自我恢复。下文仅聚焦于GIL的竖向形变问题研究。
2 GIL竖向形变增大的影响
GIL竖向形变增大，会对GIL设备的安全运行造成以下三个方面的不利影响：
1）GIL竖向形变的逐渐增大，将可能导致管线内部应力超过材料本身的屈服强度，致使管母破裂；
2）竖向形变增大，导致GIL设备气体泄漏量超标，绝缘降低；
3）竖向形变增大，导致GIL内部导体接触电阻增大，设备运行温度异常升高。
3 典型案例
核电厂GIL管道母线因基础沉降导致竖向形变增大的问题比较突出，下面介绍两起典型案例。
3.1 某A核电厂500kV GIL母线地面跨界部分出现形变
某A核电厂的1号机组GIL设备于2015年5月完成安装，并于2015年底投入运行，在此期间通过巡检发现GIL母管的地面部分地基出现沉降，根据2016年1月30日的勘察数据显示，GIL母管因地基沉降导致母管形变超出厂家所给15mm/10m的标准，其中最严重的一根10m长母管的竖向相对形变值已达37mm，超过GIL厂家给定标准值两倍多。
3.1.1 过程描述
2016年3月10日，现场分别以GIL母管法兰面同一螺栓端面中心点和法兰面同一位置两颗螺栓中心点为测量点，参照同一基准点测量母管下沉尺寸，测量得出的数据与1月30日测量的数据没有多大偏差；以同样的方法测量廊道GIL母管的相对形变尺寸，得出的数据偏差在+/-5mm以内。
2016年3月11日，1号机组GIL运行电流值在800A左右，测量母管的温升情况如下：环境温度9.3℃，法兰位置温度在13-13.5℃（温升4K），母管中间位置区域温度在12.5-13℃（温升3.5K）。2016年3月15日，重新对GIL母管进行气密性检测，检测结果为：每个法兰包扎面满足包扎保持超过5个小时其SF6泄漏含量小于15ppm的标准。
对比2016年1月30日和3月10日-15日的测量数据，地基沉降数据趋于稳定，母管形变数据和法兰对接面的包扎检漏数据没有变化，GIL额定运行电流设计值为5000A，前期实际运行电流值在800-1100A，877A运行电流所对应GIL母管及其法兰连接位置温升在3.5-4K范围，与GIL理论计算值相符，说明GIL的电联接载流没有问题，该期间GIL母管处于相对平稳状态。
厂家提供说明，原先给出的母管形变依据标准“10m一个支架的管母，其可接受的形变值≤15mm”是基于苛刻外部环境因素作用下的给定值，即母管形变≤15mm的情况下仍可满足技术条件规定的强风、地震等级的抗击能力；通过重新建模计算GIL单根10m长母管能够承受的最大形变量为42mm。
基于以上信息，可得出如下结论：在没有遭受强风、地震或其它外部撞击力的情况下，就GIL母管由于先前地基沉降导致的37mm形变量而言，短期内GIL母管仍可满足安全运行的要求；与此同时，现场应采取相应的临时措施防止地基继续下沉导致母管形变加大，并配套相应的监控措施。
3.1.2 临时措施
在GIL母管形变严重的位置和两处地基下沉严重位置制作临时支撑，临时支撑下垫钢板以扩大地基受力面积（如下图3所示），现场临时支撑安装后的照片如图4所示。
每周对GIL母管临时支撑及原先的固定支撑与GIL母管接合面的受力情况检查，确保所有支撑都起到作用，如果发现松动，及时调节支撑螺栓或V型支撑的调节手柄对其进行调整，使其受力支撑刚好无法拽动即可，不可抬高GIL管母现有高度。
图3 临时支撑方案示意图（棕色模块）
图4 现场临时支撑安装后照片（红色支架）
3.1.3 停电标准及监控措施
间隔半个月对GIL管母形变数据和支架地基沉降进行测量，并对数据结果进行对比分析，一旦发现GIL管母相对形变超过厂家给定限值42mm/10m，立即申请停电报批。
间隔半个月对GIL法兰面进行包扎检漏，并对数据结果进行对比分析，一旦发现母管法兰包扎面保持5小时泄漏量超过500ppm，立即申请停电报批。
