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氣體絕緣輸電技術(shù)特征及應用前景展望

呂曉潔 朱寧 陳琦

摘要：碳達峰、碳中和將改變電源結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)也將發(fā)生根本性變革。為保護環(huán)境、應對氣候變化，適應大規(guī)模海上風電接入電網(wǎng)的需要，滿足城鎮(zhèn)化建設和人們對美好環(huán)境的需求，解決水電站高落差電力送出等問題，需要研究一種大容量、占地少、損耗小、抗災性強、環(huán)境友好的輸電線路技術(shù)。本文介紹了GIL技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了GIL技術(shù)應用存在的關(guān)鍵性問題，對GIL未來在電力系統(tǒng)的重點應用場景進行了展望，總結(jié)提出GIL的發(fā)展方向和亟待解決的技術(shù)難點問題。

關(guān)鍵詞：GIL；剛性輸電設備；氣體絕緣；海上風電；城鎮(zhèn)化建設

氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）是一種大容量、高電流、剛性輸電設備，采用六氟化硫（SF6）、六氟化硫/氮氣（SF6/N2）或其他氣體絕緣，具有輸電容量大、傳輸損耗小、抗自然災害能力強、占地面積小、電磁環(huán)境友好等顯著優(yōu)點，適合于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）、架空線、電纜、變壓器等設備間的連接。

一、GIL技術(shù)發(fā)展歷程及主要特征

（一）GIL技術(shù)發(fā)展歷程

高氣密性是GIL技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，因此以絕緣氣體的變更將GIL發(fā)展劃分為三個發(fā)展階段。第一代GIL絕緣氣體采用100% SF6，第二代采用SF6與N2的混合氣體（如20% SF6和80%N2），新一代采用環(huán)保氣體（如美國3M公司提出的七氟異丁腈C4F7N、GE公司提出的C4F7N/CO2、中國科學院研究的C4F7N與N2或CO2等環(huán)保混合氣體）。

GIL自20世紀70年代進入工程應用以來，主要采用SF6氣體絕緣，是當前最成熟的技術(shù)方式，但SF6氣體具有強溫室效應，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）為23800、大氣壽命為3200年，被國際上列為限制排放的氣體，尤其是對于高壓和特高壓GIL，每公里氣室使用的SF6近10余噸，環(huán)保壓力巨大。因此，20世紀90年代，以降低溫室氣體排放和成本的SF6/N2混合氣體絕緣型GIL逐漸進入技術(shù)研究領(lǐng)域，21世紀初實現(xiàn)了產(chǎn)品化和工程應用。隨著全球低碳發(fā)展時代的到來，新一代環(huán)保氣體絕緣型GIL在2010年左右被提出，美國GE公司采用七氟異丁腈與二氧化碳（C4F7N/CO2）構(gòu)成絕緣氣體，研制的420千伏GIL于2017年在英國投運，標志著環(huán)保型GIL進入工程起步階段。

隨后，美國、加拿大、德國、日本、沙特阿拉伯等相繼建成了較長距離的GIL，總長度超過700公里，電壓等級覆蓋72~1200 千伏，其中550千伏和420千伏應用最普遍。

美洲自20世紀60年代開始研究GIL技術(shù)，1972年美國新澤西州哈德遜電廠安裝了世界上首條交流GIL線路，額定電壓242千伏，額定載流量1600安培，采用直埋敷設方式；加拿大鮑曼維爾（Bowmanville）GIL工程建造于1985～1987年，是目前世界上額定通流能力最大的GIL工程，其額定電壓550千伏，最大額定電流8000安培，全長3.2公里，采用地上鋼架支撐結(jié)構(gòu)。

歐洲首個GIL安裝于1975年建成的德國施盧赫湖的韋爾（Wehr）抽水蓄能電站，額定電壓380千伏，額定載流量2000安培，全長4.2公里，采用山體隧道敷設方式；瑞士日內(nèi)瓦PALESPO會展中心GIL工程于2001年建成，首次采用西門子公司第二代GIL，采用SF6/N2混合氣體絕緣（SF6與N2氣體體積比為1:4），SF6用量的減少降低了建設成本，其額定電壓300千伏，額定電流2000安培，全長2.56公里，采用地下隧道敷設。

