李磊

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淺析氣體絕緣輸電線路絕緣介質(zhì)研究現(xiàn)狀

李磊

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，江蘇 蘇州 215004）

以國網(wǎng)江蘇電力電纜培訓(xùn)基地智能產(chǎn)業(yè)園二期建設(shè)項(xiàng)目220 kV氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）為例，介紹GIL絕緣介質(zhì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別在絕緣可靠性、環(huán)保友好性、綜合經(jīng)濟(jì)效益、廣泛使用性等方面比較了純SF6氣體、SF6/N2混合氣體、高品質(zhì)壓縮空氣和新型絕緣介質(zhì)氣體的優(yōu)缺點(diǎn)。通過綜合比較得出綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用、安全穩(wěn)定的新型絕緣氣體將最終替代目前的SF6氣體，新型環(huán)保氣體將是GIL絕緣介質(zhì)發(fā)展的方向，而GIL將是未來城市輸電電網(wǎng)的發(fā)展方向。

絕緣介質(zhì)；SF6氣體；混合氣體；回收分離技術(shù)

GIL是一種采用SF6或其他氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流、長距離電力傳輸設(shè)備，具有輸電容量大、占地少、布置靈活、可靠性高、維護(hù)量小、壽命長、對環(huán)境影響小的顯著優(yōu)點(diǎn)。自從1972年世界首條GIL投入商業(yè)運(yùn)行以來，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，目前73～1 200 kV電壓等級的GIL在全世界范圍內(nèi)投入應(yīng)用的總長度近800 km，在國外已經(jīng)有超過30年的穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。GIL特別適用于難以建設(shè)架空線地區(qū)采用隧道、豎井或斜井通道輸電，輸電走廊緊張城市的中心大負(fù)荷供電，氣候或環(huán)境特別惡劣地區(qū)的輸電線路跨越。以往GIL技術(shù)難以推廣的主要阻礙在于價(jià)格較高，但隨著土地走廊資源的日益稀缺和昂貴，目前相同輸送容量的500 kV GIL工程成本已低于電纜輸送方式，還可與電信線纜、輸油輸氣管道等同走廊或隧道共建，對于未來國家能源輸送通道建設(shè)和城市基礎(chǔ)設(shè)施布局都具有重大優(yōu)化意義。

1 GIL絕緣介質(zhì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，SF6的使用量飛速上漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力工業(yè)每年對SF6的需求量接近1萬噸。聯(lián)合國氣候變化公約締約方在1997年簽訂的《京都議定書》中，將SF6列為六大溫室氣體之一，要求限制SF6的使用量。近年來，世界各國針對溫室氣體SF6的排放出臺了一系列措施，例如美國加州提出從2020年開始逐年降低電氣領(lǐng)域SF6使用量，歐盟則計(jì)劃在2030年將SF6排放量縮減到2014年的2/3[1-2].尋找環(huán)境友好型氣體替代SF6應(yīng)用于各類氣體絕緣設(shè)備現(xiàn)已成為電力領(lǐng)域迫切需要解決的技術(shù)痛點(diǎn)。GE、ABB等國外大型電力設(shè)備制造商相繼提出C4F7N和C5F10O兩種性能優(yōu)異的SF6替代氣體，并掌握了10～420 kV環(huán)保型氣體絕緣電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。國外已公布的代替氣體有G3、C3、C5，其中G3的絕緣、滅弧性能更加優(yōu)異，但仍存在一些如氣體毒性等問題。目前國內(nèi)已展開替代氣體的研究和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，武漢大學(xué)張曉星教授通過長期研究，先后對CF3I、c-C4F8、C4F7N、C5F10O和C6F12O等SF6潛在替代氣體的物理化學(xué)特性、絕緣性能、分解特性、生物安全性及材料相容性等關(guān)鍵問題進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，在多個創(chuàng)新點(diǎn)上取得突破，指出C6F12O氣體將是SF6氣體的環(huán)保型替代產(chǎn)品。

