220k V GIL单相和三相结构技术特征的对比分析

◎李海强 陈浩杰 周秋文

随着气体绝缘金属封闭线路的广泛使用，GIL单相和三相结构的使用也越来越普遍，在工程中如何选择这两种结构，则需要对其技术特征进行对比分析。本文以220kVGIL的两种结构为依托，从结构特征、敷设空间、绝缘性能这三个方面入手，通过对设计和仿真数据的分析，列出两种结构的不同技术特征，为技术人员在以后工程设计中提供选型依据。

一、引言

气体绝缘金属封闭输电线路，英文简称GIL（Gasinsulated transmission line），随着中国城市电网扩容及建设地下超高压变电站的需要，作为高电压，大电流电力传输管线的典型代表，GIL在今后的电力工程建设中，必将被广泛使用。从筒体和导体的组合形式，可将GIL的结构形式分为单相和三相共箱结构，其特点都具有传输能力强、占地少、布置灵活、可靠性高、使用寿命长和安全环保等优点。

本文以220kVGIL设备为例，对该电压等级的GIL产品的结构特征、敷设空间、绝缘性能三个方面进行对比研究，希望给工程设计人员在GIL的选型上提供技术支持。

二、对比分析

1.结构特征的比较。GIL由铝合金导体和壳体构成，并采用环氧支撑绝缘子支撑导体，使导体固定在壳体中，在导体和壳体之间充SF6气体或SF6和N2的混合气体，保证导体和壳体之间的绝缘水平。

GIL单相结构采用壳体与导体同轴布置，导体采用绝缘三支撑托起的一种单元部件，每根导体在工程使用时代表了一相。三相结构采用壳体与导体非同轴布置，导体采用特殊设计的绝缘三支撑托起，在同一个壳体中设置了三根导体。后文对两种结构简称为“单相”和“三相”。某国内企业两种GIL类型的结构图和尺寸如图1和图2所示。

图1三相（左）和单相（右）剖视图

图2三相和单相外形尺寸对比

通过对比，单相和三相的GIL主要差别在于直径的变化和导体设置的数量，三相直径变大的同时，腔内由一根导体变成了三根导体，但导体尺寸没有发生变化。通过尺寸数据的对比，三相较单相壳体的直径增加了626/326≈1.92倍，因此在工程使用时，三相是单相壳体材料使用量的626/（326×3）≈0.64。

举例：以100米长的GIL线路，充0.52Mpa的纯SF6气体为例，壳体材料和绝缘气体使用量如图3所示。

图3壳体材料和绝缘气体使用量的对比

忽略导体和环氧支撑绝缘子对体积的影响，GIL内腔每米单位体积比为3072/1572≈3.82，GIL内腔的体积决定了绝缘气体的使用量，因此三相是单相绝缘气体使用量的3072（/1572×3）≈1.27。在核算GIL设备造价时，宜根据不同工程量核算设备材料的总价。

2.敷设空间的比较。GIL布置方式分两种：地面敷设和隧道敷设。地面敷设的工程量较隧道敷设小，本文以隧道敷设为例，对比研究其敷设空间的区别。两种结构在隧道内敷设空间如图4所示。

图4单相（左）和三相（右）隧道敷设断面图

通过隧道断面尺寸的比对分析，单相由于采用单壳体和单导体的结构，敷设时需分成A/B/C三相，组成一条完整的回路，而三相在一个壳体内包裹着三根导体，A/B/C三相在用一个壳体内组成一条完整的回路。单相单回路隧道横截面W*H为2200*2800mm，三相单回路隧道横截面W*H为2500*2000，三相的隧道截面积小于单相。由于隧道内运维检修通道和二次线缆占用的空间是恒定的，所以GIL使用单相或三相会直接影响隧道的断面尺寸。通常回路越多，三相的敷设空间需求越小，其体现的优势越大。所以在结构选型上，宜根据回路数量核算土建成本。

3.绝缘性能的比较。绝缘性能的好坏影响着GIL运行的安全性和稳定性，判断设计是否安全，所使用的的判据通常以雷电波试验为基础，在0.42Mpa的最低运行压力下，所允许安全场强值E1应低于26.91kV/mm。E1值对产品电气性能设计的可靠性及产品设计的经济性十分重要。

GIL单相和三相均需要满足最低安全场强的要求，通过使用Ansysworkbench软件进行电气性能的仿真分析，了解这两种结构在雷电冲击耐压条件下的场强值。

表1 GIL设计绝缘性能技术要求

如图1所示，将截面尺寸输入软件中，加载边界条件，得到的仿真对比结果如表2所示。

表2电场仿真结果

通过E1值得数据对比发现，在正常运行条件下，两种结构在雷电冲击波试验条件下，最大的场强值均低于安全值，我们认为它是安全的，当然也可通过外壳和直径的比值优化该场强数值。就目前输入的条件进行仿真后的结果表明，三相的最大场强值为17.77kV/mm，优于单相，但两种结构尺寸下的场强值均低于26.9kV/mm，已经满足工程使用要求。

在故障条件下，单相通常会发生相对地的短路故障，三相不但会发生相对地的短路故障，还可能诱发相间短路故障。对于故障发生后的两种类型的设备更换流程是一样的，但单相短路故障针对的通常是某一相，而三相一旦故障，则三根导体必须同时更换，所以三相的维修成本要高一些。

三、结语

通过从结构特征、敷设空间、绝缘性能这三个方面入手，单相和三相在工程运用过程中，虽然三相在壳体材料使用量上由于单相，但由于直径较大，内腔空间大于单相，而内腔的容积直接决定绝缘气体的用量，其经济性的优劣应根据不同工程量进行核算。隧道敷设时的空间回路数越多，三相的优势越大。两种结构在绝缘性能的表现均较优异，可以放心使用。

目前单相和三相在国内外都有成功的使用案例，典型的GIL单相的项目案例有：2019年投运的苏通综合管廊1000kV工程项目，2007年投运的拉西瓦水电站800kV工程项目。典型的GIL三相的项目案例有：2018年投运的溧阳CATL 220kV双回路工程项目，2020年投运的聊城鲁西化工产业园220kV五回路工程项目。单相和三相的GIL在应用的结果表现是一致的，但是经济优势却有所区别。