高品质压缩空气作为GIL绝缘介质的可行性分析

维依埃龙源电工研究院 宋邦申

1 前言

气体绝缘金属封闭输电线路（英文缩写是GIL，以下采用英文缩写）具有传输容量大、损耗小、电容小、占地少、可靠性高、适用于恶劣环境的特点。GIL在全世界范围内具有多年的使用经验，而且国内也有大量工程案例，随着其技术的不断发展，传输距离不断加长，绝缘气体的使用量也不断扩大，但现如今GIL使用的绝缘介质还主要局限于SF6气体和N2/SF6混合气体两种。但是从目前地球环境的角度来看，这两者依然不是GIL最为理想的绝缘气体。

世界上许多国家的科研单位、院所、制造企业都在寻找SF6气体的替代气体。作为敢于承担国际社会责任的发展中大国，中国勇于承担国际责任，在2009年12月在哥本哈根召开的联合国气候变化会议上提出了自己的减排目标，近而给国家电网也提出了节能减排，资源友好的要求，因此作为使用SF6气体比较多的电力行业也在不断的探索。近两年来，我国部分院所也在进行环保型压缩空气作为GIL绝缘介质的研究，并且取得了可喜的成绩，现已经进入样机试制阶段。

国家电网公司在《国家电网公司“十二五”及中长期科技发展规划战略研究——一次设备智能化关键技术专题报告》中提出了发展环保型压缩气体绝缘管道输电技术的概念，并认为环保型压缩空气管道输电技术的发展对构建坚强智能电网具有重大的战略意义，而且国家电网公司准备在2010—2015年这五年建设一个550kV环保型压缩气体管道输电的示范工程。报告中所指的环保型压缩气体就是被视为最为理想的环保型气体的压缩空气或者是其主要组成部分氮气N2。本文所说的高品质压缩空气是指通过干燥净化处理的压缩空气，本文就从以下几个方面对其用作GIL绝缘介质的可行性与SF6气体或其混合气体进行对比。

2 绝缘可靠性

根据过去使用普通压缩空气作为绝缘介质的经验并结合最新研究，相关文献得出了压缩空气的工频击穿特性曲线（见图1）。当然，空气间隙的击穿电压随气压的升高而提高，但是这种随着间隙距离的增加而提高的击穿电压有明显的饱和特性，而且随着间隙距离的增大（电场不均匀增加），其饱和速度越快。另外理论研究证明，在均匀电场作用下SF6气体间隙的击穿场强大约是同等条件下普通空气间隙的三倍（见图2），而且电场的不均匀程度对SF6气体间隙击穿电压的影响要比空气大的。随电场不均匀程度的提高，SF6气体间隙击穿电压与空气间隙击穿电压的差值将逐渐缩小。由于GIL的内部结构是按同轴电极来设计的，它的不均匀系数为1.7左右，属于稍不均匀电场，无论如何设计和优化都不可能做到均匀电场，只能在设计时尽量做到让电场分布均匀，亦就是说，在电力设备中真正运用的SF6气体间隙的击穿场强只有空气间隙的两倍多。对于采用干燥净化的高品质压缩空气作为绝缘介质的GIL，其间隙的击穿场强可能还要稍高于普通压缩空气的击穿场强。因此，只要选择适当的压力和绝缘距离，电场设计的合理，高品质压缩空气完全可以达GIL所需要的绝缘水平。

图1 压缩空气的工频击穿特性

图2 均匀电场中不同绝缘介质击穿电压与距离的关系

3 环保合法性

SF6气体为1997年12月签署并于2005年2月16日开始强制生效的《京都议定书》中规定的6种限制减排的温室气体之一。中国政府于1998年5月签署并于2002年8月核准了该议定书，同时中国政府明确表示将保护环境作为一项长期的基本国策，将科学发展观作为执政理念，明确提出了节能减排的具体任务，并承诺将继续承担应有的国际责任和义务。因此SF6气体以及含有SF6气体的混合气体在今后的使用中都将受到限制，特别是用气量非常大的GIL输电线路。

