淺談氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)的發(fā)展趨勢

維依埃龍源電工研究院 宋邦申

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。20世紀70年代GIL在美國開始運行，至今已有40年的歷史，雖然在國內(nèi)也有大量工程的使用案例，但是國內(nèi)至今還沒有能夠單獨生產(chǎn)提供完全符合標準要求的GIL產(chǎn)品的專業(yè)廠家。近年來，電力行業(yè)標準DL/T978-2005《氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術條件》以及國家標準GB/T22383--2008《額定電壓72.5kV及以上的氣體絕緣高壓輸電線路》相繼頒布實施，完善和規(guī)范了GIL的基本技術條件、使用范圍、額定參數(shù)、設計和結構以及試驗要求、選型準則、訂貨提供的技術資料還有運輸、安裝和維護的技術要求。也就是說GIL已經(jīng)引起電力行業(yè)、制造廠家、用戶的廣泛關注，都渴望在工程招標中能有本國品牌的GIL可以選用。

下面對三種不同絕緣介質GIL、GIL兩種不同的結構作簡單的介紹，通過比較闡釋GIL的發(fā)展趨勢及動態(tài)，希望能為設計單位、制造廠提供一些參考。

1 三種不同的絕緣介質

1.1 以SF6氣體作為絕緣介質

GIL第一代產(chǎn)品于1972年產(chǎn)生，由美國的CGIT公司生產(chǎn)，采用的絕緣介質是SF6氣體，充氣壓力一般在0.4MPa左右，主要是SF6屬于強負電性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，可以很大程度的縮小GIL的外殼體積。至今第一代產(chǎn)品已經(jīng)有數(shù)百公里的使用案例，而且運行質量可靠。然而，20世紀90 年代以來,全球范圍內(nèi)的溫室效應現(xiàn)象引起了各國環(huán)保專家的重視,雖然SF6氣體不是自然存在的氣體，在大氣中的比例很低，但是就等量氣體而言SF6的溫室效應作用是CO2的23900倍，而且SF6氣體在大氣中的降解過程非常緩慢，在大氣中可以存在的壽命是3200年，因此SF6被1997年12月11日通過的《京都議定書》指定為限排的六種氣體之一。由于GIL對絕緣氣體的使用量較其他氣體絕緣設備要多得多，以美國AZZ GIL為例，550kVGIL僅單相米就需要用SF6氣體約5.72kg，每公里三相用氣大約17噸；252kVGIL單相米用氣2kg左右，三相每公里用氣在6噸左右。雖然現(xiàn)行標準已經(jīng)要求GIL的氣體年泄露率必須小于等于0.5%，但是GIL在允許范圍內(nèi)的SF6氣體泄露以及安裝調試維護過程中的泄露依然不可避免，綜合起來對環(huán)境帶來的危害也是不可忽視的。

因此，隨著環(huán)保意識的加強，尋求SF6氣體的替代氣體已經(jīng)是迫在眉睫?？上驳氖?，近年來世界各國都一直在研究SF6氣體的替代物，以減少SF6氣體的使用量，而且現(xiàn)在已經(jīng)取得了極大的進步和發(fā)展。

1.2 絕緣介質為SF6-N2混合氣體

為了環(huán)保，德國的西門子公司率先采用SF6-N2混合氣體作為GIL的絕緣介質，該GIL屬于第二代，并于2001年2月在瑞士日內(nèi)瓦機場線路改造工程中得以運用。一直以來，國內(nèi)外都對混合氣體的絕緣特性進行了大量的研究工作，研究證明混合氣體的耐電強度不僅與其成分氣體的耐電強度有關，而且還和成分氣體之間的混合比的大小及壓力的高低有關。西門子420kVGIL采用的SF6-N2混合氣體比是1:4，充氣壓力約為0.7MPa，在此情況下完全滿足了產(chǎn)品絕緣的要求；而法國EDF公司400kV的GIL試驗線路采用的SF6-N2混合氣體比是1:9，充氣壓力為0.8MPa，該GIL的絕緣性能比同電壓等級的純SF6氣體的GIL還高。對于GIL這樣用氣量比較大的設備，SF6-N2混合氣體絕緣介質的使用在很大程度上減少了SF6的用氣量。

現(xiàn)在混合氣體的回收已經(jīng)不是問題，只要增添專門的回收設備，利用SF6氣體液化溫度較高（臨界溫度為45.6度）的特點，可以很容易的將SF6與N2分離而使SF6得到回收。如日本東芝的iGREEN設備通過吸收和分離混合氣體中的N2然后將高純的SF6收入液化罐方法來實現(xiàn)兩者的分離，效率超過99%。對于高落差敷設時，混合氣體是否存在分層的問題也已經(jīng)得到理論計算和實踐的驗證，如理論計算顯示在20℃時，混合比為1:4（即20%SF6與80%N2）的混合氣體在高度為100米處混合其他成分N2為80.74%，SF6為19.26%，混合比的變化很小，而且GIL還可以分隔為若干氣室，因此高落差敷設時混合氣體微小的分層現(xiàn)象對產(chǎn)品絕緣性能的影響可以忽略。

雖然SF6-N2混合氣體已經(jīng)進入實用化階段，但從目前的地球環(huán)境角度來看，它并不是理想的替代氣體，尋求更加環(huán)保的、天然的替代氣體將是各國研究機構的下一個追求目標。

