高品質(zhì)壓縮空氣作為GIL絕緣介質(zhì)的可行性分析

維依埃龍?jiān)措姽ぱ芯吭?宋邦申

1 前言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（英文縮寫是GIL，以下采用英文縮寫）具有傳輸容量大、損耗小、電容小、占地少、可靠性高、適用于惡劣環(huán)境的特點(diǎn)。GIL在全世界范圍內(nèi)具有多年的使用經(jīng)驗(yàn)，而且國內(nèi)也有大量工程案例，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，傳輸距離不斷加長，絕緣氣體的使用量也不斷擴(kuò)大，但現(xiàn)如今GIL使用的絕緣介質(zhì)還主要局限于SF6氣體和N2/SF6混合氣體兩種。但是從目前地球環(huán)境的角度來看，這兩者依然不是GIL最為理想的絕緣氣體。

世界上許多國家的科研單位、院所、制造企業(yè)都在尋找SF6氣體的替代氣體。作為敢于承擔(dān)國際社會(huì)責(zé)任的發(fā)展中大國，中國勇于承擔(dān)國際責(zé)任，在2009年12月在哥本哈根召開的聯(lián)合國氣候變化會(huì)議上提出了自己的減排目標(biāo)，近而給國家電網(wǎng)也提出了節(jié)能減排，資源友好的要求，因此作為使用SF6氣體比較多的電力行業(yè)也在不斷的探索。近兩年來，我國部分院所也在進(jìn)行環(huán)保型壓縮空氣作為GIL絕緣介質(zhì)的研究，并且取得了可喜的成績，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入樣機(jī)試制階段。

國家電網(wǎng)公司在《國家電網(wǎng)公司“十二五”及中長期科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究——一次設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)專題報(bào)告》中提出了發(fā)展環(huán)保型壓縮氣體絕緣管道輸電技術(shù)的概念，并認(rèn)為環(huán)保型壓縮空氣管道輸電技術(shù)的發(fā)展對構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有重大的戰(zhàn)略意義，而且國家電網(wǎng)公司準(zhǔn)備在2010—2015年這五年建設(shè)一個(gè)550kV環(huán)保型壓縮氣體管道輸電的示范工程。報(bào)告中所指的環(huán)保型壓縮氣體就是被視為最為理想的環(huán)保型氣體的壓縮空氣或者是其主要組成部分氮?dú)釴2。本文所說的高品質(zhì)壓縮空氣是指通過干燥凈化處理的壓縮空氣，本文就從以下幾個(gè)方面對其用作GIL絕緣介質(zhì)的可行性與SF6氣體或其混合氣體進(jìn)行對比。

2 絕緣可靠性

根據(jù)過去使用普通壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合最新研究，相關(guān)文獻(xiàn)得出了壓縮空氣的工頻擊穿特性曲線（見圖1）。當(dāng)然，空氣間隙的擊穿電壓隨氣壓的升高而提高，但是這種隨著間隙距離的增加而提高的擊穿電壓有明顯的飽和特性，而且隨著間隙距離的增大（電場不均勻增加），其飽和速度越快。另外理論研究證明，在均勻電場作用下SF6氣體間隙的擊穿場強(qiáng)大約是同等條件下普通空氣間隙的三倍（見圖2），而且電場的不均勻程度對SF6氣體間隙擊穿電壓的影響要比空氣大的。隨電場不均勻程度的提高，SF6氣體間隙擊穿電壓與空氣間隙擊穿電壓的差值將逐漸縮小。由于GIL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是按同軸電極來設(shè)計(jì)的，它的不均勻系數(shù)為1.7左右，屬于稍不均勻電場，無論如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化都不可能做到均勻電場，只能在設(shè)計(jì)時(shí)盡量做到讓電場分布均勻，亦就是說，在電力設(shè)備中真正運(yùn)用的SF6氣體間隙的擊穿場強(qiáng)只有空氣間隙的兩倍多。對于采用干燥凈化的高品質(zhì)壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)的GIL，其間隙的擊穿場強(qiáng)可能還要稍高于普通壓縮空氣的擊穿場強(qiáng)。因此，只要選擇適當(dāng)?shù)膲毫徒^緣距離，電場設(shè)計(jì)的合理，高品質(zhì)壓縮空氣完全可以達(dá)GIL所需要的絕緣水平。

