浅谈气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的发展趋势

维依埃龙源电工研究院 宋邦申

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。20世纪70年代GIL在美国开始运行，至今已有40年的历史，虽然在国内也有大量工程的使用案例，但是国内至今还没有能够单独生产提供完全符合标准要求的GIL产品的专业厂家。近年来，电力行业标准DL/T978-2005《气体绝缘金属封闭输电线路技术条件》以及国家标准GB/T22383--2008《额定电压72.5kV及以上的气体绝缘高压输电线路》相继颁布实施，完善和规范了GIL的基本技术条件、使用范围、额定参数、设计和结构以及试验要求、选型准则、订货提供的技术资料还有运输、安装和维护的技术要求。也就是说GIL已经引起电力行业、制造厂家、用户的广泛关注，都渴望在工程招标中能有本国品牌的GIL可以选用。

下面对三种不同绝缘介质GIL、GIL两种不同的结构作简单的介绍，通过比较阐释GIL的发展趋势及动态，希望能为设计单位、制造厂提供一些参考。

1 三种不同的绝缘介质

1.1 以SF6气体作为绝缘介质

GIL第一代产品于1972年产生，由美国的CGIT公司生产，采用的绝缘介质是SF6气体，充气压力一般在0.4MPa左右，主要是SF6属于强负电性气体，具有优良的绝缘性能，可以很大程度的缩小GIL的外壳体积。至今第一代产品已经有数百公里的使用案例，而且运行质量可靠。然而，20世纪90 年代以来,全球范围内的温室效应现象引起了各国环保专家的重视,虽然SF6气体不是自然存在的气体，在大气中的比例很低，但是就等量气体而言SF6的温室效应作用是CO2的23900倍，而且SF6气体在大气中的降解过程非常缓慢，在大气中可以存在的寿命是3200年，因此SF6被1997年12月11日通过的《京都议定书》指定为限排的六种气体之一。由于GIL对绝缘气体的使用量较其他气体绝缘设备要多得多，以美国AZZ GIL为例，550kVGIL仅单相米就需要用SF6气体约5.72kg，每公里三相用气大约17吨；252kVGIL单相米用气2kg左右，三相每公里用气在6吨左右。虽然现行标准已经要求GIL的气体年泄露率必须小于等于0.5%，但是GIL在允许范围内的SF6气体泄露以及安装调试维护过程中的泄露依然不可避免，综合起来对环境带来的危害也是不可忽视的。

因此，随着环保意识的加强，寻求SF6气体的替代气体已经是迫在眉睫。可喜的是，近年来世界各国都一直在研究SF6气体的替代物，以减少SF6气体的使用量，而且现在已经取得了极大的进步和发展。

1.2 绝缘介质为SF6-N2混合气体

为了环保，德国的西门子公司率先采用SF6-N2混合气体作为GIL的绝缘介质，该GIL属于第二代，并于2001年2月在瑞士日内瓦机场线路改造工程中得以运用。一直以来，国内外都对混合气体的绝缘特性进行了大量的研究工作，研究证明混合气体的耐电强度不仅与其成分气体的耐电强度有关，而且还和成分气体之间的混合比的大小及压力的高低有关。西门子420kVGIL采用的SF6-N2混合气体比是1:4，充气压力约为0.7MPa，在此情况下完全满足了产品绝缘的要求；而法国EDF公司400kV的GIL试验线路采用的SF6-N2混合气体比是1:9，充气压力为0.8MPa，该GIL的绝缘性能比同电压等级的纯SF6气体的GIL还高。对于GIL这样用气量比较大的设备，SF6-N2混合气体绝缘介质的使用在很大程度上减少了SF6的用气量。

现在混合气体的回收已经不是问题，只要增添专门的回收设备，利用SF6气体液化温度较高（临界温度为45.6度）的特点，可以很容易的将SF6与N2分离而使SF6得到回收。如日本东芝的iGREEN设备通过吸收和分离混合气体中的N2然后将高纯的SF6收入液化罐方法来实现两者的分离，效率超过99%。对于高落差敷设时，混合气体是否存在分层的问题也已经得到理论计算和实践的验证，如理论计算显示在20℃时，混合比为1:4（即20%SF6与80%N2）的混合气体在高度为100米处混合其他成分N2为80.74%，SF6为19.26%，混合比的变化很小，而且GIL还可以分隔为若干气室，因此高落差敷设时混合气体微小的分层现象对产品绝缘性能的影响可以忽略。

