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专家解读!气体绝缘输电线路(GIL)的应用及发展

北极星输配电网 2019-01-15 17:04:45

气体绝缘输电线路(GIL)是一种采用气体绝缘,外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。其相对于传统的架空线或输电电缆,具有不受恶劣气候和特殊地形等环境因素影响、有效利用空间资源、减少电磁影响、增大载流量以及故障率低、维护方便等优点,是当前输电系统的发展趋势。而常用绝缘气体SF6由于具有极高的温室效应,逐步被限制使用,因此对于环保型绝缘气体的研究开发将成为GIL发展及应用的关键点之一。

主要创新点

文章对气体绝缘输电线路的发展应用过程进行了梳理,通过调研不同发展阶段、不同类型GIL在全球各地的设计基础和应用现状,总结了GIL的应用特点、优势,以及其在当前条件下的应用必要性,同时提出了GIL在研发中的关键点。文章还对GIL中所用不同绝缘气体,包括SF6及其混合气体以及新型环保型绝缘气体CF3I及其混合气体进行了对比分析,提出了环保型GIL的发展方向。

解决的问题和意义

文章分析了全球范围内不同类型的GIL的设计基础及应用现状,认为针对目前国内输电走廊紧缺,对输电系统安全、稳定、可靠运行的需求增大,GIL将成为未来国内的主流输电方式,因此其相关研究亟待开展。而绝缘气体的选择作为GIL的核心技术,对GIL的应用可行性起到决定性因素。第一代、第二代GIL所用的SF6及其混合气体绝缘介质受温室效应影响无法适应未来发展要求。本文提出利用新型环保型绝缘气体CF3I及其混合气体作为新一代GIL的气体绝缘介质,并通过对不同混合比例的CF3I混合气体的液化温度、绝缘强度等数据的分析和对比,提出其在GIL中的应用可行性,为后续其在GIL中的实际应用提供了基础数据,并对后续气体组分的优化、GIL内部绝缘结构的设计改进提供了方向。

意义:综述了现有GIL在全球的应用现状,提出了设备应用的关键点,并对GIL中使用的环保型替代气体的绝缘性能进行了对比分析,提出了具有潜在应用可行性的解决方案,并提出了后续的研究方法及研究内容。

原文内容:

GIL的特点

GIL是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。导体采用铝合金管材,外壳采用铝合金卷板封闭。GIL类似于SF6气体绝缘金属封闭开关设备(gasinsulatedmetal-enclosureswitchgear,GIS)中同轴放置的管道母线(见图1)。虽说GIL与GIS母线有许多相似之处,但是根据不同的应用场所,尤其是在其承担较长距离大容量的输电功能时,还是与GIS有许多不同的关键技术,也使其更具有专业性。GIL无开断和灭弧要求,制造相对简单。同时,GIL可以选择不同的壁厚、直径和绝缘气体,能够较经济地满足不同要求。

传统的架空线输电方式易受雨雪冰冻天气和污秽的影响,而且随着特高压电网输电等级的不断提高,这种影响对输电效果造成的影响也越来越明显,加之社会对电磁环境的日益关注,对市容要求的不断提高,输电走廊已经成为制约电力发展的稀缺资源,尤其是在人口密集的大城市,采用架空线路的输电方式正面临越来越多的困难。而采用电缆输电则面临最高运行电压及载流量截面积的限制,已经达到技术和经济的极限,长期运行会出现水树和电树,存在电容大,散热困难等问题。

GIL的电气特性与架空线路相似,但由于GIL是一种金属封闭的刚性结构,采用管道密封绝缘,通常不受恶劣气候和特殊地形等环境因素的影响。同时,GIL对环境基本没有电磁影响,可以不考虑壳外磁场对其他设备和人员产生的影响。而且,GIL可有效利用有限的空间资源,实现高压超高压大容量电能直接进入城市的地下变电所等负荷中心。因此,预计在不久的将来,在一些人口稠密的大城市中心区采用GIL供电也许是一种不错的选择。

GIL的优点很多,主要是载流量很高,能够允许大容量传输。GIL的另一个重要的优点是电容比高压电缆小的多,因而即使长距离输电,也不需要无功补偿。因此,GIL安全运行可靠度高,输送容量大,与周边环境友好相处,而且损耗比电缆和架空线路都低(图2)。在创建坚强智能电网方面可以集强电输送与信息技术业务于一体。同时对军事战备与大城市的安全均具有特别重要的意义。GIL符合电力系统现场运行维护、安全综合预控方案和现代外观审美要求。由于GIL具有送电能力强、与周边环境友好相处的优点,GIL具有安装、运行维护方便,故障率低,基本不检修等许多优点,在国外已经有超过30年的运行经验,它的设计使用寿命长达50年以上[1]。

