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氣體絕緣輸電技術特征及應用前景展望

呂曉潔 朱寧 陳琦

摘要：碳達峰、碳中和將改變電源結構，電網也將發生根本性變革。為保護環境、應對氣候變化，適應大規模海上風電接入電網的需要，滿足城鎮化建設和人們對美好環境的需求，解決水電站高落差電力送出等問題，需要研究一種大容量、占地少、損耗小、抗災性強、環境友好的輸電線路技術。本文介紹了GIL技術的發展歷程，分析了GIL技術應用存在的關鍵性問題，對GIL未來在電力系統的重點應用場景進行了展望，總結提出GIL的發展方向和亟待解決的技術難點問題。

關鍵詞：GIL；剛性輸電設備；氣體絕緣；海上風電；城鎮化建設

氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）是一種大容量、高電流、剛性輸電設備，采用六氟化硫（SF6）、六氟化硫/氮氣（SF6/N2）或其他氣體絕緣，具有輸電容量大、傳輸損耗小、抗自然災害能力強、占地面積小、電磁環境友好等顯著優點，適合于氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）、架空線、電纜、變壓器等設備間的連接。

一、GIL技術發展歷程及主要特征

（一）GIL技術發展歷程

高氣密性是GIL技術發展的關鍵問題之一，因此以絕緣氣體的變更將GIL發展劃分為三個發展階段。第一代GIL絕緣氣體采用100% SF6，第二代采用SF6與N2的混合氣體（如20% SF6和80%N2），新一代采用環保氣體（如美國3M公司提出的七氟異丁腈C4F7N、GE公司提出的C4F7N/CO2、中國科學院研究的C4F7N與N2或CO2等環保混合氣體）。

GIL自20世紀70年代進入工程應用以來，主要采用SF6氣體絕緣，是當前最成熟的技術方式，但SF6氣體具有強溫室效應，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）為23800、大氣壽命為3200年，被國際上列為限制排放的氣體，尤其是對于高壓和特高壓GIL，每公里氣室使用的SF6近10余噸，環保壓力巨大。因此，20世紀90年代，以降低溫室氣體排放和成本的SF6/N2混合氣體絕緣型GIL逐漸進入技術研究領域，21世紀初實現了產品化和工程應用。隨著全球低碳發展時代的到來，新一代環保氣體絕緣型GIL在2010年左右被提出，美國GE公司采用七氟異丁腈與二氧化碳（C4F7N/CO2）構成絕緣氣體，研制的420千伏GIL于2017年在英國投運，標志著環保型GIL進入工程起步階段。

隨后，美國、加拿大、德國、日本、沙特阿拉伯等相繼建成了較長距離的GIL，總長度超過700公里，電壓等級覆蓋72~1200 千伏，其中550千伏和420千伏應用最普遍。

美洲自20世紀60年代開始研究GIL技術，1972年美國新澤西州哈德遜電廠安裝了世界上首條交流GIL線路，額定電壓242千伏，額定載流量1600安培，采用直埋敷設方式；加拿大鮑曼維爾（Bowmanville）GIL工程建造于1985～1987年，是目前世界上額定通流能力最大的GIL工程，其額定電壓550千伏，最大額定電流8000安培，全長3.2公里，采用地上鋼架支撐結構。

歐洲首個GIL安裝于1975年建成的德國施盧赫湖的韋爾（Wehr）抽水蓄能電站，額定電壓380千伏，額定載流量2000安培，全長4.2公里，采用山體隧道敷設方式；瑞士日內瓦PALESPO會展中心GIL工程于2001年建成，首次采用西門子公司第二代GIL，采用SF6/N2混合氣體絕緣（SF6與N2氣體體積比為1:4），SF6用量的減少降低了建設成本，其額定電壓300千伏，額定電流2000安培，全長2.56公里，采用地下隧道敷設。

亞洲典型的GIL工程有日本名古屋新名火—東海（Shinmeika-Tokai）線路，于1998年建成，額定電壓275千伏，額定載流量6300安培，全長3.3公里，采用隧道安裝，特點是隧道上層為雙回GIL，下層為液化天然氣管路，以及采用現場焊接安裝方式。另外，沙特阿拉伯PP9工程于2004年在首都利雅得建成，額定電壓420千伏，額定電流1200安培（55℃以下），全長17公里，采用地上鋼結構支撐，實現了在晝夜溫差大、沙塵較多等沙漠氣候下電能的安全高效傳輸。我國淮南-南京-上海1000千伏交流特高壓輸變電工程蘇通GIL綜合管廊工程于2019年9月建成，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術和創新水平最高的GIL工程，額定電壓1000千伏，額定電流1600安培，全長5.5公里，采用江底隧道方式敷設。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊

