浅析气体绝缘输电线路绝缘介质研究现状

李磊



浅析气体绝缘输电线路绝缘介质研究现状

李磊

（国网江苏省电力有限公司技能培训中心，江苏 苏州 215004）

以国网江苏电力电缆培训基地智能产业园二期建设项目220 kV气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）为例，介绍GIL绝缘介质国内外研究现状，分别在绝缘可靠性、环保友好性、综合经济效益、广泛使用性等方面比较了纯SF6气体、SF6/N2混合气体、高品质压缩空气和新型绝缘介质气体的优缺点。通过综合比较得出绿色环保、经济适用、安全稳定的新型绝缘气体将最终替代目前的SF6气体，新型环保气体将是GIL绝缘介质发展的方向，而GIL将是未来城市输电电网的发展方向。

绝缘介质；SF6气体；混合气体；回收分离技术

GIL是一种采用SF6或其他气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流、长距离电力传输设备，具有输电容量大、占地少、布置灵活、可靠性高、维护量小、寿命长、对环境影响小的显著优点。自从1972年世界首条GIL投入商业运行以来，已经在世界范围内得到广泛的应用，目前73～1 200 kV电压等级的GIL在全世界范围内投入应用的总长度近800 km，在国外已经有超过30年的稳定运行经验。GIL特别适用于难以建设架空线地区采用隧道、竖井或斜井通道输电，输电走廊紧张城市的中心大负荷供电，气候或环境特别恶劣地区的输电线路跨越。以往GIL技术难以推广的主要阻碍在于价格较高，但随着土地走廊资源的日益稀缺和昂贵，目前相同输送容量的500 kV GIL工程成本已低于电缆输送方式，还可与电信线缆、输油输气管道等同走廊或隧道共建，对于未来国家能源输送通道建设和城市基础设施布局都具有重大优化意义。

1 GIL绝缘介质国内外研究现状

随着电力行业的发展，SF6的使用量飞速上涨。据统计，电力工业每年对SF6的需求量接近1万吨。联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF6列为六大温室气体之一，要求限制SF6的使用量。近年来，世界各国针对温室气体SF6的排放出台了一系列措施，例如美国加州提出从2020年开始逐年降低电气领域SF6使用量，欧盟则计划在2030年将SF6排放量缩减到2014年的2/3[1-2].寻找环境友好型气体替代SF6应用于各类气体绝缘设备现已成为电力领域迫切需要解决的技术痛点。GE、ABB等国外大型电力设备制造商相继提出C4F7N和C5F10O两种性能优异的SF6替代气体，并掌握了10～420 kV环保型气体绝缘电气设备关键技术。国外已公布的代替气体有G3、C3、C5，其中G3的绝缘、灭弧性能更加优异，但仍存在一些如气体毒性等问题。目前国内已展开替代气体的研究和产业化生产，武汉大学张晓星教授通过长期研究，先后对CF3I、c-C4F8、C4F7N、C5F10O和C6F12O等SF6潜在替代气体的物理化学特性、绝缘性能、分解特性、生物安全性及材料相容性等关键问题进行了大量的理论和试验研究，在多个创新点上取得突破，指出C6F12O气体将是SF6气体的环保型替代产品。

2 绝缘介质绝缘可靠性

目前，SF6气体仍是主要的高压气体绝缘介质，属于强负电性气体，具有优良的绝缘性能，充气压力一般约为0.4 MPa，可以大大缩短绝缘距离，减小GIL管道体积。SIEMENS公司首次将SF6/N2混合气体应用在GIL管道中，标志着SF6/N2混合气体的绝缘可靠性经过实践的考验。国内外研究表明，混合气体耐电强度不仅与气体各部分成分的耐电强度有关，还与各成分之间的比例及混合气体压强有关。SF6/N2混合气体的相对耐电强度随SF6含量的增加而迅速提高。当混合气体中SF6的含量为20%时，其相对耐电强度能达到相同气压条件下的70%；将混合气体压力提升至纯SF6气体压力的146%，可以得到与纯SF6气体相等的耐电强度[3]。

俄罗斯率先开展采用高品质压缩空气作为GIL绝缘介质的研究。GIL压缩空气是经过干燥、净化后，符合GB/T 13277规定的高品质空气[4]。虽然普通空气在普通气压下，绝缘性能不足SF6的1/3，但经过干燥和净化后的高品质空气在普通气压下的绝缘强度有显著提高，提高气体压力可以进一步提高其绝缘强度。

C6F12O是一种绝缘性能优异的SF6替代物，其介电强度达到了纯SF6的2.7倍。虽然C6F12O液化温度较高，但在常规气体如N2、CO2中加入少量的C6，可以显著提高常规气体的绝缘性能，从而满足电气设备的绝缘要求。