1.3 采用高品質壓縮空氣作絕緣介質

所謂高品質壓縮空氣，就是將普通空氣通過一系列的干燥、凈化后使其達到GB/T13277標準規(guī)定的國家一級氣體的要求。采用高品質的壓縮空氣作為絕緣介的GIL是維依埃龍源電工研究院以俄羅斯全俄電工研究院為技術依托，聯(lián)合國內(nèi)高壓電器設備制造企業(yè)為適應環(huán)保要求而開發(fā)的第三代全環(huán)保型GIL。這也就是說該GIL的絕緣氣體是干燥、凈化后的壓縮空氣，與早期的壓縮空氣斷路器所使用的氣源有本質的區(qū)別，早期使用中的問題與經(jīng)驗也為此提供了經(jīng)驗，我們知道雖然普通空氣在零表壓等壓力狀態(tài)下其絕緣性能只有SF6的三分之一，但是通過干燥、凈化后的高品質空氣的絕緣強度得到很大提高。我們還知道提高氣體氣隙擊穿電壓的方法中有改善電場分布、提高氣體壓力兩種方法，因此通過合理的電場設計、選擇合適的氣體壓力，就完全可以達到GIL的絕緣要求。

顯然采用高品質壓縮空氣作為絕緣介質的GIL是完全環(huán)保型的，一方面它的氣源是天然的、低成本的，另一方面它的年泄露率也符合相關標準的要求，即使安裝調試檢修過程中的氣體泄露對環(huán)境也沒有絲毫影響。

事實證明，使用SF6-N2混合氣體或高品質壓縮空氣作為絕緣介質的GIL由于壓力增高要求外殼厚度增加所產(chǎn)生的外殼制造成本與SF6使用量減少所節(jié)約的氣體成本基本相當，也就是說三種絕緣介質的GIL經(jīng)濟成本是相差無幾的，但社會效益卻有很大的差距。采用環(huán)保型氣體作為GIL的絕緣介質是產(chǎn)品發(fā)展的大方向、大趨勢，這也是我們科研院所、設計單位、制造廠家及運行部門的一致觀點?？赡芤愿咂焚|壓縮空氣作為絕緣介質的GIL要想得到用戶的普遍接受還需要很長的路要走，但是我們相信維依埃聯(lián)盟企業(yè)通過樣機試制將會積累更多的經(jīng)驗，進而為今后產(chǎn)品的完善提供依據(jù)。隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品的社會效益會更加明顯，也會更容易被接受。

2 兩種不同的結構

GIL根據(jù)內(nèi)部導體與接地外殼的安裝方式的不同，可以分為分箱式和共箱式兩種結構。

所謂分箱式結構，就是指GIL的三相導體分別裝在三個不同的接地外殼中，每一相的內(nèi)部導體分別與同相的接地外殼同軸布置。該分箱式結構簡單，絕緣設計可以根據(jù)同軸圓柱電場來設計計算，該結構的電場不均勻系數(shù)一般在1.7以上，亦即接地外殼內(nèi)徑與內(nèi)部導體外徑最佳比值取自然常數(shù)e（e=2.71828）。該結構設計經(jīng)驗較為成熟，現(xiàn)在AZZ、西門子、日本提供產(chǎn)品的都是屬于該類。

所謂共箱式結構，就是指GIL的三相導體封閉在一個接地外殼中，三相導體成等邊三角形與外殼軸線120布置，此結構電場的計算較為復雜，一般采用模擬電荷法進行數(shù)值計算。共箱式結構與分箱式結構相比具有更加突出的優(yōu)點:它不僅可以減少外殼材料的使用量進而降低制造成本；還可以減少外殼連接處的施工量；還可以減少可能產(chǎn)生泄漏點的連接密封面的數(shù)量；還有它體積更加小型化，會更加節(jié)約空間，絕緣氣體的使用量也會相應減少；還有外殼中的能量損耗也得到了減少。由于共箱式結構的相對地的短路故障可能會發(fā)展成為相間短路故障，而且相間短路時的電動力很大，因此共箱式結構對產(chǎn)品的設計也提出了更高的要求，特別是對絕緣件的設計及制造提出了更高的要求。不過，現(xiàn)在隨著GIS共箱式母線筒設計經(jīng)驗的不斷積累以及絕緣件的設計及制造水平的不斷提高，已完全可以滿足共箱式GIL對絕緣性能提出的要求。

推進GIL設備的小型化，縮小設備的體積，減少絕緣介質的使用量，減少能量損耗，一直成為電力設備產(chǎn)品設計制造所追求的目標，顯然共箱式小型化GIL也是為此而來，這也將是GIL的又一次跨越，又一次進步。

3 結束語

近四十年的運行經(jīng)驗證明，GIL傳輸容量大、電容小、損耗少、適用與惡劣環(huán)境的特點越來越突出，用戶也越來越容易接受。作為電能傳輸?shù)囊环N有效選擇方案，GIL是傳統(tǒng)地下電纜輸電在極限容量場合和架空線在某些特殊使用場合的有效補充，它一定會在電力事業(yè)的發(fā)展中起著不可替代的作用。當然隨著環(huán)保意識的加強、設計水平的提高，GIL也會朝著小型化、低損耗、高可靠、綠色環(huán)保的方向不斷發(fā)展。

1、范建斌 《氣體絕緣金屬封閉輸電線路及其應用》 中國電力，第41卷第8期

2、高凱，李莉華《氣體絕緣輸電線路技術及其應用》 中國電力，第40卷第1期

3、王崎，邱毓昌《N2/SF6混合氣體在氣體絕緣管道電纜中的應用》 電線電纜，2004年第1期