虽然现在生产制造厂都承诺充SF6气体绝缘设备能满足相关标准规定的年漏气率不大于0.5%的要求，而且许诺20年甚至30年免维护或少维护。但是充SF6气体绝缘设备不仅在产品的装配、调试过程、气体质量测量、产品的运输转移、设备检修时会出现不可避免的微小泄漏，以及在标准允许范围内的泄漏都或多或少的给环境带来危害；更可怕的是，到生产厂家承诺的20～30年后，已经大量投入运行使用的SF6气体绝缘设备将会进入大规模的维护或更换，到时候将会给环境治理带来很大的压力。而采用压缩空气作为气体绝缘介质的GIL，是为环境而设计的，从调试、装配到报废都对环境给予了充分考虑，不会给环境产生任何负担，对环境是友好的。

4 成本经济性

环保型压缩空气的气源是普通空气，是无成本的，是取之不尽用之不竭的，而且可以直接排放到大气中，不需要回收处理；为了提高压缩空气的绝缘性能、减少气体内部杂质，即使采用高品质的压缩空气作为绝缘气体，也仅仅需要一套干燥净化设备就可以将气源处理到水分含量接近于纯氮的水分含量，投入较少；然而SF6气体则是商业化经营的气体，价格较高，而且在产品检修时不允许排放到大气中，对于含SF6气体的产品在处理内部气体时需要将内部SF6气体通过专用回收设备或N2/SF6混合气体分离设备进行回收处理，额外地增加了回收、处理和储存成本。而且回收的SF6气体如果再次使用，也必须净化处理达到新气标准才可以。更何况GIL的绝缘气体使用量非常之大，采用高品质压缩空气后的用气成本将明显降低。

以美国AZZ公司供货的GIL为例，550kV纯SF6气体绝缘的GIL仅单相米就需要用SF6气体约5.72千克，以市场价100元/千克计算，每公里三相用气大约17吨，就可以节约170万元/公里。采用含有20%SF6气体的N2/SF6混合气体（其充气压力约为纯SF6气体充气压力的1.4倍）作为绝缘气体的GIL其SF6用气量虽然仅为纯SF6气体用气量的28%，但是每公里三相亦需要约5吨的SF6气体，也可以节约大约50万元/公里。如果采用高品质压缩空气则这部分成本对于适合于长距离输电的GIL将会更为可观。

5 危害及局限性

SF6用于电器设备内时，无论是在故障情况下或是在正常的开断电弧作用下可能分解产生氧、硫的氟化物和金属氟化物粉末。经验表明，工作人员在即使是含有非常微量的分解物的环境中，也会感到刺鼻或不舒服的气味，对鼻、口及眼等有明显的刺激。而且SF6常温常压下的密度约为空气密度的5倍，其气体有使人窒息的危险，特别是隧道涵洞铺设式需要附加的通风透气设施，来降低其含量。由于SF6气体在大气中存活的寿命约为3200年，而且其对大气的温室效应是CO2的23900倍，因此SF6气体是非常强烈的温室气体。相反采用压缩空气作为绝缘介质GIL不仅可以做到年泄露率低于0.5%，而且即使存在泄露对环境和工作人员也不会存在任何危害，也不会给温室效应带来负担，是纯环保的。SF6气体中电弧切断后的冷却速度非常迅速，绝缘恢复能力强，是空气的100倍左右，因此对于对绝缘介质的灭弧性能有要求的电力设备来讲，SF6气体仍然是最好的选择。

另外，由于SF6气体液化温度比较低，可能被液化的最高温度为45.6°C，对于纯SF6气体20°C时额定充气压力为0.5MPa（绝对压力）时，只能适用于-40°C环境，而对于N2/SF6混合气体（体积比4：1）额定充气压力为0.7Mpa（绝对压力）时，可以适用于-50°C。因此纯SF6气体绝缘的GIL很难适用与严寒地区，N2/SF6混合气体则将使产品更适合于低温严寒地区。由于通过对普通空气进行高燥处理完全可以达到高纯氮的水平，因此如果能将高品质压缩空气用于GIL产品，GIL产品也将不需再考虑低温液化问题。

