GIL气体绝缘管道输电方案研究

黄家圣 刘翰柱 郑 旺

（西南电力设计院，四川 成都 610021）

GIL气体绝缘管道输电方案研究

黄家圣 刘翰柱 郑 旺

（西南电力设计院，四川 成都 610021）

GIL作为一种新的输电方式，在国内外得到一定的发展和应用。与电缆和架空线相比，有其明显的优势，电阻损耗明显降低，不受外界环境的影响，无电磁环境影响，运行维护成本低，使用寿命长，其缺点是造价高。介绍了GIL的特点、结构、制造、安装方式、选型、国内外应用及发展，对走廊拥挤段采用GIL输电方案进行了探讨。

GIL；输电

前言

四川西部金沙江、雅砻江、大渡河水电资源丰富，根据规划，将有多回500kV送出线路经过海拔3000～4000m的二郎山通道，地形、地质、气象条件均十分恶劣，走廊极为拥挤。为此，我们开展了架空、电缆、气体绝缘管道输电方案研究。

气体绝缘管线（Gas Insulated Line－GIL）输电方式是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。

GIL作为当今世界的先进输电技术，提供了一个紧凑、可靠、经济的电力输送方式。GIL的设计提供了有效的电磁屏蔽以保证最小的线路走廊要求并保证周围环境与安全。随着输电环境的日趋复杂以及可靠性要求的不断提高，GIL得到了一定的发展和应用，全世界已拥有气体绝缘输电线路100km以上[1]。

1 GIL特点

（1）GIL为刚性结构，标准化生产，加工精度高，有很高的可靠性，故障率低，无老化问题，几乎无使用寿命的限制。（2）GIL传输容量大，输送功率可达4GW及以上，目前生产最大电流为8000A。（3）电能损耗小。相比架空线路和电缆，GIL的输电损失最小。原因在于它的电阻小，其值约为6mΩ/km，而架空线约为30mΩ/km，电缆约为20mΩ/km。（4）电容电流小。（5）无电磁干扰。GIL的导线电流在外壳内会诱发一种同值反向电流，因此GIL外部的电磁场可忽略不计。（6）不受敷设高差和弯曲半径限制，也不受大气和环境影响，安装简便、快捷，不会产生导体滑动，也无需特殊工具，终端连接简单方便。（7）运行维护工作量小，年漏气率只有0.5%（系统设有具有温度补偿的气体密度监测仪），基本不检修。（8）安全性高。以SF6气体或SF6和N2混合气体作绝缘介质，不会燃烧，有利于防火设计，有利于劳动安全防护。（9）一次设备投资较大，约2万元/m，一般投资为架空线路的10倍以上，最低为5～7倍。但在大容量高电压输送中，其投资低于电缆线路。

2 GIL结构

GIL输电系统由导体、外壳、支持绝缘子、导体连接4个主要部分构成[2]。

系统详细说明和主要元件如下：

（1）导体。采用导电性能高的铝合金材料，作用是传输电流。导电管的厚度与载流量有关，外径与电压等级有关。（2）三柱式支撑绝缘子。材料为环氧树脂，三个支柱呈120度排列，作用是支撑导电管并保持导电管与外壳同心。绝缘子直接熔铸在导体铝套筒上。（3）盆形绝缘子。在母线内适当地方必须装有气体或污染隔离栅，办法就是使用盆形绝缘子，其材料为环氧树脂。盆形绝缘子用于气隔的划分，并承受垂直布置方式下导电管的重量。（4）绝缘气体。其作用是用于导电管与外壳之间的绝缘。早期的GIL采用绝缘性能良好的SF6气体，气压0.44～0.515MPa。由于采用100%SF6气体其价格昂贵，为了降低成本，现在国外改用80%N2/20%SF6混合气体，气压0.7MPa。1－套管单元；2－三通装配；3－波纹管及伸缩节；4－母线；5－隔离组件单元；6－避雷器连接件；7－电缆终端连接件；8－支架