2 絕緣介質(zhì)絕緣可靠性

目前，SF6氣體仍是主要的高壓氣體絕緣介質(zhì)，屬于強(qiáng)負(fù)電性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，充氣壓力一般約為0.4 MPa，可以大大縮短絕緣距離，減小GIL管道體積。SIEMENS公司首次將SF6/N2混合氣體應(yīng)用在GIL管道中，標(biāo)志著SF6/N2混合氣體的絕緣可靠性經(jīng)過實(shí)踐的考驗(yàn)。國內(nèi)外研究表明，混合氣體耐電強(qiáng)度不僅與氣體各部分成分的耐電強(qiáng)度有關(guān)，還與各成分之間的比例及混合氣體壓強(qiáng)有關(guān)。SF6/N2混合氣體的相對耐電強(qiáng)度隨SF6含量的增加而迅速提高。當(dāng)混合氣體中SF6的含量為20%時(shí)，其相對耐電強(qiáng)度能達(dá)到相同氣壓條件下的70%；將混合氣體壓力提升至純SF6氣體壓力的146%，可以得到與純SF6氣體相等的耐電強(qiáng)度[3]。

俄羅斯率先開展采用高品質(zhì)壓縮空氣作為GIL絕緣介質(zhì)的研究。GIL壓縮空氣是經(jīng)過干燥、凈化后，符合GB/T 13277規(guī)定的高品質(zhì)空氣[4]。雖然普通空氣在普通氣壓下，絕緣性能不足SF6的1/3，但經(jīng)過干燥和凈化后的高品質(zhì)空氣在普通氣壓下的絕緣強(qiáng)度有顯著提高，提高氣體壓力可以進(jìn)一步提高其絕緣強(qiáng)度。

C6F12O是一種絕緣性能優(yōu)異的SF6替代物，其介電強(qiáng)度達(dá)到了純SF6的2.7倍。雖然C6F12O液化溫度較高，但在常規(guī)氣體如N2、CO2中加入少量的C6，可以顯著提高常規(guī)氣體的絕緣性能，從而滿足電氣設(shè)備的絕緣要求。

3 絕緣介質(zhì)環(huán)保友好型

SF6是一種極強(qiáng)的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛在值（）是CO2的23 500倍，大氣壽命長達(dá)3 200年。大氣中SF6氣體的含量以每年8.7%的速度增長，到目前為止，其占溫室氣體總排量已經(jīng)超過15%.GIL相對于GIS而言，線路長，耗氣量巨大，SF6/N2混合氣體可以減少70%的SF6氣體的使用，但不能從根本上杜絕SF6氣體的使用。SF6/N2混合氣體只能作為一個中間替代物，不能作為理想的替代氣體，仍需要研究純天然、環(huán)境友好型的絕緣介質(zhì)氣體。

