淺析氣體絕緣輸電線路絕緣介質研究現狀

李磊

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淺析氣體絕緣輸電線路絕緣介質研究現狀

李磊

（國網江蘇省電力有限公司技能培訓中心，江蘇 蘇州 215004）

以國網江蘇電力電纜培訓基地智能產業園二期建設項目220 kV氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）為例，介紹GIL絕緣介質國內外研究現狀，分別在絕緣可靠性、環保友好性、綜合經濟效益、廣泛使用性等方面比較了純SF6氣體、SF6/N2混合氣體、高品質壓縮空氣和新型絕緣介質氣體的優缺點。通過綜合比較得出綠色環保、經濟適用、安全穩定的新型絕緣氣體將最終替代目前的SF6氣體，新型環保氣體將是GIL絕緣介質發展的方向，而GIL將是未來城市輸電電網的發展方向。

絕緣介質；SF6氣體；混合氣體；回收分離技術

GIL是一種采用SF6或其他氣體絕緣、外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流、長距離電力傳輸設備，具有輸電容量大、占地少、布置靈活、可靠性高、維護量小、壽命長、對環境影響小的顯著優點。自從1972年世界首條GIL投入商業運行以來，已經在世界范圍內得到廣泛的應用，目前73～1 200 kV電壓等級的GIL在全世界范圍內投入應用的總長度近800 km，在國外已經有超過30年的穩定運行經驗。GIL特別適用于難以建設架空線地區采用隧道、豎井或斜井通道輸電，輸電走廊緊張城市的中心大負荷供電，氣候或環境特別惡劣地區的輸電線路跨越。以往GIL技術難以推廣的主要阻礙在于價格較高，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和城市基礎設施布局都具有重大優化意義。

1 GIL絕緣介質國內外研究現狀

隨著電力行業的發展，SF6的使用量飛速上漲。據統計，電力工業每年對SF6的需求量接近1萬噸。聯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域SF6使用量，歐盟則計劃在2030年將SF6排放量縮減到2014年的2/3[1-2].尋找環境友好型氣體替代SF6應用于各類氣體絕緣設備現已成為電力領域迫切需要解決的技術痛點。GE、ABB等國外大型電力設備制造商相繼提出C4F7N和C5F10O兩種性能優異的SF6替代氣體，并掌握了10～420 kV環保型氣體絕緣電氣設備關鍵技術。國外已公布的代替氣體有G3、C3、C5，其中G3的絕緣、滅弧性能更加優異，但仍存在一些如氣體毒性等問題。目前國內已展開替代氣體的研究和產業化生產，武漢大學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特性、絕緣性能、分解特性、生物安全性及材料相容性等關鍵問題進行了大量的理論和試驗研究，在多個創新點上取得突破，指出C6F12O氣體將是SF6氣體的環保型替代產品。

2 絕緣介質絕緣可靠性

目前，SF6氣體仍是主要的高壓氣體絕緣介質，屬于強負電性氣體，具有優良的絕緣性能，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混合氣體應用在GIL管道中，標志著SF6/N2混合氣體的絕緣可靠性經過實踐的考驗。國內外研究表明，混合氣體耐電強度不僅與氣體各部分成分的耐電強度有關，還與各成分之間的比例及混合氣體壓強有關。SF6/N2混合氣體的相對耐電強度隨SF6含量的增加而迅速提高。當混合氣體中SF6的含量為20%時，其相對耐電強度能達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氣體相等的耐電強度[3]。

俄羅斯率先開展采用高品質壓縮空氣作為GIL絕緣介質的研究。GIL壓縮空氣是經過干燥、凈化后，符合GB/T 13277規定的高品質空氣[4]。雖然普通空氣在普通氣壓下，絕緣性能不足SF6的1/3，但經過干燥和凈化后的高品質空氣在普通氣壓下的絕緣強度有顯著提高，提高氣體壓力可以進一步提高其絕緣強度。

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

3 絕緣介質環保友好型

SF6是一種極強的溫室氣體，其溫室效應潛在值（）是CO2的23 500倍，大氣壽命長達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、環境友好型的絕緣介質氣體。

高品質壓縮空氣是完全天然、環境友好型的絕緣介質氣體，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是一種環保性能優異的SF6替代物，其溫室效應潛在值（）僅為1，并且C6F12O安全無毒。

4 絕緣介質綜合效益

按照目標市場價格，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、補氣、回收時還要產生一筆較大的費用。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。如果采用高品質壓縮空氣，氣源是天然的，獲取成本低，主要成本在高品質壓縮空氣壓力增加導致要求GIL管道外殼厚度增加所產生的制造成本，總體而言，高品質壓縮空氣的成本遠低于純SF6氣體和SF6/N2混合氣體。目前新型絕緣介質替代產品C6F12O經濟成本不到C4F7N等氣體的1/3，可在環保替換SF6氣體的同時，盡可能降低推廣使用的經濟投入，在大規模量產后，氣體使用成本將進一步下降，未來具有巨大的市場優勢。

5 絕緣介質廣泛使用性

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

6 結束語

黨的十八大以來，生態文明被納入“五位一體”的總布局，環境保護成為經濟發展的重要前提。在環保意識越來越強的趨勢下，SF6氣體被環保型絕緣氣體替代將成為未來發展方向。根據國家電網公司電力投資規劃，未來投資的電網建設需要向超高壓、大容量、緊湊型、無污染、高可靠、智能化、組合化方向發展。新型環保氣體未來取代SF6氣體將是GIL絕緣介質發展的方向，而GIL將是未來城市輸電電網發展的方向。隨著設備制造工藝水平的提高，GIL管道氣密性的加強，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、綠色環保的方向發展。

［1］張潮海，韓冬，李康，等.SF6替代氣體技術及其在GIL中的應用與發展［J］.高電壓技術，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狀及應用前景［J］.高電壓技術，2015，41（5）：1466-1473.

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

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

2095－6835（2018）21－0061－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.061

李磊（1992—），男，研究方向為輸電線路運行與維護。

〔編輯：嚴麗琴〕