高品質壓縮空氣作為GIL絕緣介質的可行性分析

維依埃龍源電工研究院 宋邦申

1 前言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（英文縮寫是GIL，以下采用英文縮寫）具有傳輸容量大、損耗小、電容小、占地少、可靠性高、適用于惡劣環(huán)境的特點。GIL在全世界范圍內具有多年的使用經驗，而且國內也有大量工程案例，隨著其技術的不斷發(fā)展，傳輸距離不斷加長，絕緣氣體的使用量也不斷擴大，但現(xiàn)如今GIL使用的絕緣介質還主要局限于SF6氣體和N2/SF6混合氣體兩種。但是從目前地球環(huán)境的角度來看，這兩者依然不是GIL最為理想的絕緣氣體。

世界上許多國家的科研單位、院所、制造企業(yè)都在尋找SF6氣體的替代氣體。作為敢于承擔國際社會責任的發(fā)展中大國，中國勇于承擔國際責任，在2009年12月在哥本哈根召開的聯(lián)合國氣候變化會議上提出了自己的減排目標，近而給國家電網也提出了節(jié)能減排，資源友好的要求，因此作為使用SF6氣體比較多的電力行業(yè)也在不斷的探索。近兩年來，我國部分院所也在進行環(huán)保型壓縮空氣作為GIL絕緣介質的研究，并且取得了可喜的成績，現(xiàn)已經進入樣機試制階段。

國家電網公司在《國家電網公司“十二五”及中長期科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究——一次設備智能化關鍵技術專題報告》中提出了發(fā)展環(huán)保型壓縮氣體絕緣管道輸電技術的概念，并認為環(huán)保型壓縮空氣管道輸電技術的發(fā)展對構建堅強智能電網具有重大的戰(zhàn)略意義，而且國家電網公司準備在2010—2015年這五年建設一個550kV環(huán)保型壓縮氣體管道輸電的示范工程。報告中所指的環(huán)保型壓縮氣體就是被視為最為理想的環(huán)保型氣體的壓縮空氣或者是其主要組成部分氮氣N2。本文所說的高品質壓縮空氣是指通過干燥凈化處理的壓縮空氣，本文就從以下幾個方面對其用作GIL絕緣介質的可行性與SF6氣體或其混合氣體進行對比。

2 絕緣可靠性

根據(jù)過去使用普通壓縮空氣作為絕緣介質的經驗并結合最新研究，相關文獻得出了壓縮空氣的工頻擊穿特性曲線（見圖1）。當然，空氣間隙的擊穿電壓隨氣壓的升高而提高，但是這種隨著間隙距離的增加而提高的擊穿電壓有明顯的飽和特性，而且隨著間隙距離的增大（電場不均勻增加），其飽和速度越快。另外理論研究證明，在均勻電場作用下SF6氣體間隙的擊穿場強大約是同等條件下普通空氣間隙的三倍（見圖2），而且電場的不均勻程度對SF6氣體間隙擊穿電壓的影響要比空氣大的。隨電場不均勻程度的提高，SF6氣體間隙擊穿電壓與空氣間隙擊穿電壓的差值將逐漸縮小。由于GIL的內部結構是按同軸電極來設計的，它的不均勻系數(shù)為1.7左右，屬于稍不均勻電場，無論如何設計和優(yōu)化都不可能做到均勻電場，只能在設計時盡量做到讓電場分布均勻，亦就是說，在電力設備中真正運用的SF6氣體間隙的擊穿場強只有空氣間隙的兩倍多。對于采用干燥凈化的高品質壓縮空氣作為絕緣介質的GIL，其間隙的擊穿場強可能還要稍高于普通壓縮空氣的擊穿場強。因此，只要選擇適當?shù)膲毫徒^緣距離，電場設計的合理，高品質壓縮空氣完全可以達GIL所需要的絕緣水平。

圖1 壓縮空氣的工頻擊穿特性

圖2 均勻電場中不同絕緣介質擊穿電壓與距離的關系

3 環(huán)保合法性

SF6氣體為1997年12月簽署并于2005年2月16日開始強制生效的《京都議定書》中規(guī)定的6種限制減排的溫室氣體之一。中國政府于1998年5月簽署并于2002年8月核準了該議定書，同時中國政府明確表示將保護環(huán)境作為一項長期的基本國策，將科學發(fā)展觀作為執(zhí)政理念，明確提出了節(jié)能減排的具體任務，并承諾將繼續(xù)承擔應有的國際責任和義務。因此SF6氣體以及含有SF6氣體的混合氣體在今后的使用中都將受到限制，特別是用氣量非常大的GIL輸電線路。

