SF6替代氣體技術(shù)及其在GIL中的應(yīng)用與發(fā)展

安德寶 馮加坤 李濤

摘?要：科技在不斷發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，我國(guó)綜合國(guó)力顯著加強(qiáng)，該文從SF6替代氣體技術(shù)的發(fā)展入手，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在SF6混合氣體和新型環(huán)保絕緣介質(zhì)的相關(guān)研究。在此基礎(chǔ)上，回顧了氣體絕緣輸電管道的發(fā)展以及SF6替代氣體技術(shù)在GIL中的應(yīng)用。結(jié)合最近的SF6替代氣體和GIL技術(shù)的發(fā)展近況，分析和探討了GIL應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題。從GIL發(fā)展的歷史可以看出，隨著SF6/N2混合氣體技術(shù)的不斷成熟，第二代GIL（即SF6/N2混合氣體的GIL）獲得了成功的商業(yè)應(yīng)用。新型環(huán)保絕緣介質(zhì)一直處于積極探索之中，Alstom公司和ABB公司推出的C4F7N和C5F10O引起了廣泛關(guān)注。雖然Alstom公司在420kV的GIL上進(jìn)行了C4FK混合氣體的性能測(cè)試，但由于其溫升特性較差仍較難用于GIL中。因此，新型環(huán)保絕緣介質(zhì)的GIL仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。但是，隨著新型環(huán)保絕緣介質(zhì)研究力度的不斷增強(qiáng)以及GIL工程建設(shè)的不斷發(fā)展，環(huán)境友好型氣體將有可能取代SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)從而開(kāi)啟第三代GIL的時(shí)代。

關(guān)鍵詞：SF6替代氣體;新型環(huán)保絕緣介質(zhì);氣體絕緣輸電管道;絕緣特性;混合氣體應(yīng)用

引言

隨著我國(guó)電力工業(yè)事業(yè)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電力電網(wǎng)的裝機(jī)容量需求日益增大。我國(guó)幅員遼闊，一次能源主要集中在廣闊的西部地區(qū)和北部地區(qū)，而電力負(fù)荷中心集中在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東部地區(qū)、南部地區(qū)以及華北地區(qū)，電力負(fù)荷中心和一次能源分布極不均勻，使得我國(guó)實(shí)施了諸如西電東送、南北互補(bǔ)等一系列重要電力工程。由于西部地區(qū)水能資源豐富，新規(guī)劃的超大型水力發(fā)電站多建于高山峽谷之中，且多將廠房將于地下，給電能輸送造成較大困難;另一方面，在地理環(huán)境復(fù)雜、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境、氣候條件比較惡劣以及需要人文保護(hù)的地區(qū)，傳統(tǒng)的架空輸電線路和交聯(lián)聚乙稀電力電纜（XPLE）難以滿足大容量、長(zhǎng)距離、高可靠性的特高壓輸電要求。

1氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）研究現(xiàn)狀

目前在全世界范圍內(nèi)，73kV-1200kV電壓等級(jí)的交流GIL應(yīng)用已有報(bào)道，累計(jì)敷設(shè)長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)750km，但直流GIL的應(yīng)用仍然鮮見(jiàn)報(bào)道。直流GIL和交流GIL在生產(chǎn)，裝配和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等方面沒(méi)有多大區(qū)別，兩者之間的差異主要體現(xiàn)在絕緣設(shè)計(jì)上，包括導(dǎo)體與外殼之間構(gòu)成的同軸結(jié)構(gòu)氣隙絕緣尺寸的選擇，盆式絕緣子形狀和支撐絕緣子形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮相應(yīng)絕緣氣體在直流電壓作用下的絕緣性能。雖然到目前為止，直流GIL的應(yīng)用仍然鮮見(jiàn)報(bào)道，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于直流GIL己開(kāi)展了部分研究工作，主要側(cè)重于直流GIL中金屬導(dǎo)電微粒的影響和直流GIL中絕緣子表面電荷積聚。在長(zhǎng)期直流電壓作用下，GIL中的金屬微粒將在絕緣子表面留存和積聚，并縮短絕緣子表面的沿面絕緣距離，從而降低絕緣子表面的沿面放電電壓。因此需要采取措施抑制金屬微粒，特別是絕緣子附近的金屬微粒。目前在投入運(yùn)行的交流GIL中采用微粒陷阱來(lái)捕捉絕緣子附近的金屬微粒，但在直流電壓作用下，由于電場(chǎng)方向不變，微粒可能直接運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)桿周圍，甚至絕緣子表面，因此在直流GIL中，抑制金屬微粒的要求更嚴(yán)格。