高品質(zhì)壓縮空氣是完全天然、環(huán)境友好型的絕緣介質(zhì)氣體，而且采取的成本較低，不存在溫室氣體和有毒有害氣體排放的問題。

C6F12O是一種環(huán)保性能優(yōu)異的SF6替代物，其溫室效應(yīng)潛在值（）僅為1，并且C6F12O安全無毒。

4 絕緣介質(zhì)綜合效益

按照目標(biāo)市場價(jià)格，SF6氣體約100 元/千克，以尹山湖基地220 kV GIL為例，單相每米純SF6氣體需用2 kg，則每千米三相用氣約6 t，成本約為60 萬元/千米，并且SF6氣體在檢修、補(bǔ)氣、回收時(shí)還要產(chǎn)生一筆較大的費(fèi)用。采用SF6/N2=2∶8的混合氣體，SF6的用氣量每千米可減少70%以上，可節(jié)約SF6氣體約4.2 t，但由于SF6/N2混合氣體的充氣壓力高于純SF6氣體，需增加GIL管道的厚度，總體成本下降不明顯。如果采用高品質(zhì)壓縮空氣，氣源是天然的，獲取成本低，主要成本在高品質(zhì)壓縮空氣壓力增加導(dǎo)致要求GIL管道外殼厚度增加所產(chǎn)生的制造成本，總體而言，高品質(zhì)壓縮空氣的成本遠(yuǎn)低于純SF6氣體和SF6/N2混合氣體。目前新型絕緣介質(zhì)替代產(chǎn)品C6F12O經(jīng)濟(jì)成本不到C4F7N等氣體的1/3，可在環(huán)保替換SF6氣體的同時(shí)，盡可能降低推廣使用的經(jīng)濟(jì)投入，在大規(guī)模量產(chǎn)后，氣體使用成本將進(jìn)一步下降，未來具有巨大的市場優(yōu)勢。

5 絕緣介質(zhì)廣泛使用性

目前純SF6氣體在40.5 kV以上中壓產(chǎn)品和126～550 kV高壓電器產(chǎn)品中被廣泛用作滅弧和絕緣介質(zhì)，具有50年以上的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。SF6/N2混合氣體較純SF6液化溫度降低，可以適用于﹣50 ℃，更適合于低溫嚴(yán)寒地區(qū)。隨著混合氣體的回收分離技術(shù)成熟，SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體已進(jìn)入實(shí)用階段，但它仍不是最理想的環(huán)保型替代氣體。采用干燥凈化壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)的72.5～145 kV高壓磁柱式VCB等高壓電器產(chǎn)品已成功在日本形成產(chǎn)業(yè)化，隨著高品質(zhì)壓縮空氣絕緣性能的研究深入，未來將可運(yùn)用在高壓力、不需考慮開斷和滅弧性能的高壓電器設(shè)備上。國內(nèi)新型環(huán)保型絕緣介質(zhì)目前仍處在研發(fā)階段，個別合資企業(yè)也有直接用二氧化碳、二氧化碳+C3或C5作為環(huán)網(wǎng)柜中負(fù)荷開關(guān)的絕緣介質(zhì)的案例，目前，GIL目前也在經(jīng)歷環(huán)?；M(jìn)程，開始逐步采用混合氣體、G3、C3、C5等作為絕緣介質(zhì)。

6 結(jié)束語

黨的十八大以來，生態(tài)文明被納入“五位一體”的總布局，環(huán)境保護(hù)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要前提。在環(huán)保意識越來越強(qiáng)的趨勢下，SF6氣體被環(huán)保型絕緣氣體替代將成為未來發(fā)展方向。根據(jù)國家電網(wǎng)公司電力投資規(guī)劃，未來投資的電網(wǎng)建設(shè)需要向超高壓、大容量、緊湊型、無污染、高可靠、智能化、組合化方向發(fā)展。新型環(huán)保氣體未來取代SF6氣體將是GIL絕緣介質(zhì)發(fā)展的方向，而GIL將是未來城市輸電電網(wǎng)發(fā)展的方向。隨著設(shè)備制造工藝水平的提高，GIL管道氣密性的加強(qiáng)，新型氣體的絕緣性和滅弧性能提升，GIL將朝著小型化、低成本、安全可靠、綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

［1］張潮海，韓冬，李康，等.SF6替代氣體技術(shù)及其在GIL中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.高電壓技術(shù)，2017，43（3）：689-698.

［2］齊波，張貴新，李成榕，等.氣體絕緣金屬封閉輸電線路的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景［J］.高電壓技術(shù)，2015，41（5）：1466-1473.

［3］張高潮.氣體絕緣輸電管線研究現(xiàn)狀［J］.絕緣材料，2014，47（6）：6-9.

［4］宋邦申.高品質(zhì)壓縮空氣作為GIL絕緣介質(zhì)的可行性分析［J］.電器工業(yè)，2011（9）：58-60.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.061

李磊（1992—），男，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行與維護(hù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