SF6替代气体技术及其在GIL中的应用与发展

安德宝 冯加坤 李涛

摘 要：科技在不断发展，社会在不断进步，我国综合国力显著加强，该文从SF6替代气体技术的发展入手，总结了国内外在SF6混合气体和新型环保绝缘介质的相关研究。在此基础上，回顾了气体绝缘输电管道的发展以及SF6替代气体技术在GIL中的应用。结合最近的SF6替代气体和GIL技术的发展近况，分析和探讨了GIL应用的相关问题。从GIL发展的历史可以看出，随着SF6/N2混合气体技术的不断成熟，第二代GIL（即SF6/N2混合气体的GIL）获得了成功的商业应用。新型环保绝缘介质一直处于积极探索之中，Alstom公司和ABB公司推出的C4F7N和C5F10O引起了广泛关注。虽然Alstom公司在420kV的GIL上进行了C4FK混合气体的性能测试，但由于其温升特性较差仍较难用于GIL中。因此，新型环保绝缘介质的GIL仍处在实验室研究阶段。但是，随着新型环保绝缘介质研究力度的不断增强以及GIL工程建设的不断发展，环境友好型气体将有可能取代SF6/N2混合气体作为绝缘介质从而开启第三代GIL的时代。

关键词：SF6替代气体;新型环保绝缘介质;气体绝缘输电管道;绝缘特性;混合气体应用

引言

随着我国电力工业事业和经济的迅猛发展，电力电网的装机容量需求日益增大。我国幅员辽阔，一次能源主要集中在广阔的西部地区和北部地区，而电力负荷中心集中在经济较为发达的东部地区、南部地区以及华北地区，电力负荷中心和一次能源分布极不均匀，使得我国实施了诸如西电东送、南北互补等一系列重要电力工程。由于西部地区水能资源丰富，新规划的超大型水力发电站多建于高山峡谷之中，且多将厂房将于地下，给电能输送造成较大困难;另一方面，在地理环境复杂、强电磁干扰环境、气候条件比较恶劣以及需要人文保护的地区，传统的架空输电线路和交联聚乙稀电力电缆（XPLE）难以满足大容量、长距离、高可靠性的特高压输电要求。

1气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）研究现状

目前在全世界范围内，73kV-1200kV电压等级的交流GIL应用已有报道，累计敷设长度已经超过750km，但直流GIL的应用仍然鲜见报道。直流GIL和交流GIL在生产，装配和现场运行等方面没有多大区别，两者之间的差异主要体现在绝缘设计上，包括导体与外壳之间构成的同轴结构气隙绝缘尺寸的选择，盆式绝缘子形状和支撑绝缘子形状的优化设计，同时还要考虑相应绝缘气体在直流电压作用下的绝缘性能。虽然到目前为止，直流GIL的应用仍然鲜见报道，但国内外学者对于直流GIL己开展了部分研究工作，主要侧重于直流GIL中金属导电微粒的影响和直流GIL中绝缘子表面电荷积聚。在长期直流电压作用下，GIL中的金属微粒将在绝缘子表面留存和积聚，并缩短绝缘子表面的沿面绝缘距离，从而降低绝缘子表面的沿面放电电压。因此需要采取措施抑制金属微粒，特别是绝缘子附近的金属微粒。目前在投入运行的交流GIL中采用微粒陷阱来捕捉绝缘子附近的金属微粒，但在直流电压作用下，由于电场方向不变，微粒可能直接运动到导杆周围，甚至绝缘子表面，因此在直流GIL中，抑制金属微粒的要求更严格。