GIL的技术经过近半个世纪的发展,应用范围广泛。与现有的架空线和电缆相比较,GIL具有许多显著的优点:输电传输容量特别大,最大电流可达8000A;热能和电能损耗很少,节能效果好;无电磁干扰,辐射低,不影响无线通讯;防护性能好,维护量少,故障率极低;抗冰雪和地震等灾害能力强,防火性能优良,安全可靠性高;使用寿命长,可高于一般输电架空等线路一倍;占地面积小,可大量节约土地资源等。在GIL选型、设计、试验和维修方面已有标准可循,其技术经济比较可参考表1。GIL的电压范围广,安装方式多样,在发电和输电领域的应用广泛,已成为欧美发达国家新建和换代项目的最佳选择。目前,GIL不仅是国外大型地下电站高压引出线的首选方案,而且也是解决大城市的市区负荷不断增长导致线路走廊紧张问题的优选方案,GIL逐步替代原有常规架空输电线路和电力电缆的步伐正在加快,节能环保的GIL电力换代产品必将成为我国未来超高压和特高压电力传输的重要电力装备,它的广泛应用将为我国电力工业快速和持续发展做出巨大的贡献,同时也为我国的机电产品出口创汇提供了有力的保障[2]。

由于GIL制造成本较高,因此使用将受到投资和经济合理性的影响,一般使用条件为:

1)额定电压为72.5kV及以上的输电回路。

图1GIL的结构示意图Fig.1StructureofGIL

图2架空输电线路、聚乙烯电缆和GIL线路损耗对比

表1架空输电线路、聚乙烯电缆和GIL线路技术经济比较(上海某变电站出线)

目前运行的GIL的额定电压都在110kV及以上,随着电压等级的提高,从绝缘和经济方面,GIL的优势越来越明显。

2)输送容量较大的回路,特别是单回电缆无法满足送出要求。GIL相对多回并联电缆输电回路,在可靠性和经济方面都占优。另外,采用大容量的GIL输电线路,可以简化电站和变电所接线,节省高压开关设备。

3)高落差垂直竖井或斜井中。在高落差垂直竖井或斜井,采用电缆回路需要考虑其安装和运行对落差要求。

4)环境要求高的场所。

GIL的安装和应用场所除了以上这些应用场合之外,还有三个较为特殊的场合。一是全部或部分GIL直接埋入地下的场合;二是GIL的安装场合,在全部或部分在公众可接近的区域;三是GIL线路较长(典型的长度为500m及以上)的场合。这就说明了GIL是一种介于架空线路和电力电缆之间的高电压电力输电设备,是为超长距离、大容量的地下输电线路开发的一种电力设备。

GIL的国内外应用现状

从20世纪七八十年代开始,美国、日本、加拿大、法国、俄罗斯、德国等国家都将GIL投入实用化过程,早在30年前就已经建成世纪的高压输电线路。美国CGIT、西屋,日本三菱电机、东芝、日立、住友电气,包括西门子等公司都能够独立生产并且供应GIL产品。其中,美国的AZZCGIT公司生产的第一代GIL(充SF6气体)应用到美国、加拿大、墨西哥、沙特阿拉伯、韩国、印度、泰国、埃及、澳大利亚包括中国等国家,总长度达到10万单相米以上,电压等级涵盖了110kV、220kV、330kV、500kV、800kV和1200kV,其中500kV的GIL就有4万多单相米,已达到该公司产品种类的40.1%。截止至2006年4月,安装在世界各地的CGIT公司生产的GIL总长度接近143km,达到全世界GIL总长度的1/2。2003—2004年,俄罗斯已将420kV电压等级的环保型压缩空气绝缘输电线路和第一代SF6气体绝缘的GIL技术转让给印度、伊朗等国家。GIL的安全可靠性非常高,在过去30年的运行中从未出现重大故障记录,全球安装总长度已经超过300km[3]。