亞洲典型的GIL工程有日本名古屋新名火—東海（Shinmeika-Tokai）線路，于1998年建成，額定電壓275千伏，額定載流量6300安培，全長3.3公里，采用隧道安裝，特點是隧道上層為雙回GIL，下層為液化天然氣管路，以及采用現(xiàn)場焊接安裝方式。另外，沙特阿拉伯PP9工程于2004年在首都利雅得建成，額定電壓420千伏，額定電流1200安培（55℃以下），全長17公里，采用地上鋼結(jié)構(gòu)支撐，實現(xiàn)了在晝夜溫差大、沙塵較多等沙漠氣候下電能的安全高效傳輸。我國淮南-南京-上海1000千伏交流特高壓輸變電工程蘇通GIL綜合管廊工程于2019年9月建成，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)和創(chuàng)新水平最高的GIL工程，額定電壓1000千伏，額定電流1600安培，全長5.5公里，采用江底隧道方式敷設。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊

（二）電網(wǎng)GIL技術(shù)的主要特征

電網(wǎng)采用的主要輸電方式有架空輸電和地下輸電方式。相比傳統(tǒng)的架空輸電線路，地下輸電方式在我國得到了越來越多的應用。目前已建成的地下輸電線路中，最普遍的是固體絕緣電纜，其次是GIL。固體絕緣電纜主要應用于10千伏～220千伏電壓等級。與架空輸電線路相比，電纜線路工程占地少，對城市環(huán)境影響較小，不受外界大風、雷電等外部自然環(huán)境影響，供電可靠性相對較高，有利于提升城市發(fā)展空間，但造價水平較高、載流量相對較低、施工工期一般較長。相比架空輸電線路和電纜線路，采用GIL的優(yōu)勢比較明顯。主要特征闡述如下。

1.輸電容量大且適應電網(wǎng)能力強

GIL是架空線路的理想替代或補充方案。電纜線路輸送電流一般不大于2200安培，而GIL線路輸送電流可到8000安培、輸送容量達到4000兆伏安。GIL可與任意截面的架空線路匹配且不需要降低容量，與電纜線路、電廠變壓器等開關(guān)設備也可靈活連接，適應能力好。

2.輸電損耗和電容負載低

由于導體和外殼截面大，電阻損耗很小，GIL的額定電流越高，在相同輸電容量下其損耗低的特性更加顯著。GIL的電容小，一般為55微法每公里，不僅涌流小，而且在傳輸距離100公里左右的情況下通常不需要或僅需很少的補償線圈，能夠有效降低電網(wǎng)的熱損耗。

3.抗自然災害能力強

GIL屬于封閉結(jié)構(gòu)，相對架空輸電線路，具有良好的抗冰凍雨雪性能，尤其是在龍卷風、臺風等極端天氣高發(fā)區(qū)，采用地下敷設方式的GIL是應對自然災害、保障電力穩(wěn)定供應、提高電網(wǎng)安全可靠性的理想方式。

4.電磁干擾較小

GIL導體電流在外殼內(nèi)會感應出同樣大小但相位差180°的電流，兩個電磁場疊加結(jié)果接近為零。因此，在周圍環(huán)境需要限制磁場的情況下，相對架空線路和電纜線路，可靠接地的GIL能夠?qū)崿F(xiàn)低磁場要求。特別是當輸電線路靠近居民區(qū)，或?qū)τ谑褂渺`敏電子設備較多的企業(yè)單位，低磁場是非常普遍的需求。

5.安全性較高且設備壽命長

如果GIL管道內(nèi)部發(fā)生絕緣故障，所引發(fā)的電弧被封閉在管道內(nèi)部，不會對外部人員和設備形成危害。另外，GIL所用的全部材料都是阻燃型，不會燃燒，有利于防火安全。GIL采用氣體絕緣，絕緣件的電場強度和GIL的最高溫度均不足以產(chǎn)生電老化或熱老化，GIL的制造材料具備抗電氣和熱老化特性，預計壽命通常能夠達到50年。