圖1 壓縮空氣的工頻擊穿特性

圖2 均勻電場中不同絕緣介質(zhì)擊穿電壓與距離的關(guān)系

3 環(huán)保合法性

SF6氣體為1997年12月簽署并于2005年2月16日開始強(qiáng)制生效的《京都議定書》中規(guī)定的6種限制減排的溫室氣體之一。中國政府于1998年5月簽署并于2002年8月核準(zhǔn)了該議定書，同時(shí)中國政府明確表示將保護(hù)環(huán)境作為一項(xiàng)長期的基本國策，將科學(xué)發(fā)展觀作為執(zhí)政理念，明確提出了節(jié)能減排的具體任務(wù)，并承諾將繼續(xù)承擔(dān)應(yīng)有的國際責(zé)任和義務(wù)。因此SF6氣體以及含有SF6氣體的混合氣體在今后的使用中都將受到限制，特別是用氣量非常大的GIL輸電線路。

雖然現(xiàn)在生產(chǎn)制造廠都承諾充SF6氣體絕緣設(shè)備能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年漏氣率不大于0.5%的要求，而且許諾20年甚至30年免維護(hù)或少維護(hù)。但是充SF6氣體絕緣設(shè)備不僅在產(chǎn)品的裝配、調(diào)試過程、氣體質(zhì)量測量、產(chǎn)品的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、設(shè)備檢修時(shí)會(huì)出現(xiàn)不可避免的微小泄漏，以及在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的泄漏都或多或少的給環(huán)境帶來危害；更可怕的是，到生產(chǎn)廠家承諾的20～30年后，已經(jīng)大量投入運(yùn)行使用的SF6氣體絕緣設(shè)備將會(huì)進(jìn)入大規(guī)模的維護(hù)或更換，到時(shí)候?qū)?huì)給環(huán)境治理帶來很大的壓力。而采用壓縮空氣作為氣體絕緣介質(zhì)的GIL，是為環(huán)境而設(shè)計(jì)的，從調(diào)試、裝配到報(bào)廢都對環(huán)境給予了充分考慮，不會(huì)給環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)擔(dān)，對環(huán)境是友好的。

4 成本經(jīng)濟(jì)性

環(huán)保型壓縮空氣的氣源是普通空氣，是無成本的，是取之不盡用之不竭的，而且可以直接排放到大氣中，不需要回收處理；為了提高壓縮空氣的絕緣性能、減少氣體內(nèi)部雜質(zhì)，即使采用高品質(zhì)的壓縮空氣作為絕緣氣體，也僅僅需要一套干燥凈化設(shè)備就可以將氣源處理到水分含量接近于純氮的水分含量，投入較少；然而SF6氣體則是商業(yè)化經(jīng)營的氣體，價(jià)格較高，而且在產(chǎn)品檢修時(shí)不允許排放到大氣中，對于含SF6氣體的產(chǎn)品在處理內(nèi)部氣體時(shí)需要將內(nèi)部SF6氣體通過專用回收設(shè)備或N2/SF6混合氣體分離設(shè)備進(jìn)行回收處理，額外地增加了回收、處理和儲(chǔ)存成本。而且回收的SF6氣體如果再次使用，也必須凈化處理達(dá)到新氣標(biāo)準(zhǔn)才可以。更何況GIL的絕緣氣體使用量非常之大，采用高品質(zhì)壓縮空氣后的用氣成本將明顯降低。

以美國AZZ公司供貨的GIL為例，550kV純SF6氣體絕緣的GIL僅單相米就需要用SF6氣體約5.72千克，以市場價(jià)100元/千克計(jì)算，每公里三相用氣大約17噸，就可以節(jié)約170萬元/公里。采用含有20%SF6氣體的N2/SF6混合氣體（其充氣壓力約為純SF6氣體充氣壓力的1.4倍）作為絕緣氣體的GIL其SF6用氣量雖然僅為純SF6氣體用氣量的28%，但是每公里三相亦需要約5噸的SF6氣體，也可以節(jié)約大約50萬元/公里。如果采用高品質(zhì)壓縮空氣則這部分成本對于適合于長距離輸電的GIL將會(huì)更為可觀。

