特高压输变电论文：环保绝缘气体国产化

　　特高压输变电论文：环保绝缘气体国产化

　　引言

　　环保型绝缘气体产品研发项目依托中国电力科学院牵头的国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”，隶属于工信部发起的智能电网技术与装备重点专项，是我国特高压输变电装备领域的又一次技术创新。该项目由中国电力科学院有限公司牵头，武汉大学、西安交通大学、黎明院、平高集团有限公司等 14 家单位联合申报，于 2017 年 7 月成功立项。

　　1 环保气体绝缘性能评估方法

　　通常采用 2 种方式评估气体绝缘性能：①低气压均匀电场下的临界约化场强 Ac，约化电场 A=E/N，E 表示电场强度，N 表示单位体积内的气体分子数，电离系数等于附着系数时的 A=Ac。这种方式可以间接获得理论上的绝缘强度，可供高气压下参考，但有适用条件限制；②高气压均匀电场下的击穿场强，这种方式通过试验直接获得气体绝缘强度。上述 2 种方式各有应用，在评估气体性能时需综合考虑，下面结合具体的气体分别说明。

　　1.1 低气压均匀电场下的临界约化场强

　　气体击穿是从非自持放电转向自持放电的过程，自持放电不依赖外界光电离等条件。气压较低时，均匀电场下的电流与电压的关系及其获得方式，电极间施加负直流高压，用紫外光照射阴极产生初始电子，采用皮安表测量回路中的电流。当外施电压较高时（在 UA~UB 之间），间隙中的电子增殖过程随电场的增加而加强，当电压达到 UB 时，正离子的碰撞可使阴极产生新电子，进而发生自持放电，气隙击穿。根据汤逊放电，可从理论上评估气体绝缘强度，即发生自持放电时的临界约化场强 Ac。当 A>Ac时，气隙中会发生自持放电导致绝缘击穿。可用 Ac 来表征气体绝缘度，相当于 88.5kV/（mm·MPa）论文发表。

　　1.2 高气压均匀电场中的击穿场强

　　当气压增大时，阴极表面的作用减弱，电子崩发展过程中出现了光电离和空间电荷，这两个因素导致高气压下的自持放电现象与低气压下存在差异，此时气体击穿过程为流注放电。均匀或稍不均匀电场中，气隙击穿的条件就是电子崩转化为流注的条件。不少文献通过求解玻尔兹曼方程或采用蒙特卡洛法计算气体的α和η，从而得到 Ac，以此来评价气体绝缘性能[38-40]。这些方法的判据都默认 Ac 为α=η时的约化场强。但此时计算的 Ac 实际上无法反映高气压时的情况，这是因为 E/N 必须高于 Ac 才能保证有电子崩产生，而形成流注击穿需首先产生电子崩。由于上述原因，通常用绝缘击穿试验直接获得高气压下的气体绝缘性能。可见，含20%C4F7N 的 C4F7N/CO2 混合气体的击穿电压与 SF6 相当。

　　2 气体绝缘输电线路特点及优势

　　2.1 输送容量高，电力损耗低

　　相较于电力电缆及架空线路，GIL 输电线路外壳具备更大的横截面积，可有效降低线路传输损耗。目前国际上额定电流最大的 GIL 设备可达到8kA，实现输送功率 10GW 以上。

　　2.2 运行安全，环保性强

　　GIL 输电线路可敷设于隧道、通道中或直接埋设在地下，对运行环境的要求不高，通道共享技术的发展使得 GIL 输电线路敷设不需要额外的工程建设，因此不会对沿线的自然环境造成影响。同时，GIL 输电线路安装封闭式金属外壳，内填充绝缘气体，高压导体处于完全被保护的状态下，很难发生自燃、爆炸等事故。金属外壳上存在与高压导体中大小相等、方向相反的电流，线路在运行过程中产生的空间磁场接近于 0，因此也不会对周围其他设备的运行造成干扰。

　　2.3 适用范围广，敷设要求低

　　GIL 输电线路能够服务于大跨度、长距离、高落差的输电回路，线路本身的电容值要明显低于电力电缆，即便在超长距离输电过程中，也无需无功补偿设备及冷却设备的配合，输电成本更低。

　　2.4 一次投资，长期获益

　　GIL 输电线路在建设初期会涉及到极高的一次投资成本，其投资规模可达到电力电缆的 5 倍，达到架空线路的 10 倍以上。

　　3 特高压输变电用环保绝缘气体国产化的发展前瞻

　　3.1 历史梳理

　　气体绝缘输电线路中绝缘气体的选择是关键，在 GIL 技术的发展过程中，有关绝缘气体的研究也一直被作为技术创新的重点。第一代 GIL 技术绝缘气体采用 SF6，SF6 是一种典型的温室气体，随着全球环保形势的严峻及人们环保观念的提升，这种绝缘气体的应用显然与可持续发展的理念相违背。发展至上世纪 90 年代，第二代 GIL 技术的绝缘气体采用 SF6 与N2 相结合的方式。此时 GIL 技术的应用成本已经比第一代时期降低 50%左右。相较于第一代 GIL 技术，混合绝缘气体在环保、造价、液化温度等方面均取得明显的进步。目前，第三代 GIL 技术被提出，在 SF6 与 N2 混合绝缘气体的基础上，有专家提出使用其他气体取代 SF6，在达到更高绝缘性能及安全性的同时，真正实现 GIL 技术的节能与环保特点。因此在当前甚至未来的一段时期，GIL 技术的发展重点都将围绕环保绝缘气体的研发和应用展开。

　　3.2 技术前瞻

　　第三代 GIL 技术绝缘气体中，最被看好的为 CF3I。主要是由于八氟环丁烷有着比 SF6 更低的 GWP。但该气体依然为受到全球限制的温室气体之一，其液化温度达到-8℃，在实际应用时，存在一定限制。CF3I 结构中的 C-I 键性质不稳，当受到可见光照射时极易分解，导致该气体在大气中

　　存留的时间较短，一般很难达到 2d，也使其不会产生臭氧破坏效果。不少实验论证表明，CF3I 的绝缘性能可达到 SF6 的 1.23 倍，因此该气体极有可能取代 SF6 成为 GIL 输电线路的新绝缘气体。在短时间内，SF6 作为主要绝缘气体的技术形势还得不到彻底的改善，因此短期内的技术研究重点将放在 SF6 与 N2 体积分数的优化调整上。对 GIL 输电线路运行过程中的温度、压强、湿度、局部放电情况进行实时监控，以对其运行效率进行监管。GIL 输电线路监控系统分为离线和在线两种形式，其中离线模式的监控系统对线路局部放电信号的监控效果更优。当出现SF6气体泄漏问题时，系统能够在第一时间给出报警提示并定位到问题发电路段，以及时进行处理减轻对大气环境的影响。

　　结束语

　　综上所述，相较于电力电缆及架空线路，GIL 输电线路在输电效率、稳定性、安全性、节能环保、长期经济效益等方面具备突出优势。相关部门及人员应加大对 GIL 技术的研究力度，努力实现我国 GIL 技术研发及生产独立。通过输电线路的优化，以优化电力系统整体性能，并应对超高压、特高压水电站及远距离输电需求。充分发挥气体绝缘输电线路综合优势，为电力行业的总体性发展注入更多技术动力。