雖然現(xiàn)在生產制造廠都承諾充SF6氣體絕緣設備能滿足相關標準規(guī)定的年漏氣率不大于0.5%的要求，而且許諾20年甚至30年免維護或少維護。但是充SF6氣體絕緣設備不僅在產品的裝配、調試過程、氣體質量測量、產品的運輸轉移、設備檢修時會出現(xiàn)不可避免的微小泄漏，以及在標準允許范圍內的泄漏都或多或少的給環(huán)境帶來危害；更可怕的是，到生產廠家承諾的20～30年后，已經大量投入運行使用的SF6氣體絕緣設備將會進入大規(guī)模的維護或更換，到時候將會給環(huán)境治理帶來很大的壓力。而采用壓縮空氣作為氣體絕緣介質的GIL，是為環(huán)境而設計的，從調試、裝配到報廢都對環(huán)境給予了充分考慮，不會給環(huán)境產生任何負擔，對環(huán)境是友好的。

4 成本經濟性

環(huán)保型壓縮空氣的氣源是普通空氣，是無成本的，是取之不盡用之不竭的，而且可以直接排放到大氣中，不需要回收處理；為了提高壓縮空氣的絕緣性能、減少氣體內部雜質，即使采用高品質的壓縮空氣作為絕緣氣體，也僅僅需要一套干燥凈化設備就可以將氣源處理到水分含量接近于純氮的水分含量，投入較少；然而SF6氣體則是商業(yè)化經營的氣體，價格較高，而且在產品檢修時不允許排放到大氣中，對于含SF6氣體的產品在處理內部氣體時需要將內部SF6氣體通過專用回收設備或N2/SF6混合氣體分離設備進行回收處理，額外地增加了回收、處理和儲存成本。而且回收的SF6氣體如果再次使用，也必須凈化處理達到新氣標準才可以。更何況GIL的絕緣氣體使用量非常之大，采用高品質壓縮空氣后的用氣成本將明顯降低。

以美國AZZ公司供貨的GIL為例，550kV純SF6氣體絕緣的GIL僅單相米就需要用SF6氣體約5.72千克，以市場價100元/千克計算，每公里三相用氣大約17噸，就可以節(jié)約170萬元/公里。采用含有20%SF6氣體的N2/SF6混合氣體（其充氣壓力約為純SF6氣體充氣壓力的1.4倍）作為絕緣氣體的GIL其SF6用氣量雖然僅為純SF6氣體用氣量的28%，但是每公里三相亦需要約5噸的SF6氣體，也可以節(jié)約大約50萬元/公里。如果采用高品質壓縮空氣則這部分成本對于適合于長距離輸電的GIL將會更為可觀。

5 危害及局限性

SF6用于電器設備內時，無論是在故障情況下或是在正常的開斷電弧作用下可能分解產生氧、硫的氟化物和金屬氟化物粉末。經驗表明，工作人員在即使是含有非常微量的分解物的環(huán)境中，也會感到刺鼻或不舒服的氣味，對鼻、口及眼等有明顯的刺激。而且SF6常溫常壓下的密度約為空氣密度的5倍，其氣體有使人窒息的危險，特別是隧道涵洞鋪設式需要附加的通風透氣設施，來降低其含量。由于SF6氣體在大氣中存活的壽命約為3200年，而且其對大氣的溫室效應是CO2的23900倍，因此SF6氣體是非常強烈的溫室氣體。相反采用壓縮空氣作為絕緣介質GIL不僅可以做到年泄露率低于0.5%，而且即使存在泄露對環(huán)境和工作人員也不會存在任何危害，也不會給溫室效應帶來負擔，是純環(huán)保的。SF6氣體中電弧切斷后的冷卻速度非常迅速，絕緣恢復能力強，是空氣的100倍左右，因此對于對絕緣介質的滅弧性能有要求的電力設備來講，SF6氣體仍然是最好的選擇。

另外，由于SF6氣體液化溫度比較低，可能被液化的最高溫度為45.6°C，對于純SF6氣體20°C時額定充氣壓力為0.5MPa（絕對壓力）時，只能適用于-40°C環(huán)境，而對于N2/SF6混合氣體（體積比4：1）額定充氣壓力為0.7Mpa（絕對壓力）時，可以適用于-50°C。因此純SF6氣體絕緣的GIL很難適用與嚴寒地區(qū)，N2/SF6混合氣體則將使產品更適合于低溫嚴寒地區(qū)。由于通過對普通空氣進行高燥處理完全可以達到高純氮的水平，因此如果能將高品質壓縮空氣用于GIL產品，GIL產品也將不需再考慮低溫液化問題。