5 危害及局限性

SF6用于電器設(shè)備內(nèi)時(shí)，無論是在故障情況下或是在正常的開斷電弧作用下可能分解產(chǎn)生氧、硫的氟化物和金屬氟化物粉末。經(jīng)驗(yàn)表明，工作人員在即使是含有非常微量的分解物的環(huán)境中，也會(huì)感到刺鼻或不舒服的氣味，對鼻、口及眼等有明顯的刺激。而且SF6常溫常壓下的密度約為空氣密度的5倍，其氣體有使人窒息的危險(xiǎn)，特別是隧道涵洞鋪設(shè)式需要附加的通風(fēng)透氣設(shè)施，來降低其含量。由于SF6氣體在大氣中存活的壽命約為3200年，而且其對大氣的溫室效應(yīng)是CO2的23900倍，因此SF6氣體是非常強(qiáng)烈的溫室氣體。相反采用壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)GIL不僅可以做到年泄露率低于0.5%，而且即使存在泄露對環(huán)境和工作人員也不會(huì)存在任何危害，也不會(huì)給溫室效應(yīng)帶來負(fù)擔(dān)，是純環(huán)保的。SF6氣體中電弧切斷后的冷卻速度非常迅速，絕緣恢復(fù)能力強(qiáng)，是空氣的100倍左右，因此對于對絕緣介質(zhì)的滅弧性能有要求的電力設(shè)備來講，SF6氣體仍然是最好的選擇。

另外，由于SF6氣體液化溫度比較低，可能被液化的最高溫度為45.6°C，對于純SF6氣體20°C時(shí)額定充氣壓力為0.5MPa（絕對壓力）時(shí)，只能適用于-40°C環(huán)境，而對于N2/SF6混合氣體（體積比4：1）額定充氣壓力為0.7Mpa（絕對壓力）時(shí)，可以適用于-50°C。因此純SF6氣體絕緣的GIL很難適用與嚴(yán)寒地區(qū)，N2/SF6混合氣體則將使產(chǎn)品更適合于低溫嚴(yán)寒地區(qū)。由于通過對普通空氣進(jìn)行高燥處理完全可以達(dá)到高純氮的水平，因此如果能將高品質(zhì)壓縮空氣用于GIL產(chǎn)品，GIL產(chǎn)品也將不需再考慮低溫液化問題。

6 使用普及性

由于本身的負(fù)電性使SF6氣體具有良好的絕緣和滅弧性能，這一點(diǎn)是不容置疑的，因此在40.5kV以上中壓產(chǎn)品和126～550kV高壓電器產(chǎn)品中被廣泛用作滅弧和絕緣介質(zhì)，具有幾十年的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而隨著世界環(huán)保意識的增強(qiáng)，限制使用溫室氣體的呼聲越來越高。現(xiàn)在國外7.2～24kV中壓充氣柜C-GIS采用普通壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)的產(chǎn)品已有很多，采用干燥凈化壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)的72.5～145kV高壓瓷柱式VCB、84kV罐式VCB等高壓電器產(chǎn)品也由日本AE帕瓦株式會(huì)社研發(fā)成功，并已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化。因此隨著社會(huì)對高品質(zhì)壓縮空氣絕緣性能研究的深入，在不需要考慮開斷和滅弧的高壓電器設(shè)備上的運(yùn)用實(shí)例將會(huì)越來越多。