2SF6替代气体技术及其在GIL中的应用与发展

2.1SF6替代气体的化学性质研究

当发生放电或过热故障时，SF6替代气体同SF6气体类似，会发生分解，生成气体和固体分解物。一方面，故障分解物将对电气设备的绝缘或灭弧能力造成很大威胁;另一方面，故障分解物与故障类型及严重程度关系密切，可作为故障识别的指标。与绝缘性能的研究相比，SF6替代气体化学特性方面的研究较少。但是，SF6气体的大量相关研究工作，如机理分析、分解物成因、故障识别指标和标准等，可为SF6替代气体的化学特性研究提供理论、实验基础以及实施方案参考等。SF6替代气体的化学特性及其与纯SF6气体对比的主要研究见表5。此外，EPRI在对几十种气体进行综合性评估时，特别提及了氟碳气体的碳化及其抑制的问题。表6为EPRI模拟火花放电时，几种氟碳气体的游离碳含量比。NIST在研究報告中指出SF6替代气体是否可行的准则之一是实际应用中不会形成碳或其他沉积物。混入抑制类气体，如N2、O2、H2、CO2等是降低化学沉积物含量的主要方式。以氟碳气体为例，虽然有研究表明当抑制类气体达到一定比例时，碳化现象将不再发生;但是在实际应用中，氟碳气体的化学沉积现象仍未得到很好的解决，这也是氟碳混合气体难以用于高压电气设备的主要原因之一。

2.2数据处理设备

（1）可扩展性。服务器通常都需要具备“可扩展性”，为了使服务器具备可扩展性，一般需要给服务器留有相应的冗余件和可扩展空间（例如、PCI插槽、磁盘阵列架位以及内存条插槽位等）。通常，服务器的可扩展性能够在硬盘的可扩容性、CPU的可升级换代型以及系统能够支持Linux，WindowsNT以及UNIX等主流操作系统方面有所体现，只有这样才能满足后期应用要求。（2）易使用性。服务器的功能要求对比PC机来说要高的多，这不仅仅指其硬件方面的配置，更多指的是其软件系统配置的要求。服务器要满足这么多的功能要求离不开全面的软件系统的支撑。但随着软件系统的增加，又不可避免的造成服务器的性能下降，作业人员甚至无法有效操作。因此，在服务器的设计过程中，除了充分考虑服务器的可用性、稳定性外，还必须严格把控服务器的易使用性。（3）可用性。服务器的可用性指的是所挑选的服务器是否能满足长期稳定工作的要求。在某些工况下，即使离开操作人员，服务器也必须能够稳定持续的工作，这就给服务器提高了高稳定性的需求。为了保障服务器具有较强的可用性，不仅要求服务器的各配件质量优异外，还必须采取可靠的技术保障以及配置措施，例如：硬件冗余、在线诊断等。

2.3GIL绝缘气体在线监测软件设计

特高压GIL在线监测软件基于LabVIEW的平台编制，并结合Matlab，MicrosoftOfficeAccess、花生壳软件以及EXCEL软件混合编程。其中LabVIEW软件自带支持多种仪器和多种接口的软件驱动，是PC技术与硬件仪器的完美结合，被广泛应用于计算机测试以及监测系统中，;Matlab数值处理效率高，作为算法编写的主要工具;MicrosoftOfficeAccess被广泛应用与中、小型数据库开发，是数据库开发的主要工具;花生壳软件能够实现动态域名和固定IP的绑定，从而将内网映射到外网，作为无线网络通信的主要工具;EXCEL软件具有出色的数据统计功能以及数据编程能力，作为技术报表的开发工具。

结语

在我国，随着“西电东送”、“特高压三纵三横一环网”以及输配电网改造升级等工程的推进，GIL的应用，尤其是直流GIL的设计与开发，面临着新的机遇和挑战。归因于我国大容量远距离输电地区的特殊性，如高海拔、地理条件复杂、气象环境影响因素较多等，GIL不失为有效的选择方案，这也为GIL的发展带来了契机和广阔的市场。

参考文献

[1]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（6）：1466-1473.

[2]冶海廷，王亦平，马仲鸣.拉西瓦水电站800kVGIL结构特点及安装试验[J].水力发电，2009，35（11）：60-62.