6.占地少且環(huán)境友好

GIL通常采用地上鋼架支撐、直埋或隧道敷設方式。在同容量輸電的條件下，較架空線和電纜線路的占地少，尤其是地下敷設方式，能夠有效釋放城市土地資源，提升城市發(fā)展空間，美化城市景觀環(huán)境，實現(xiàn)安全供電和線路“隱形”的雙優(yōu)效果，有利于滿足居民對電力的需求和對美好生活環(huán)境的追求。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

二、GIL設備設計和技術(shù)應用需要關(guān)注的主要問題

（一）GIL設備設計需要關(guān)注的主要問題

GIL設備主要由外殼、中心導體和絕緣子構(gòu)成，外殼與中心導體同軸布置。其中外殼是容納絕緣氣體的鋁合金壓力容器，有成型管材、板材卷焊及帶材螺旋焊；中心導體一般采用管型設計、承載工作電流，采用高導電率的鋁合金管材；絕緣子在殼體內(nèi)部安裝，絕緣子附近裝設有微粒陷阱捕捉金屬微粒，提高GIL絕緣可靠性。

GIL在電氣性能上與架空線較為相似，區(qū)別之處在于GIL導體密封于外殼中，不僅能夠防止灰塵、潮濕空氣、冰雪及腐蝕性氣體等環(huán)境因素對輸電線路的影響，也能夠保持GIL電氣性能的穩(wěn)定性。然而，GIL特殊的設備結(jié)構(gòu)和超大容量的通流能力，要求在設備設計中應關(guān)注如下問題。

1.GIL設備氣體密封性能

當GIL設備采用隧道安裝或其他密閉環(huán)境安裝時，由于空間密閉性，一旦發(fā)生SF6絕緣氣體泄漏，一是其流通緩慢且不易排出，二是比重大容易在底層空間滯留，三是其本身無色無味不易使人察覺，因此可能在局部空間積聚，從而造成隧道內(nèi)局部缺氧，對巡檢人員產(chǎn)生潛在的窒息等安全風險。因此，需要從封閉系統(tǒng)的元件強度、系統(tǒng)設計、產(chǎn)品質(zhì)量和安裝控制四個方面進行嚴格控制，采用低氣體泄漏率的法蘭、密封槽、密封圈等密封措施，尤其是一般需要在法蘭對接處采用雙道密封結(jié)構(gòu)，保證SF6年泄漏率在0.01%～0.1%，滿足《氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術(shù)條件》（GL/T978-2018）相關(guān)要求。

2.GIL設備發(fā)熱處理

GIL設備發(fā)熱來源于導體通流產(chǎn)生的熱效應，取決于通流設計能力。通常GIL的通流截面積較大、可達10000平方毫米以上，電阻較小、通常每公里數(shù)毫歐，因此GIL通流能力強、傳輸容量大，然而在通過數(shù)千安培的大電流時，GIL的溫升和散熱問題不容忽略。通常，敷設在地面上的GIL設備的載流量由導體的最高溫度決定，直埋型GIL設備的載流量由外殼允許的最高溫度決定。通過在不同的敷設方式及環(huán)境條件下，采用不同的溫升計算方法確定GIL載流量，既使其達到較高的使用效率，同時也防止設備熱效應產(chǎn)生溫度異常而引發(fā)事故。

3.GIL的絕緣性能

GIL的氣體絕緣系統(tǒng)由絕緣子、鋁合金管材外殼以及絕緣氣體組成，目前采用SF6氣體的GIL設備相對成熟和普遍。實際上，GIL最初研發(fā)的基本原因是基于人造氣體SF6，SF6自19世紀20年代被發(fā)現(xiàn)，是一種無毒、惰性、不燃、不腐、具有長期穩(wěn)定性的氣體，因而具有非常好的絕緣性能。第二代及新一代GIL設備的替代絕緣氣體目前相比第一代GIL設備的滅弧能力和絕緣能力有所下降，尚需進一步探索研究。GIL設備典型絕緣設計包括絕緣氣體間隙場強控制和絕緣子場強控制。因此，在絕緣氣體確定的條件下，合理的場強控制是絕緣性能的關(guān)鍵。