7 工程可操作性

根據(jù)前面的對比分析可知，基本可以認(rèn)為高品質(zhì)壓縮空氣作為GIL絕緣介質(zhì)完全是有可能的。然而有些技術(shù)人員也對高品質(zhì)壓縮空氣絕緣GIL工程的可操作性提出了一些疑問，如有些人認(rèn)為壓縮空氣絕緣的GIL充氣壓力肯定會(huì)有點(diǎn)高，用戶心理上可能有點(diǎn)難以接受。其實(shí)認(rèn)為這個(gè)壓力高，是相對純SF6氣體絕緣GIL而言的，根據(jù)部分廠家現(xiàn)階段對高品質(zhì)壓縮空氣GIL研究性試驗(yàn)證明，壓力亦僅為十幾個(gè)大氣壓，該壓力相對于燃?xì)廨斔凸艿缐毫Φ秃芏?，而且殼體強(qiáng)度都是通過嚴(yán)格計(jì)算和試驗(yàn)證明了的，是絕對安全的不用擔(dān)心；還有些人認(rèn)為壓縮空氣在高壓力下微水量難于控制需要經(jīng)常排凝露水，主要是因?yàn)樗麄兊南敕ㄟ€局限于普通壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)。殊不知，隨著壓縮空氣凈化技術(shù)水平的發(fā)展，普通空氣經(jīng)過干燥凈化處理后，壓縮空氣的氣源質(zhì)量可比SF6新氣氣源質(zhì)量還高，甚至接近于高純氮的水分含量水平，現(xiàn)在研制的凈化裝置高品質(zhì)壓縮空氣氣源的大氣露點(diǎn)可以做到低于-70°C；還有些人認(rèn)為為了維持GIL內(nèi)部氣體的壓力穩(wěn)定需要沿著輸電線路全線設(shè)置壓氣站，但是本人卻認(rèn)為GIL完全可以根據(jù)工程需要?jiǎng)澐诌m當(dāng)?shù)臍怏w隔室來解決長距離的氣壓穩(wěn)定問題，這樣隔室之間、隔室對外界之間都保證密封，既可以便于GIL工程的施工維護(hù)，滿足現(xiàn)場施工的可操作性，也可以防止產(chǎn)品某段出現(xiàn)故障時(shí)禍及其它完好氣隔單元，也便于對絕緣氣體的質(zhì)量及泄露量進(jìn)行檢測和測量。

當(dāng)然高品質(zhì)壓縮空氣絕緣介質(zhì)的采用，還需要很多試驗(yàn)以及工程實(shí)踐來驗(yàn)證，通過工程的檢驗(yàn)可能還會(huì)出現(xiàn)一些問題，但是通過對高品質(zhì)壓縮空氣研究的不斷深入，問題肯定會(huì)不斷的得到解決。

8 結(jié)束語

高品質(zhì)壓縮空氣與SF6氣體在滅弧能力上存在很大的差別，在絕緣性上也有一定的差距，但是氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）關(guān)注的僅僅是氣體的絕緣性能，因此只要電場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、充氣壓力選擇適當(dāng)，高品質(zhì)壓縮空氣作為GIL的絕緣介質(zhì)是完全可行的。該類環(huán)保型高品質(zhì)壓縮空氣絕緣的GIL環(huán)保性優(yōu)良，具有良好的社會(huì)效益，亦將會(huì)是今后發(fā)展的新方向。當(dāng)然許多理論數(shù)據(jù)還只是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的結(jié)果，還不可能完全適用于生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，我們還必須進(jìn)行繼續(xù)研究并結(jié)合今后的樣機(jī)試制及試驗(yàn)掌握壓縮空氣的絕緣機(jī)理，并通過示范工程建設(shè)掌握壓縮空氣絕緣輸電線路的實(shí)際運(yùn)行性能，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)技術(shù)成熟時(shí)，可以將高品質(zhì)壓縮空氣絕緣技術(shù)運(yùn)用到GIS的母線筒和隔離開關(guān)模塊等不存在滅弧要求的結(jié)構(gòu)部分。當(dāng)然任何新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣都需要一定的時(shí)間，人們對高品質(zhì)壓縮空氣絕緣GIL接受也需要一個(gè)過程。因此它也需要引起我們國家及政府的高度重視，在資金和政策上給予支持和幫助。

1.國家標(biāo)準(zhǔn):GB/T8905-1996《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》.

2.國家標(biāo)準(zhǔn):GB7674-2008《額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備》.

3.施圍、邱毓昌、張喬根編著《高電壓工程基礎(chǔ)》[M]北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2006.6.

4.陳軒恕等《高壓長距離壓縮空氣絕緣輸電線路的發(fā)展前景》,高電壓技術(shù)（2009.12）.