6 使用普及性

由于本身的負電性使SF6氣體具有良好的絕緣和滅弧性能，這一點是不容置疑的，因此在40.5kV以上中壓產品和126～550kV高壓電器產品中被廣泛用作滅弧和絕緣介質，具有幾十年的成功運行經驗。而隨著世界環(huán)保意識的增強，限制使用溫室氣體的呼聲越來越高。現(xiàn)在國外7.2～24kV中壓充氣柜C-GIS采用普通壓縮空氣作為絕緣介質的產品已有很多，采用干燥凈化壓縮空氣作為絕緣介質的72.5～145kV高壓瓷柱式VCB、84kV罐式VCB等高壓電器產品也由日本AE帕瓦株式會社研發(fā)成功，并已經形成產業(yè)化。因此隨著社會對高品質壓縮空氣絕緣性能研究的深入，在不需要考慮開斷和滅弧的高壓電器設備上的運用實例將會越來越多。

7 工程可操作性

根據(jù)前面的對比分析可知，基本可以認為高品質壓縮空氣作為GIL絕緣介質完全是有可能的。然而有些技術人員也對高品質壓縮空氣絕緣GIL工程的可操作性提出了一些疑問，如有些人認為壓縮空氣絕緣的GIL充氣壓力肯定會有點高，用戶心理上可能有點難以接受。其實認為這個壓力高，是相對純SF6氣體絕緣GIL而言的，根據(jù)部分廠家現(xiàn)階段對高品質壓縮空氣GIL研究性試驗證明，壓力亦僅為十幾個大氣壓，該壓力相對于燃氣輸送管道壓力低很多，而且殼體強度都是通過嚴格計算和試驗證明了的，是絕對安全的不用擔心；還有些人認為壓縮空氣在高壓力下微水量難于控制需要經常排凝露水，主要是因為他們的想法還局限于普通壓縮空氣作為絕緣介質。殊不知，隨著壓縮空氣凈化技術水平的發(fā)展，普通空氣經過干燥凈化處理后，壓縮空氣的氣源質量可比SF6新氣氣源質量還高，甚至接近于高純氮的水分含量水平，現(xiàn)在研制的凈化裝置高品質壓縮空氣氣源的大氣露點可以做到低于-70°C；還有些人認為為了維持GIL內部氣體的壓力穩(wěn)定需要沿著輸電線路全線設置壓氣站，但是本人卻認為GIL完全可以根據(jù)工程需要劃分適當?shù)臍怏w隔室來解決長距離的氣壓穩(wěn)定問題，這樣隔室之間、隔室對外界之間都保證密封，既可以便于GIL工程的施工維護，滿足現(xiàn)場施工的可操作性，也可以防止產品某段出現(xiàn)故障時禍及其它完好氣隔單元，也便于對絕緣氣體的質量及泄露量進行檢測和測量。

當然高品質壓縮空氣絕緣介質的采用，還需要很多試驗以及工程實踐來驗證，通過工程的檢驗可能還會出現(xiàn)一些問題，但是通過對高品質壓縮空氣研究的不斷深入，問題肯定會不斷的得到解決。

8 結束語

高品質壓縮空氣與SF6氣體在滅弧能力上存在很大的差別，在絕緣性上也有一定的差距，但是氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）關注的僅僅是氣體的絕緣性能，因此只要電場結構設計合理、充氣壓力選擇適當，高品質壓縮空氣作為GIL的絕緣介質是完全可行的。該類環(huán)保型高品質壓縮空氣絕緣的GIL環(huán)保性優(yōu)良，具有良好的社會效益，亦將會是今后發(fā)展的新方向。當然許多理論數(shù)據(jù)還只是在實驗室進行的結果，還不可能完全適用于生產應用領域，我們還必須進行繼續(xù)研究并結合今后的樣機試制及試驗掌握壓縮空氣的絕緣機理，并通過示范工程建設掌握壓縮空氣絕緣輸電線路的實際運行性能，積累運行經驗。當技術成熟時，可以將高品質壓縮空氣絕緣技術運用到GIS的母線筒和隔離開關模塊等不存在滅弧要求的結構部分。當然任何新技術、新產品的推廣都需要一定的時間，人們對高品質壓縮空氣絕緣GIL接受也需要一個過程。因此它也需要引起我們國家及政府的高度重視，在資金和政策上給予支持和幫助。

1.國家標準:GB/T8905-1996《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》.

2.國家標準:GB7674-2008《額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》.

3.施圍、邱毓昌、張喬根編著《高電壓工程基礎》[M]北京,機械工業(yè)出版社,2006.6.

4.陳軒恕等《高壓長距離壓縮空氣絕緣輸電線路的發(fā)展前景》,高電壓技術（2009.12）.