4.GIL內(nèi)部電弧安全值

內(nèi)部電弧在GIL能夠發(fā)生的故障中是最嚴重的。內(nèi)部電弧是在發(fā)生故障時在GIL外殼內(nèi)產(chǎn)生的電弧，內(nèi)部電弧產(chǎn)生的原因可能是絕緣件失效引起的絕緣件表面或內(nèi)部電弧，也可能是由于絕緣氣體中的微粒或?qū)w或外殼的缺陷，造成電場強度高并引發(fā)絕緣氣體被擊穿而產(chǎn)生放電。因此，要保證GIL氣室長度（如1公里或更長），避免因氣室小而產(chǎn)生不安全事故，防止外殼燒穿、導體燒蝕、絕緣件受損及其他外部效應。

（二）GIL技術(shù)應用需要關(guān)注的主要問題

1.長距離GIL建設和運行經(jīng)驗不足

目前電網(wǎng)長距離輸電項目中投運的GIL線路極少，國內(nèi)建成最長的GIL工程為蘇通1000千伏GIL綜合管廊工程，全長5.5公里；在建的武漢江夏譚鑫培路500千伏GIL綜合管廊工程設計長度為6.25公里。更長距離的GIL輸電線路設計、施工、運行維護等難度更大。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

2.國產(chǎn)GIL設備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)亟待加強

早期國內(nèi)投產(chǎn)的GIL大部分以進口設備為主，近年來逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，但絕緣子工藝尚不成熟。絕緣可靠是GIL設備安全運行的重要保障，絕緣子是GIL的核心部件之一，如果對其生產(chǎn)、安裝工藝的掌握存在欠缺，對長期運行工況的考慮不足，那么在長期振動、溫度交替影響下，絕緣性能和機械性能將會發(fā)生變化，容易導致放電故障。如2019年，某變電站GIL交接耐壓時出現(xiàn)三支柱絕緣子炸裂，主要是受該三支柱絕緣子環(huán)氧絕緣件制造工藝限制。

3.GIL應對地勢沉降和抗震問題

GIL為剛性輸電線路，在鋼架上、隧道或綜合管廊內(nèi)需整體擺放，對水平和豎向的精度要求非常高，不均勻沉降必須控制在相當小的范圍內(nèi)。一旦GIL設備基礎發(fā)生沉降或位移，極有可能會導致GIL設備損壞，進而危害供電的安全性和可靠性。特別是當GIL管廊與地鐵、鐵路、公路等距離較近時，車輛運行也會對GIL管道產(chǎn)生一定影響。

4.GIL故障周期長修復問題

近年來隨著GIL工程的逐漸增多，運行故障有所增多。發(fā)生的故障主要有絕緣擊穿（大多是因為三支柱絕緣子或盆式絕緣子故障）、漏氣、局部放電、局部過熱、設備變形等。GIL線路出現(xiàn)故障后，需進行故障點查找、故障點修復或更換局部GIL段、現(xiàn)場試驗等工作，修復周期一般需要10天。如某工程大規(guī)模應用GIL以來，故障率明顯增加，2019年故障期間，電力受端負荷核心區(qū)被迫中斷受電，導致負荷中心出現(xiàn)大額電力缺口，供電安全受到極大考驗，而送端水電則大量棄水，造成能源資源浪費。

5.GIL工程造價問題

與架空線路相比，電纜和GIL的投資較高，需要在工程實踐中予以解決。隨著電壓等級的升高，其工程造價技術(shù)經(jīng)濟指標則有所下降。對于500千伏電壓等級，GIL輸電線路造價約是架空輸電線路的13倍，當電壓升至1000千伏時，將降至10倍或更低。

三、GIL在電力系統(tǒng)中的應用前景展望

（一）主要應用場景

碳達峰、碳中和將改變發(fā)電結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)也將隨之發(fā)生根本改變。我國應用GIL輸電技術(shù)已近30年，積累了豐富的設計、安裝和運行維護經(jīng)驗，其大容量、高電流、占地少、抗自然災害能力強、與電網(wǎng)的適應性好等優(yōu)點，決定了GIL輸電技術(shù)將得到越來越廣泛的應用。在未來的電力系統(tǒng)中，GIL輸電技術(shù)的應用場景將主要體現(xiàn)在以下方面。