图1 GIL组件示意图

（5）外壳。采用高强度和高导电性能的铝合金材料。外壳内径主要与电压等级有关。（6）T型接头装置。其作用是完成母线系统改变方向或多点并联接。（7）套管组件。套管组件由一个瓷质外壳和气体绝缘母线的接头组成，其作用是完成管道母线与其它线路的连接。（8）颗粒吸附器。在每一个绝缘子与外壳间环绕一个环形微粒收集器，其作用是将现场装配时因疏忽而产生的杂质收集到微粒收集器内部，防止微粒引起闪络。（9）导电管连接组件及导电管插座式触头。其作用是用于GIL段与段之间导电管的插接式连接。（10）双“O”型密封圈。用于GIL段与段之间采用螺栓连接时的密封。双“O”型密封圈的使用可以提高连接处的密封性能，外密封圈可以延长内密封圈的使用寿命。（11）焊接垫环和“O”型圈。其作用是在GIL段与段之间采用焊接连接时，提高焊接速度，且不会污染GIL内部。（12）波纹管和伸缩节组件。其作用是用以补偿壳体的热胀冷缩以及管道母线安装时产生的误差。另外，当检修产品时，还可以利用伸缩节组件进行解体，使得检修装卸变得十分快捷方便。（13）母线支撑。母线段必须间隔地从基础或其它结构上支撑。每一种安装都有一个独特支撑位置的选择，详细设计以保证母线适当支撑。由于铝具有高热膨胀比率，所以必须同时提供母线固定型式支撑和热胀冷缩期间允许母线移动的滑动支撑。（14）制造长度。500kV气体绝缘输电管道母线的制造长度主要受管材制造技术和出厂运输条件以及现场运输条件的限制。目前国外生产厂家最大制造长度为20m，国内生产厂家制造长度可达10m以上。受运输条件限制，GIL的交货长度一般为5m～12m。

3 GIL的安装技术

3.1 GIL的安装方式

GIL主要有3种安装方式：直埋型、户外架空型与隧道布置型。

（1）直埋型：在铝合金外壳包绕沥青玻璃丝带，起防腐和直埋缓冲作用。连接方式采用现场焊接，大约每百米设计充气、压力释放以及密度监测装置井。（2）户外架空型：采用钢支架、任意高度任意走向。连接方式可采用焊接或法兰连接。在有腐蚀性气体的场所或海边可涂一层白色漆防腐。对法兰连接方式，应涂防水胶以防密封圈老化。（3）隧道布置型：采用钢支架，水平、垂直布置均可，连接方式可采用现场焊接和法兰连接，无需采用防腐、防水措施。

GIL外径如为512mm，相间轴向间距1100mm，规划线路4回，中间留2个宽1500mm的检修通道，通道两侧垂直排列各布置一回，则断面尺寸5400mm×3100mm。

由于每个厂家的制作工艺、水平以及设计方式各不相同，所以GIL产品的规格、尺寸也各不相同。基于这个原因，GIL隧道断面尺寸也会因为产品的不同而不同。

当然，具体采用哪种安装方式，还要根据具体工程的具体情况结合工程现场的地形限制、安装维护来综合加以考虑。

3.2 GIL的安装条件

由于GIL特殊的结构原理，对于GIL的安装条件有严格的要求。安装必须选择在干燥、无风的晴天，尽量避免水分及粉尘的进入，而且时间要尽可能短，防止绝缘部件受潮。要特别注意雨天严禁施工。

3.3 GIL的安装步骤

GIL现场安装工作量大，难度高，因此，需合理安排安装顺序及设置先进安装设备，以保证质量和工期。

安装前要开箱检查，准备好安装时用的设备、工具和材料。

安装步骤：

1）检查地基、固定支架。2）严格按照安装使用说明书进行安装和焊接。3）抽真空、充SF6气体。4）高压试验。

4 GIL的发展

GIL从1970年开始在世界范围内投入使用。用于电能传输的GIL与SF6全封闭组合电器（GIS）的母线在结构上类似，因此GIL的发展进程基本与GIS同步。

GIL输电系统最初是由美国高压开关公司和麻省理工学院首次合作开发完成，其第一个用于商业的GIL系统已于1972年安装。1974年西屋电气公司购买了生产专利。ABB Power T&D于1989年也购买了生产专利。1999年美国AZZ电气集团合并收购了这条生产线[1]。