间隔半个月检测一次GIL母管电连接法兰位置的温度，核实对比其温升有无异常，一旦发现某个或几个法兰面的温升异常严重（整体对比大于20%），立即申请停电报批。
每天监控记录涉及形变的GIL气室压力变化情况（记录时间、压力值、环境温度），一旦发现压力显示低于3.1bar，立即采取补气措施，并立即申请停电报批。
做好紧急补气预案，准备好新的SF6满气瓶、工况良好的充气管路、气瓶转运方式等。
台风对应措施，根据台风预报情况增加一次测量，根据测量结果再进行专项会议评估和决策。
3.1.4 最终处理方案
某A核电厂GIL的最终处理方案于某次停电条件下完成，主要涉及两大方面的整改：
1）进行正式基础施工，并安装V型支托。
2）利用停电窗口对母线进行调直。整改后的设备状态如图5所示，1号机GIL三相共体上增加了1个正式支架，原临时支撑拆除，以及1号机GIL上部的钢构桁架拆除。
图5 新增1个正式支撑后照片
3.2 某B核电厂4DG廊道内GIL设备支架虚支撑
2016年3月下旬，某B核电厂对4DG廊道的GIL设备支架进行了检查，发现部分GIL母线管支架存在虚支撑情况（如图6所示）。
其中：七号气室0GEW469ZRB旁B相支撑架下端绝缘固定滑块与母线间存在约5mm缝隙，支架上端滑块可以转动；七号气室靠8SEO615CR旁三相支架均存在虚支撑现象，其中A相下端缝隙约13mm，B相约1mm，C相约1mm，三相支架上端滑块均可以转动；六号气室靠0GEW466ZR旁三相支架均存在虚支撑现象，其中A相下端缝隙约1mm，B相约5mm，C相约5mm，A相支架上端滑块卡死无法转动，B、C相均可以转动。
图6 4DG廊道内GIL设备支架虚支撑
2016年5月12日-14日，现场对出现支架虚支撑区域GIL母线管的标高状态进行测量，其中一段母线管前后法兰高差（竖向形变量）达34mm，已超出标准。
2016年5月23、24日，现场对该段GIL法兰进行包扎检漏，通过对母线管最大高差位置法兰面的防护气体SF6的泄露率数据计算，厂家确认该法兰漏气量微不足道（该法兰计算的年泄漏率为0.00063%，远小于国家标准限值0.5%），母线管法兰连接处密闭状态可控。
3.2.1 原因分析
1）安装方面
经核查GIL母线管的若干安装规范类文件，均未对母线安装水平度允许偏差数据进行明确数值要求[4]。现场施工采用水平尺为主、水准仪为辅进行水平度控制，但未生成记录文件。
按照GIL设备安装程序和实际操作流程，GIL母线管的施工是从整根管线的一端向另一端逐步连接，每次对待连接的法兰进行连接时，均是上一段母线管坐落在支架上、下一段母线管处于悬挂吊装以对法兰面对中的状态，法兰连接之后立即使用水平尺检验水平状态，且GIL厂家代表参与检验水平的工作。因此，在安装过程中不会出现明显的支架虚撑现象。
2）土建廊道结构方面
4DG廊道为钢筋混凝土结构（大部分区域坐落在基岩上），其中本次虚支撑问题发生的区域下方基础大部分由基岩向上回填的混凝土结构构成。
2016年6月10日，现场对4DG廊道南段的测点位置的标高进行了监测。从测点位置的标高测量结果，可见当前廊道的测点位置地表标高互相之间存在高差。但由于缺少相应测点位置在施工阶段的标高测量值，无法绝对性比较廊道的沉降状态，后续可对相应测点位置的标高进行测量跟踪。
3.2.2 监控与校正策略
GIL母线和支撑设备均由厂家设计和供货，经厂家分析，认为当前法兰泄漏微小，母线管支撑状态可以继续运行，但应进行定期监控，母线管的端标高差（竖向形变值）按照不超42mm的标准进行控制。
目前GIL母线管的竖向形变问题没有对设备的安全运行造成影响，在后续对支架位置的母线标高进行有效监测，且在发现有进一步的沉降时及时微调支架标高的措施上，可以保证母线的支撑实现设计性能要求，保证设备的安全。
设备运行相关的监控和校正策略如下：
1）土建沉降监测