1972年世界上第一条交流GIL输电系统在美国新泽西州的Hudson电厂落成,该条输电线路电压等级为242kV,载流量1600A,采用美国CGIT公司和麻省理工学院合作开发的技术。美国CGIT公司的产品线涵盖了电压等级115~1200kV、载流量6000A的输电系统,是目前GIL产品市场占有率第一的公司。1975年德国Siemens公司在德国的Wehr抽水蓄能电站建成了欧洲首个GIL输电工程,电压等级400kV,采用斜井式敷设方式,用来连接山顶的架空线路和发电机组[4]。2001年Siemens公司在瑞士日内瓦PALEXPO机场建成了一条长420m的220kV电压等级的GIL线路(见图3),该GIL输电系统首次采用了Siemens公司开发的第2代GIL技术,最突出的改进是绝缘介质采用了体积分数20%SF6和80%N2构成的混合气体,通过适当提高混合气体的气压,可使其绝缘性能与纯SF6相当,且减少SF6的使用量可以有效控制成本和满足环保的要求。日本多家电力公司通过联合研究在1979年和1980年先后开发出电压等级为154kV和275kV的GIL线路。1998年日本建成了世界上最长的GIL线路,即Shinmeika-Tokai线,该输电系统全长3.3km,电压等级275kV,载流量6.3kA,采用隧道安装方式。隧道上层为双回GIL输电线路,下层是为电站提供液化天然气的管道,通过共享安装通道极大地提高了空间利用率[5]。

近年来,随着“西部大开发”和“西电东送”战略的不断进行,我国相继启动了一大批大型水电站,正在勘测设计的水电工程规模空前。在西南,正在建造以及未来5年内准备开工的大中型水电站总装机容量将达数千万千瓦,如云南澜沧江上的小湾水电站、金沙江上的溪洛渡水电站、向家坝水电站及雅砻江和大渡河上的梯级开发等;在西北,黄河上游的拉西瓦水电站已经建成。这些大型工程的选址多位于西部高原地区的深山峡谷中,远离中、东部负荷中心,其机组容量巨大,且多采用地下厂房布置方式,送出工程比较困难,而GIL正是解决大型水电站进出线的主要方式之一(图4)。据不完全统计,我国的部分水电站和核电站工程已经开始

图3瑞士日内瓦Palexpo会议展览中心的GIL系统(运行电压220kV,2001年投运)

相继采用GIL作为电站的进出线方式,例如大亚湾岭澳核电站500kVGIL工程和拉西瓦水电站800kVGIL工程[6]。岭澳核电站(一期)安装2台990MW压水堆型核电机组,为确保运行可靠性,主变压器高压侧至500kVGIS间的连接导体选用了550kVGIL。拉西瓦水电站安装6台700MW水轮发电机组,总装机容量4200MW。水轮发电机组及高压配电装置布置在地下洞室内,与布置于地面的出线站间高度差近220m。为解决出现问题,选用两回800kVGIL将电能从地下洞室输送至地面出线站,再与架空线路连接,并入电网。拉西瓦水电站地下厂房工程复杂、巨大,其采用的GIL电压等级、竖井高度和建造难度均位列世界前茅[7]。

交流GIL经过多年发展,积累了大量的设计和工程经验,技术日趋成熟,且最初投运的线路也己经安全运行了接近40年,证明了GIL技术的可靠性和稳定性。国内外220kV及以上电压等级的部分典型应用见表2。

GIL的发展

1、GIL发展的3个时代

1)第一代GIL采用纯SF6气体作为绝缘介质,充气压力为0.3~0.4MPa。

2)第二代GIL采用体积分数20%SF6-80%N2混合气体作为绝缘介质,充气压力为0.7~0.8MPa。

3)第三代的干燥洁净压缩空气,充气压力为1~1.5MPa。

GIL从1970年起开始在全世界范围内投入使用。第一代GIL采用SF6气体作为绝缘介质,首次应用于德国Schluchseewerke股份公司的Wehr抽水蓄能电站。这条线路电压等级为420kV,额定电流2500A,全长700m,敷设在山体隧道内,通过长约570m的斜井连接发电机与洞顶架空线。

到了20世纪90年代,第二代GIL技术诞生。第二代GIL与第一代GIL相比,大大简化了绝缘概念,减少了绝缘材料的使用,使用了新的焊接工艺,同时改善了敷设技术,最重要的是采用了SF6-N2混合气体作为新的绝缘媒介。因此,第二代GIL的成本比第一代降低了50%以上。之所以能够采用SF6-N2混合气体来作为GIL中的绝缘气体,是因为在GIL的内部没有开关和电弧,没有开断和灭弧的要求,不需要SF6的灭弧性能。因此通过适当增大运行气压,SF6-N2混合气体就能够在一定压力下达。