德国西门子公司生产的第一条气体绝缘输电管线（GIL）于1974年用于德国Schluchsee市的抽水蓄能电站。

日本电力工业中心研究机构早在1963年就对SF6气体绝缘输电线路（GIL）开始了基础理论研究，实现了与架空线路传送容量相一致的大容量地下传输线路。紧接着东京电力公司和关西电力公司对GIL的小型化和实用化进行了研发，这些GIL已经被应用在154kV～500kV的传输线路中。自从1979年将GIL首次应用于154kV线路以来，如今在日本已经可以建造应用于500kV线路的GIL。从1992年起日本开始对长距离GIL进行研究，并将其应用在Shinmeika－Tokai传输线路上[3]。

现在GIL已经发展到第二代技术。第二代GIL是为瑞士日内瓦机场旁的Palexpo展厅六工程设计的。该工程全长约450m，单相铝管结构。在研发第二代气体绝缘输电管线时，将降低至少50%的费用放在首位。为了实现这一目标，采用了以下新技术和措施[3]：

（1）将GIL做成模块式结构，整个GIL输电系统采用4种标准模块：直线组件、弯角组件、隔离组件以及补偿组件。（2）将昂贵的100%SF6气体绝缘改为80%N2/20%SF6混合气体绝缘。研究表明：当SF6气体为20%组份时，绝缘强度在0.3MPa下约为15kV/mm。这相比100%SF6气体组份时的18kV/mm约减少20%，但SF6气体的体积却减少80%，大大降低了成本。（3）采用轨道焊接技术。（4）采用管道铺设技术。

5 国内外应用情况[1]

（1）黄河拉西瓦水电站GIL出线。（2）岭澳核电站项目。GIL用于连接500kV主变压器于500kV开关站，长度约500m。（3）PP8电站。PP8电站位于沙特阿拉伯，其GIS变电站设置于电站末端对面，变压器的输出需要通过一个相当长的距离到达GIS。GIL布置是由3回380kV在架空钢支架上相互重叠，连接在升压变压器核GIS之间，平均一回线路长度为750m，重叠线路布置大部分共用同一钢支架。（4）Revelstoke水电站项目。Revelstoke水电站位于加拿大B.C.省，从变压器断路器到GIS之间的连接采用两回500kVGIL管道母线，允许沿隧道墙壁紧凑安装，并且因为它的外壳接地，所以使隧道具有最小空间，这种线路布置对工作人员没有触电危险。

图3 黄河拉西瓦水电站GIL出线

图7 Revelstoke水电 站GIL隧道

（5）Claireville项目。Claireville水电站位于加拿大安大略省，最早于1975年投入运行并历经几次扩建，其中包括3回550kV出线。

6 GIL的选型

6.1 GIL的相数

气体绝缘管道母线分为两种：（1）单回3相；（2）三相式GIL，即多回的载流量集中在一个三相管母线中。但每单元GIL重量是单相式的3倍，连接工序中对3个导体位置的同时调整非常困难，隧道中的连接是非常困难的，由于直径变得较大，不能使用挤制管道作为外壳，由三相共体引起的造价减少微乎其微，所以一般不采用三相式。

6.2 GIL的技术参数[3]

表1 第二代GIL的技术参数

根据厂家提供的技术参数，可进行具体工程的选型，或提出技术规范书，通过招投标采购。

7 结语

GIL与电缆和架空线相比，有其明显的优势，电阻损耗明显降低，不受外界环境的影响，可靠性、安全性极高，外部的电磁场可忽略不计，无电磁环境影响，运行维护成本低，使用寿命长。其缺点是造价很高。

GIL作为一种新兴的输电方式，在国内外得到一定的发展和应用，但国内输电线路上还没有先例，应该积极探索研究。

在地形、地质、气象、交通条件恶劣或走廊拥挤段可以作为一种可选的输电方式。结合具体工程深入分析，综合考虑各方面因素来决定是否采用。

[1]美国CGIT公司，《压缩气体绝缘输电管道系统》，2004年2月.

[2]平高集团公司，《气体绝缘高压刚性输电线路》，2006年10月.

[3]T.NOJIMA,M.SHIMISU,《GIL在日本地下长线路输电中的应用》，上海电力，2005年第4期：433-439.

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