2SF6替代氣體技術(shù)及其在GIL中的應(yīng)用與發(fā)展

2.1SF6替代氣體的化學(xué)性質(zhì)研究

當(dāng)發(fā)生放電或過(guò)熱故障時(shí)，SF6替代氣體同SF6氣體類似，會(huì)發(fā)生分解，生成氣體和固體分解物。一方面，故障分解物將對(duì)電氣設(shè)備的絕緣或滅弧能力造成很大威脅;另一方面，故障分解物與故障類型及嚴(yán)重程度關(guān)系密切，可作為故障識(shí)別的指標(biāo)。與絕緣性能的研究相比，SF6替代氣體化學(xué)特性方面的研究較少。但是，SF6氣體的大量相關(guān)研究工作，如機(jī)理分析、分解物成因、故障識(shí)別指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)等，可為SF6替代氣體的化學(xué)特性研究提供理論、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)以及實(shí)施方案參考等。SF6替代氣體的化學(xué)特性及其與純SF6氣體對(duì)比的主要研究見(jiàn)表5。此外，EPRI在對(duì)幾十種氣體進(jìn)行綜合性評(píng)估時(shí)，特別提及了氟碳?xì)怏w的碳化及其抑制的問(wèn)題。表6為EPRI模擬火花放電時(shí)，幾種氟碳?xì)怏w的游離碳含量比。NIST在研究報(bào)告中指出SF6替代氣體是否可行的準(zhǔn)則之一是實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)形成碳或其他沉積物?；烊胍种祁悮怏w，如N2、O2、H2、CO2等是降低化學(xué)沉積物含量的主要方式。以氟碳?xì)怏w為例，雖然有研究表明當(dāng)抑制類氣體達(dá)到一定比例時(shí)，碳化現(xiàn)象將不再發(fā)生;但是在實(shí)際應(yīng)用中，氟碳?xì)怏w的化學(xué)沉積現(xiàn)象仍未得到很好的解決，這也是氟碳混合氣體難以用于高壓電氣設(shè)備的主要原因之一。

2.2數(shù)據(jù)處理設(shè)備

（1）可擴(kuò)展性。服務(wù)器通常都需要具備“可擴(kuò)展性”，為了使服務(wù)器具備可擴(kuò)展性，一般需要給服務(wù)器留有相應(yīng)的冗余件和可擴(kuò)展空間（例如、PCI插槽、磁盤陣列架位以及內(nèi)存條插槽位等）。通常，服務(wù)器的可擴(kuò)展性能夠在硬盤的可擴(kuò)容性、CPU的可升級(jí)換代型以及系統(tǒng)能夠支持Linux，WindowsNT以及UNIX等主流操作系統(tǒng)方面有所體現(xiàn)，只有這樣才能滿足后期應(yīng)用要求。（2）易使用性。服務(wù)器的功能要求對(duì)比PC機(jī)來(lái)說(shuō)要高的多，這不僅僅指其硬件方面的配置，更多指的是其軟件系統(tǒng)配置的要求。服務(wù)器要滿足這么多的功能要求離不開(kāi)全面的軟件系統(tǒng)的支撐。但隨著軟件系統(tǒng)的增加，又不可避免的造成服務(wù)器的性能下降，作業(yè)人員甚至無(wú)法有效操作。因此，在服務(wù)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了充分考慮服務(wù)器的可用性、穩(wěn)定性外，還必須嚴(yán)格把控服務(wù)器的易使用性。（3）可用性。服務(wù)器的可用性指的是所挑選的服務(wù)器是否能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求。在某些工況下，即使離開(kāi)操作人員，服務(wù)器也必須能夠穩(wěn)定持續(xù)的工作，這就給服務(wù)器提高了高穩(wěn)定性的需求。為了保障服務(wù)器具有較強(qiáng)的可用性，不僅要求服務(wù)器的各配件質(zhì)量?jī)?yōu)異外，還必須采取可靠的技術(shù)保障以及配置措施，例如：硬件冗余、在線診斷等。

2.3GIL絕緣氣體在線監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

特高壓GIL在線監(jiān)測(cè)軟件基于LabVIEW的平臺(tái)編制，并結(jié)合Matlab，MicrosoftOfficeAccess、花生殼軟件以及EXCEL軟件混合編程。其中LabVIEW軟件自帶支持多種儀器和多種接口的軟件驅(qū)動(dòng)，是PC技術(shù)與硬件儀器的完美結(jié)合，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)測(cè)試以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，;Matlab數(shù)值處理效率高，作為算法編寫(xiě)的主要工具;MicrosoftOfficeAccess被廣泛應(yīng)用與中、小型數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，是數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的主要工具;花生殼軟件能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)域名和固定IP的綁定，從而將內(nèi)網(wǎng)映射到外網(wǎng)，作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的主要工具;EXCEL軟件具有出色的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能以及數(shù)據(jù)編程能力，作為技術(shù)報(bào)表的開(kāi)發(fā)工具。

結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，隨著“西電東送”、“特高壓三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”以及輸配電網(wǎng)改造升級(jí)等工程的推進(jìn)，GIL的應(yīng)用，尤其是直流GIL的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。歸因于我國(guó)大容量遠(yuǎn)距離輸電地區(qū)的特殊性，如高海拔、地理?xiàng)l件復(fù)雜、氣象環(huán)境影響因素較多等，GIL不失為有效的選擇方案，這也為GIL的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)和廣闊的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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