6 使用普及性

由于本身的负电性使SF6气体具有良好的绝缘和灭弧性能，这一点是不容置疑的，因此在40.5kV以上中压产品和126～550kV高压电器产品中被广泛用作灭弧和绝缘介质，具有几十年的成功运行经验。而随着世界环保意识的增强，限制使用温室气体的呼声越来越高。现在国外7.2～24kV中压充气柜C-GIS采用普通压缩空气作为绝缘介质的产品已有很多，采用干燥净化压缩空气作为绝缘介质的72.5～145kV高压瓷柱式VCB、84kV罐式VCB等高压电器产品也由日本AE帕瓦株式会社研发成功，并已经形成产业化。因此随着社会对高品质压缩空气绝缘性能研究的深入，在不需要考虑开断和灭弧的高压电器设备上的运用实例将会越来越多。

7 工程可操作性

根据前面的对比分析可知，基本可以认为高品质压缩空气作为GIL绝缘介质完全是有可能的。然而有些技术人员也对高品质压缩空气绝缘GIL工程的可操作性提出了一些疑问，如有些人认为压缩空气绝缘的GIL充气压力肯定会有点高，用户心理上可能有点难以接受。其实认为这个压力高，是相对纯SF6气体绝缘GIL而言的，根据部分厂家现阶段对高品质压缩空气GIL研究性试验证明，压力亦仅为十几个大气压，该压力相对于燃气输送管道压力低很多，而且壳体强度都是通过严格计算和试验证明了的，是绝对安全的不用担心；还有些人认为压缩空气在高压力下微水量难于控制需要经常排凝露水，主要是因为他们的想法还局限于普通压缩空气作为绝缘介质。殊不知，随着压缩空气净化技术水平的发展，普通空气经过干燥净化处理后，压缩空气的气源质量可比SF6新气气源质量还高，甚至接近于高纯氮的水分含量水平，现在研制的净化装置高品质压缩空气气源的大气露点可以做到低于-70°C；还有些人认为为了维持GIL内部气体的压力稳定需要沿着输电线路全线设置压气站，但是本人却认为GIL完全可以根据工程需要划分适当的气体隔室来解决长距离的气压稳定问题，这样隔室之间、隔室对外界之间都保证密封，既可以便于GIL工程的施工维护，满足现场施工的可操作性，也可以防止产品某段出现故障时祸及其它完好气隔单元，也便于对绝缘气体的质量及泄露量进行检测和测量。

当然高品质压缩空气绝缘介质的采用，还需要很多试验以及工程实践来验证，通过工程的检验可能还会出现一些问题，但是通过对高品质压缩空气研究的不断深入，问题肯定会不断的得到解决。

8 结束语

高品质压缩空气与SF6气体在灭弧能力上存在很大的差别，在绝缘性上也有一定的差距，但是气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）关注的仅仅是气体的绝缘性能，因此只要电场结构设计合理、充气压力选择适当，高品质压缩空气作为GIL的绝缘介质是完全可行的。该类环保型高品质压缩空气绝缘的GIL环保性优良，具有良好的社会效益，亦将会是今后发展的新方向。当然许多理论数据还只是在实验室进行的结果，还不可能完全适用于生产应用领域，我们还必须进行继续研究并结合今后的样机试制及试验掌握压缩空气的绝缘机理，并通过示范工程建设掌握压缩空气绝缘输电线路的实际运行性能，积累运行经验。当技术成熟时，可以将高品质压缩空气绝缘技术运用到GIS的母线筒和隔离开关模块等不存在灭弧要求的结构部分。当然任何新技术、新产品的推广都需要一定的时间，人们对高品质压缩空气绝缘GIL接受也需要一个过程。因此它也需要引起我们国家及政府的高度重视，在资金和政策上给予支持和帮助。

1.国家标准:GB/T8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》.

2.国家标准:GB7674-2008《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》.

3.施围、邱毓昌、张乔根编著《高电压工程基础》[M]北京,机械工业出版社,2006.6.

4.陈轩恕等《高压长距离压缩空气绝缘输电线路的发展前景》,高电压技术（2009.12）.