220k V GIL單相和三相結構技術特征的對比分析

◎李海強 陳浩杰 周秋文

隨著氣體絕緣金屬封閉線路的廣泛使用，GIL單相和三相結構的使用也越來越普遍，在工程中如何選擇這兩種結構，則需要對其技術特征進行對比分析。本文以220kVGIL的兩種結構為依托，從結構特征、敷設空間、絕緣性能這三個方面入手，通過對設計和仿真數據的分析，列出兩種結構的不同技術特征，為技術人員在以后工程設計中提供選型依據。

一、引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路，英文簡稱GIL（Gasinsulated transmission line），隨著中國城市電網擴容及建設地下超高壓變電站的需要，作為高電壓，大電流電力傳輸管線的典型代表，GIL在今后的電力工程建設中，必將被廣泛使用。從筒體和導體的組合形式，可將GIL的結構形式分為單相和三相共箱結構，其特點都具有傳輸能力強、占地少、布置靈活、可靠性高、使用壽命長和安全環保等優點。

本文以220kVGIL設備為例，對該電壓等級的GIL產品的結構特征、敷設空間、絕緣性能三個方面進行對比研究，希望給工程設計人員在GIL的選型上提供技術支持。

二、對比分析

1.結構特征的比較。GIL由鋁合金導體和殼體構成，并采用環氧支撐絕緣子支撐導體，使導體固定在殼體中，在導體和殼體之間充SF6氣體或SF6和N2的混合氣體，保證導體和殼體之間的絕緣水平。

GIL單相結構采用殼體與導體同軸布置，導體采用絕緣三支撐托起的一種單元部件，每根導體在工程使用時代表了一相。三相結構采用殼體與導體非同軸布置，導體采用特殊設計的絕緣三支撐托起，在同一個殼體中設置了三根導體。后文對兩種結構簡稱為“單相”和“三相”。某國內企業兩種GIL類型的結構圖和尺寸如圖1和圖2所示。

圖1三相（左）和單相（右）剖視圖

圖2三相和單相外形尺寸對比

通過對比，單相和三相的GIL主要差別在于直徑的變化和導體設置的數量，三相直徑變大的同時，腔內由一根導體變成了三根導體，但導體尺寸沒有發生變化。通過尺寸數據的對比，三相較單相殼體的直徑增加了626/326≈1.92倍，因此在工程使用時，三相是單相殼體材料使用量的626/（326×3）≈0.64。

舉例：以100米長的GIL線路，充0.52Mpa的純SF6氣體為例，殼體材料和絕緣氣體使用量如圖3所示。

圖3殼體材料和絕緣氣體使用量的對比

忽略導體和環氧支撐絕緣子對體積的影響，GIL內腔每米單位體積比為3072/1572≈3.82，GIL內腔的體積決定了絕緣氣體的使用量，因此三相是單相絕緣氣體使用量的3072（/1572×3）≈1.27。在核算GIL設備造價時，宜根據不同工程量核算設備材料的總價。

2.敷設空間的比較。GIL布置方式分兩種：地面敷設和隧道敷設。地面敷設的工程量較隧道敷設小，本文以隧道敷設為例，對比研究其敷設空間的區別。兩種結構在隧道內敷設空間如圖4所示。

圖4單相（左）和三相（右）隧道敷設斷面圖

通過隧道斷面尺寸的比對分析，單相由于采用單殼體和單導體的結構，敷設時需分成A/B/C三相，組成一條完整的回路，而三相在一個殼體內包裹著三根導體，A/B/C三相在用一個殼體內組成一條完整的回路。單相單回路隧道橫截面W*H為2200*2800mm，三相單回路隧道橫截面W*H為2500*2000，三相的隧道截面積小于單相。由于隧道內運維檢修通道和二次線纜占用的空間是恒定的，所以GIL使用單相或三相會直接影響隧道的斷面尺寸。通常回路越多，三相的敷設空間需求越小，其體現的優勢越大。所以在結構選型上，宜根據回路數量核算土建成本。

3.絕緣性能的比較。絕緣性能的好壞影響著GIL運行的安全性和穩定性，判斷設計是否安全，所使用的的判據通常以雷電波試驗為基礎，在0.42Mpa的最低運行壓力下，所允許安全場強值E1應低于26.91kV/mm。E1值對產品電氣性能設計的可靠性及產品設計的經濟性十分重要。

GIL單相和三相均需要滿足最低安全場強的要求，通過使用Ansysworkbench軟件進行電氣性能的仿真分析，了解這兩種結構在雷電沖擊耐壓條件下的場強值。

表1 GIL設計絕緣性能技術要求

如圖1所示，將截面尺寸輸入軟件中，加載邊界條件，得到的仿真對比結果如表2所示。

表2電場仿真結果

通過E1值得數據對比發現，在正常運行條件下，兩種結構在雷電沖擊波試驗條件下，最大的場強值均低于安全值，我們認為它是安全的，當然也可通過外殼和直徑的比值優化該場強數值。就目前輸入的條件進行仿真后的結果表明，三相的最大場強值為17.77kV/mm，優于單相，但兩種結構尺寸下的場強值均低于26.9kV/mm，已經滿足工程使用要求。

在故障條件下，單相通常會發生相對地的短路故障，三相不但會發生相對地的短路故障，還可能誘發相間短路故障。對于故障發生后的兩種類型的設備更換流程是一樣的，但單相短路故障針對的通常是某一相，而三相一旦故障，則三根導體必須同時更換，所以三相的維修成本要高一些。

三、結語

通過從結構特征、敷設空間、絕緣性能這三個方面入手，單相和三相在工程運用過程中，雖然三相在殼體材料使用量上由于單相，但由于直徑較大，內腔空間大于單相，而內腔的容積直接決定絕緣氣體的用量，其經濟性的優劣應根據不同工程量進行核算。隧道敷設時的空間回路數越多，三相的優勢越大。兩種結構在絕緣性能的表現均較優異，可以放心使用。

目前單相和三相在國內外都有成功的使用案例，典型的GIL單相的項目案例有：2019年投運的蘇通綜合管廊1000kV工程項目，2007年投運的拉西瓦水電站800kV工程項目。典型的GIL三相的項目案例有：2018年投運的溧陽CATL 220kV雙回路工程項目，2020年投運的聊城魯西化工產業園220kV五回路工程項目。單相和三相的GIL在應用的結果表現是一致的，但是經濟優勢卻有所區別。