1.發(fā)達地區(qū)新建輸電線路或老舊輸電線路改造

隨著我國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設，城市土地資源愈發(fā)珍貴。在城市發(fā)展中心區(qū)域，以及發(fā)達地區(qū)城鎮(zhèn)用地范圍內(nèi)，架空輸電線路占用大量土地和空間資源，與城市快速發(fā)展和居民對美好景觀需求的矛盾日益突出，尤其是城市新建架空線路往往存在走廊緊缺、拆遷范圍廣、拆遷工程量及征拆協(xié)調(diào)難度大等突出問題，具有引發(fā)社會不穩(wěn)定因素的潛在風險。為了適應城市現(xiàn)代化發(fā)展和新型城鎮(zhèn)建設的需要，結(jié)合新區(qū)建設、舊城改造、道路新（擴、改）建，在城市重要地段和管線密集區(qū)采用地下輸電方案，已成為電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢，也將成為GIL在未來替代架空輸電線路的重要方向。

GIL輸電線路

2.大型近岸與深遠海風電的電力輸送

根據(jù)國家能源局發(fā)布的《2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)》，2020年底風電和太陽能發(fā)電裝機分別達到2.8億千瓦、2.5億千瓦，較2015年呈倍速增長趨勢。考慮我國2030年風電和太陽能發(fā)電將達到12億千瓦以上的目標，新能源在“十四五”及“十五五”期間的發(fā)展依然強勁，尤其是海上風電將成為風電發(fā)展的重點。采用GIL輸電隧道接入海上風電，能夠?qū)崿F(xiàn)在集中化、大容量輸送電量的同時，有效避免海上強風災害和鹽霧腐蝕，降低海上風電平臺火災事故，減少陸上連接點，降低海岸沿線占地和景觀影響，保護海岸及海洋環(huán)境。

3.水電站出線線路

我國首條GIL線路是天生橋水電站GIL線路工程，始于20世紀90年代初期。其后，拉西瓦、錦屏一級、溪洛渡及烏東德等水電站陸續(xù)建成投運GIL線路工程 ，主要利用GIL的剛性特點，采取垂直豎井與水平廊道相結(jié)合的敷設方式，解決水電站高落差電力送出問題。隨著我國大型水電站的開發(fā)建設，應用GIL技術(shù)連接主變壓器和開關(guān)設備或架空線路，仍將是GIL應用的主要方面。

（二）需要進一步解決的技術(shù)難題

GIL技術(shù)是一種大容量輸電技術(shù)，20世紀60年代發(fā)明、70年代投入工程應用以來，已在國內(nèi)外多個工程上應用，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。未來GIL輸電技術(shù)可在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)電力新建和改擴建、大型新能源接入系統(tǒng)、水電站送出等方面發(fā)揮重要作用。同時，隨著清潔低碳發(fā)展浪潮的推動，新一代環(huán)保型GIL將成為其發(fā)展的核心內(nèi)容。另一方面，隨著GIL在高電壓等級甚至特高壓工程上的應用，GIL運行安全可靠性要求將越來越高，如何提高氣密性水平和絕緣技術(shù)水平、降低放電故障、抑制過電壓、提高電弧故障定位率等都是當前亟需解決的技術(shù)難題。

參考文獻

（1）[德]Hermann Koch著.沈威,楊思民,楊建軍譯.氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

（2）國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院.氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）[M].北京：中國電力出版社，2018.

（3）李鵬,李志兵,孫倩,等.特高壓交流GIL輸電技術(shù)研究及應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017,41（10）：3161-3167.

（4）高克利,顏湘蓮,王浩,等.環(huán)保型氣體絕緣輸電線路（GIL）技術(shù)發(fā)展[J].高電壓技術(shù),2018，44(10):3105-3113.

注：文中圖片來源于網(wǎng)絡。