3 绝缘介质环保友好型

SF6是一种极强的温室气体，其温室效应潜在值（）是CO2的23 500倍，大气寿命长达3 200年。大气中SF6气体的含量以每年8.7%的速度增长，到目前为止，其占温室气体总排量已经超过15%.GIL相对于GIS而言，线路长，耗气量巨大，SF6/N2混合气体可以减少70%的SF6气体的使用，但不能从根本上杜绝SF6气体的使用。SF6/N2混合气体只能作为一个中间替代物，不能作为理想的替代气体，仍需要研究纯天然、环境友好型的绝缘介质气体。

高品质压缩空气是完全天然、环境友好型的绝缘介质气体，而且采取的成本较低，不存在温室气体和有毒有害气体排放的问题。

C6F12O是一种环保性能优异的SF6替代物，其温室效应潜在值（）仅为1，并且C6F12O安全无毒。

4 绝缘介质综合效益

按照目标市场价格，SF6气体约100 元/千克，以尹山湖基地220 kV GIL为例，单相每米纯SF6气体需用2 kg，则每千米三相用气约6 t，成本约为60 万元/千米，并且SF6气体在检修、补气、回收时还要产生一笔较大的费用。采用SF6/N2=2∶8的混合气体，SF6的用气量每千米可减少70%以上，可节约SF6气体约4.2 t，但由于SF6/N2混合气体的充气压力高于纯SF6气体，需增加GIL管道的厚度，总体成本下降不明显。如果采用高品质压缩空气，气源是天然的，获取成本低，主要成本在高品质压缩空气压力增加导致要求GIL管道外壳厚度增加所产生的制造成本，总体而言，高品质压缩空气的成本远低于纯SF6气体和SF6/N2混合气体。目前新型绝缘介质替代产品C6F12O经济成本不到C4F7N等气体的1/3，可在环保替换SF6气体的同时，尽可能降低推广使用的经济投入，在大规模量产后，气体使用成本将进一步下降，未来具有巨大的市场优势。

5 绝缘介质广泛使用性

目前纯SF6气体在40.5 kV以上中压产品和126～550 kV高压电器产品中被广泛用作灭弧和绝缘介质，具有50年以上的成功运行经验。SF6/N2混合气体较纯SF6液化温度降低，可以适用于﹣50 ℃，更适合于低温严寒地区。随着混合气体的回收分离技术成熟，SF6/N2混合气体替代纯SF6气体已进入实用阶段，但它仍不是最理想的环保型替代气体。采用干燥净化压缩空气作为绝缘介质的72.5～145 kV高压磁柱式VCB等高压电器产品已成功在日本形成产业化，随着高品质压缩空气绝缘性能的研究深入，未来将可运用在高压力、不需考虑开断和灭弧性能的高压电器设备上。国内新型环保型绝缘介质目前仍处在研发阶段，个别合资企业也有直接用二氧化碳、二氧化碳+C3或C5作为环网柜中负荷开关的绝缘介质的案例，目前，GIL目前也在经历环保化进程，开始逐步采用混合气体、G3、C3、C5等作为绝缘介质。

6 结束语

党的十八大以来，生态文明被纳入“五位一体”的总布局，环境保护成为经济发展的重要前提。在环保意识越来越强的趋势下，SF6气体被环保型绝缘气体替代将成为未来发展方向。根据国家电网公司电力投资规划，未来投资的电网建设需要向超高压、大容量、紧凑型、无污染、高可靠、智能化、组合化方向发展。新型环保气体未来取代SF6气体将是GIL绝缘介质发展的方向，而GIL将是未来城市输电电网发展的方向。随着设备制造工艺水平的提高，GIL管道气密性的加强，新型气体的绝缘性和灭弧性能提升，GIL将朝着小型化、低成本、安全可靠、绿色环保的方向发展。

［1］张潮海，韩冬，李康，等.SF6替代气体技术及其在GIL中的应用与发展［J］.高电压技术，2017，43（3）：689-698.

［2］齐波，张贵新，李成榕，等.气体绝缘金属封闭输电线路的研究现状及应用前景［J］.高电压技术，2015，41（5）：1466-1473.

［3］张高潮.气体绝缘输电管线研究现状［J］.绝缘材料，2014，47（6）：6-9.

［4］宋邦申.高品质压缩空气作为GIL绝缘介质的可行性分析［J］.电器工业，2011（9）：58-60.

2095－6835（2018）21－0061－02

TM213

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.061

李磊（1992—），男，研究方向为输电线路运行与维护。

〔编辑：严丽琴〕