图4青海省拉西瓦水电站GIL系统(运行电压800kV,2009年投运)

表2GIL典型应用

到与纯SF6气体相当的绝缘水平。2000年,第二代GIL技术首次应用于瑞士日内瓦机场旁的Palexpo展厅工程。这条线路额定电压为220kV,全长约450m,架空敷设,单相铝管结构,使用20%的SF6和80%的N2混合气体绝缘。

由于SF6是一种很强的温室气体,所以有学者提出不使用SF6气体的绿色节能环保型GIL,并建议采用压缩空气为绝缘媒介来取代SF6,由此诞生了第三代GIL的新概念,即压缩空气绝缘输电线路(compressedairinsulatedtransmissionlines,CAIL)。但是如果要求压缩空气的绝缘强度接近纯SF6气体相当的水平,充气压力将会超过十个大气压(1MPa)以上,不仅会增加制造工艺的难度,同时更不利于设备的稳定运行,对设备的防泄漏水平提出了更加严苛的要求。然而,依据国内有关单位的研究报道,充气压力达到1.5MPa的CAIL,其耐压水平也没有到达要求,显然,CAIL不适合应用于高压或超高压等级,仅可考虑在中压系统的应用[8]。

2、SF与N混合气体的GIL

考虑到SF6气体具有很强的温室效应,国际上对SF6混合气体的应用研究已开始转为降低SF6气体的排放量。通过对SF6-N2混合气体的击穿场强的研究发现,如果SF6-N2混合气体保持合适的配比,混合气体的耐电强度不比纯SF6气体低太多,SF6含量较低时,混合气体的液化温度降低,使高压电器也可在较高气体压力下适用于高寒地区。此外,SF6-N2混合气体还能降低纯SF6气体放电电压对电场不均匀、金属颗粒及电极表面粗糙度等的敏感性,目前具有良好的应用前景。

与纯SF6气体相比,SF6-N2混合气体具有以下优点:

1)减少SF6气体的用量,有利于环保。SF6气体具有很强的温室效应,而目前研究的SF6-N2混合气体中SF6气体的体积分数较低,一般在5%~30%范围内,大大减少了SF6气体的用量。

2)价格便宜,通过混合N2,可以有效降低混合气体的成本。对于气体体积分数为50%SF6-50%N2混合气体而言,与纯净的SF6气体相比,即使提高0.1MPa的气压,仍可降低约40%的成本。对于420kV的GIL,若采用0.55MPa的SF6气体,SF6气体用量约为13.9t/km;若采用0.8MPa的20%SF6和80%N2混合气体,SF6气体用量约为4.0t/km,可节约SF6气体71.2%。

3)液化温度低。由SF6气体的特性可知,SF6气体液化温度很高。当SF6气体在0.7MPa压力下,环境温度下降到-20℃时就会液化。而N2的液化温度很低,在同样的0.7MPa压力下,环境温度下降到-150℃才会液化。所以在加入适量的N2之后,SF6-N2混合气体的液化温度与纯SF6气体相比会降低很多,0.7MPa的20%SF6和80%N2混合气体在环境温度下降为-130℃时才会液化。

根据国内外科研院所的理论研究和试验数据可知,在SF6-N2混合气体中,当SF6的气体体积分数从0提高到20%时,混合气体的击穿电压迅速增加,而当气体体积分数超过20%后,击穿电压的增长变得缓慢。因此,在综合考虑各方面因素后,研究者认为用于GIL的SF6-N2混合气体中SF6的气体体积分数宜取在10%~20%范围内。同时,由于在此范围内混合气体的击穿电压低于纯净的SF6气体,因此在不改变GIL产品尺寸的前提下,若要达到相同的绝缘强度,将需要提高混合气体的充气压力[9]。

图5以SF6-N2作为气体绝缘介质的145kVGIL示意图

气体绝缘输电线路(GIL)是一种采用气体绝缘,外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。其相对于传统的架空线或输电电缆,具有不受恶劣气候和特殊地形等环境因素影响、有效利用空间资源、减少电磁影响、增大载流量以及故障率低、维护方便等优点,是当前输电系统的发展趋势。而常用绝缘气体SF6由于具有极高的温室效应,逐步被限制使用,因此对于环保型绝缘气体的研究开发将成为GIL发展及应用的关键点之一。

来源 |《高电压技术》2017年第03期

标题 | 气体绝缘输电线路(GIL)的应用及发展

作者 | 肖登明,阎究敦


END

 

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