虽然SF6-N2混合气体已经进入实用化阶段，但从目前的地球环境角度来看，它并不是理想的替代气体，寻求更加环保的、天然的替代气体将是各国研究机构的下一个追求目标。

1.3 采用高品质压缩空气作绝缘介质

所谓高品质压缩空气，就是将普通空气通过一系列的干燥、净化后使其达到GB/T13277标准规定的国家一级气体的要求。采用高品质的压缩空气作为绝缘介的GIL是维依埃龙源电工研究院以俄罗斯全俄电工研究院为技术依托，联合国内高压电器设备制造企业为适应环保要求而开发的第三代全环保型GIL。这也就是说该GIL的绝缘气体是干燥、净化后的压缩空气，与早期的压缩空气断路器所使用的气源有本质的区别，早期使用中的问题与经验也为此提供了经验，我们知道虽然普通空气在零表压等压力状态下其绝缘性能只有SF6的三分之一，但是通过干燥、净化后的高品质空气的绝缘强度得到很大提高。我们还知道提高气体气隙击穿电压的方法中有改善电场分布、提高气体压力两种方法，因此通过合理的电场设计、选择合适的气体压力，就完全可以达到GIL的绝缘要求。

显然采用高品质压缩空气作为绝缘介质的GIL是完全环保型的，一方面它的气源是天然的、低成本的，另一方面它的年泄露率也符合相关标准的要求，即使安装调试检修过程中的气体泄露对环境也没有丝毫影响。

事实证明，使用SF6-N2混合气体或高品质压缩空气作为绝缘介质的GIL由于压力增高要求外壳厚度增加所产生的外壳制造成本与SF6使用量减少所节约的气体成本基本相当，也就是说三种绝缘介质的GIL经济成本是相差无几的，但社会效益却有很大的差距。采用环保型气体作为GIL的绝缘介质是产品发展的大方向、大趋势，这也是我们科研院所、设计单位、制造厂家及运行部门的一致观点。可能以高品质压缩空气作为绝缘介质的GIL要想得到用户的普遍接受还需要很长的路要走，但是我们相信维依埃联盟企业通过样机试制将会积累更多的经验，进而为今后产品的完善提供依据。随着社会的发展，产品的社会效益会更加明显，也会更容易被接受。

2 两种不同的结构

GIL根据内部导体与接地外壳的安装方式的不同，可以分为分箱式和共箱式两种结构。

所谓分箱式结构，就是指GIL的三相导体分别装在三个不同的接地外壳中，每一相的内部导体分别与同相的接地外壳同轴布置。该分箱式结构简单，绝缘设计可以根据同轴圆柱电场来设计计算，该结构的电场不均匀系数一般在1.7以上，亦即接地外壳内径与内部导体外径最佳比值取自然常数e（e=2.71828）。该结构设计经验较为成熟，现在AZZ、西门子、日本提供产品的都是属于该类。

所谓共箱式结构，就是指GIL的三相导体封闭在一个接地外壳中，三相导体成等边三角形与外壳轴线120布置，此结构电场的计算较为复杂，一般采用模拟电荷法进行数值计算。共箱式结构与分箱式结构相比具有更加突出的优点:它不仅可以减少外壳材料的使用量进而降低制造成本；还可以减少外壳连接处的施工量；还可以减少可能产生泄漏点的连接密封面的数量；还有它体积更加小型化，会更加节约空间，绝缘气体的使用量也会相应减少；还有外壳中的能量损耗也得到了减少。由于共箱式结构的相对地的短路故障可能会发展成为相间短路故障，而且相间短路时的电动力很大，因此共箱式结构对产品的设计也提出了更高的要求，特别是对绝缘件的设计及制造提出了更高的要求。不过，现在随着GIS共箱式母线筒设计经验的不断积累以及绝缘件的设计及制造水平的不断提高，已完全可以满足共箱式GIL对绝缘性能提出的要求。

推进GIL设备的小型化，缩小设备的体积，减少绝缘介质的使用量，减少能量损耗，一直成为电力设备产品设计制造所追求的目标，显然共箱式小型化GIL也是为此而来，这也将是GIL的又一次跨越，又一次进步。

3 结束语

近四十年的运行经验证明，GIL传输容量大、电容小、损耗少、适用与恶劣环境的特点越来越突出，用户也越来越容易接受。作为电能传输的一种有效选择方案，GIL是传统地下电缆输电在极限容量场合和架空线在某些特殊使用场合的有效补充，它一定会在电力事业的发展中起着不可替代的作用。当然随着环保意识的加强、设计水平的提高，GIL也会朝着小型化、低损耗、高可靠、绿色环保的方向不断发展。

1、范建斌 《气体绝缘金属封闭输电线路及其应用》 中国电力，第41卷第8期

2、高凯，李莉华《气体绝缘输电线路技术及其应用》 中国电力，第40卷第1期

3、王崎，邱毓昌《N2/SF6混合气体在气体绝缘管道电缆中的应用》 电线电缆，2004年第1期