现场将在相应廊道内的支架支墩附近和伸缩缝位置设置测量膨胀螺栓，可以此测量相应位置土建的标高和变化情况（前3次测量间隔为1个月）。
2）支架标高微调
当前未停电情况下，调整到维持支架接触GIL母线管即可（如调整到尼龙滚轮用手无法转动），不附加支撑力，即仅在现有姿态下顶住管道，不抬升或调整GIL母线管现有高度。
在后续建立测量基准数据之后，在监测过程中，如发现个别支架位置土建基础出现进一步沉降而虚撑，可利用停电窗口，通过支架调整对母线管的标高进行微调，以保证母线管的支撑受力状态可控。调整方案如下：
（1）结合测量基准数据，计算相关支架位置新产生的土建下沉量，制定将支架位置母线管标高恢复到基准数据的调整量，提供厂家审核后实施。
（2）具体调整方法为：通过V型支撑可调节螺杆对其进行调节抬升。
（3）如支架进一步沉降导致母线管的两端标高差达到42mm，需要停电进行整体调整。
3）保护气体SF6的泄露率监测
为监控母线管道支撑标高的改变对母线法兰连接密封性能的影响，需要在运行中定期对SF6的泄露率进行监控。监控方案如下：
（1）GIL气室压力检查
利用SF6气体监视柜（0GEW081AR）监视DG廊道GIL母线管内SF6气体压力变化情况，巡检周期为每周一次。监测范围为沉降位置气室及其前后各一个气室。如某个气室压力变化较其他气室变化异常，则应对相应气室的相应法兰泄漏开展定量测量（注：G5-G8气室气压额定压力为4.5bar（绝对压力），报警气压为4.1bar（绝对压力），最小运行气压为3.9bar（绝对压力））。
（2）定性检漏
使用SF6泄漏测试仪对GIL母线管各法兰面进行检测，巡检周期为每两周一次。如发现泄漏仪检测报警情况，则对相关法兰泄漏情况开展定量测量
（3）定量检漏
使用局部包扎法对GIL母线管相关法兰面进行包扎检漏，测量5小时的SF6泄露浓度，正常巡检周期为每月一次（如两次测量结果无异常变化，将巡检周期相对上次延长一个月）。在上述定性检漏出现报警的情况下，应增加定量检漏。
对以上监测中，如发现异常（如法兰面定量泄漏大于30ppm），应立即开展分析工作。
4）停电校正调直处理
计划在4号机组大修中，对相应母线管的支架标高进行最终全面调整；或中间停电窗口下安排校正调直处理。
4 总结性研究
4.1 GIL竖向形变增大的主要原因及对基础的一些考虑
基础沉降造成了GIL竖向形变增大，按照基础图纸要求，“基础持力层经过强夯的回填土则应进行超挖回填层或原土层，承载力特征值fak≥150kpa，如后期未经强夯的回填土则应进行超挖至老土层，并用C15素混凝土换填至设计标高”。
对位于强夯场地或地基条件较差的建/构筑物，如工艺设备沉降要求极其敏感，土建基础设计时应尽量采用以基岩为持力层的桩基础，避免基础产生过大沉降；如现场条件限制无法采用桩基础时，基础预留沉降观测点，并要求沉降观测直至稳定；同时将基础沉降量预估值反馈工艺专业和GIL厂家，请其考虑设备基础沉降变形处理方案。
4.2 GIL竖向形变增大的表现及其控制
GIL管母竖向形变增大，最直观的表现是支架出现虚支撑。
GIL安装完成后，应做好GIL母线标高（和/或相对形变量）、法兰面泄漏率的原始数据积累，以供后续数据比较。
GIL设备运行期间，应按设计及厂家运维手册要求，及时调整支架螺杆，使其调整到维持支架接触GIL母线管即可，以保证管母的变形在允许的范围内。
5 结论
基于上述研究，对竖向形变极其敏感的GIL设备（仅考虑GIL绝大部分段水平敷设的情况），设计阶段应避免采用大跨度方案，尽量按照标准跨度来进行管母的走向布置；土建基础应尽量采用以基岩为持力层的桩基础，避免基础产生过大沉降；基础应预留沉降观测点，并要求沉降观测直至稳定；安装阶段应做好GIL母线标高（和/或相对形变量）、法兰面泄漏率的原始数据积累；运行阶段应注意观测巡视GIL竖向形变情况，一旦出现形变增大乃至超标情况，应采取相应监控与校正策略。