（二）電網GIL技術的主要特征

電網采用的主要輸電方式有架空輸電和地下輸電方式。相比傳統的架空輸電線路，地下輸電方式在我國得到了越來越多的應用。目前已建成的地下輸電線路中，最普遍的是固體絕緣電纜，其次是GIL。固體絕緣電纜主要應用于10千伏～220千伏電壓等級。與架空輸電線路相比，電纜線路工程占地少，對城市環境影響較小，不受外界大風、雷電等外部自然環境影響，供電可靠性相對較高，有利于提升城市發展空間，但造價水平較高、載流量相對較低、施工工期一般較長。相比架空輸電線路和電纜線路，采用GIL的優勢比較明顯。主要特征闡述如下。

1.輸電容量大且適應電網能力強

GIL是架空線路的理想替代或補充方案。電纜線路輸送電流一般不大于2200安培，而GIL線路輸送電流可到8000安培、輸送容量達到4000兆伏安。GIL可與任意截面的架空線路匹配且不需要降低容量，與電纜線路、電廠變壓器等開關設備也可靈活連接，適應能力好。

2.輸電損耗和電容負載低

由于導體和外殼截面大，電阻損耗很小，GIL的額定電流越高，在相同輸電容量下其損耗低的特性更加顯著。GIL的電容小，一般為55微法每公里，不僅涌流小，而且在傳輸距離100公里左右的情況下通常不需要或僅需很少的補償線圈，能夠有效降低電網的熱損耗。

3.抗自然災害能力強

GIL屬于封閉結構，相對架空輸電線路，具有良好的抗冰凍雨雪性能，尤其是在龍卷風、臺風等極端天氣高發區，采用地下敷設方式的GIL是應對自然災害、保障電力穩定供應、提高電網安全可靠性的理想方式。

4.電磁干擾較小

GIL導體電流在外殼內會感應出同樣大小但相位差180°的電流，兩個電磁場疊加結果接近為零。因此，在周圍環境需要限制磁場的情況下，相對架空線路和電纜線路，可靠接地的GIL能夠實現低磁場要求。特別是當輸電線路靠近居民區，或對于使用靈敏電子設備較多的企業單位，低磁場是非常普遍的需求。

5.安全性較高且設備壽命長

如果GIL管道內部發生絕緣故障，所引發的電弧被封閉在管道內部，不會對外部人員和設備形成危害。另外，GIL所用的全部材料都是阻燃型，不會燃燒，有利于防火安全。GIL采用氣體絕緣，絕緣件的電場強度和GIL的最高溫度均不足以產生電老化或熱老化，GIL的制造材料具備抗電氣和熱老化特性，預計壽命通常能夠達到50年。

6.占地少且環境友好

GIL通常采用地上鋼架支撐、直埋或隧道敷設方式。在同容量輸電的條件下，較架空線和電纜線路的占地少，尤其是地下敷設方式，能夠有效釋放城市土地資源，提升城市發展空間，美化城市景觀環境，實現安全供電和線路“隱形”的雙優效果，有利于滿足居民對電力的需求和對美好生活環境的追求。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

二、GIL設備設計和技術應用需要關注的主要問題

（一）GIL設備設計需要關注的主要問題

GIL設備主要由外殼、中心導體和絕緣子構成，外殼與中心導體同軸布置。其中外殼是容納絕緣氣體的鋁合金壓力容器，有成型管材、板材卷焊及帶材螺旋焊；中心導體一般采用管型設計、承載工作電流，采用高導電率的鋁合金管材；絕緣子在殼體內部安裝，絕緣子附近裝設有微粒陷阱捕捉金屬微粒，提高GIL絕緣可靠性。

GIL在電氣性能上與架空線較為相似，區別之處在于GIL導體密封于外殼中，不僅能夠防止灰塵、潮濕空氣、冰雪及腐蝕性氣體等環境因素對輸電線路的影響，也能夠保持GIL電氣性能的穩定性。然而，GIL特殊的設備結構和超大容量的通流能力，要求在設備設計中應關注如下問題。

1.GIL設備氣體密封性能

當GIL設備采用隧道安裝或其他密閉環境安裝時，由于空間密閉性，一旦發生SF6絕緣氣體泄漏，一是其流通緩慢且不易排出，二是比重大容易在底層空間滯留，三是其本身無色無味不易使人察覺，因此可能在局部空間積聚，從而造成隧道內局部缺氧，對巡檢人員產生潛在的窒息等安全風險。因此，需要從封閉系統的元件強度、系統設計、產品質量和安裝控制四個方面進行嚴格控制，采用低氣體泄漏率的法蘭、密封槽、密封圈等密封措施，尤其是一般需要在法蘭對接處采用雙道密封結構，保證SF6年泄漏率在0.01%～0.1%，滿足《氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術條件》（GL/T978-2018）相關要求。

2.GIL設備發熱處理

GIL設備發熱來源于導體通流產生的熱效應，取決于通流設計能力。通常GIL的通流截面積較大、可達10000平方毫米以上，電阻較小、通常每公里數毫歐，因此GIL通流能力強、傳輸容量大，然而在通過數千安培的大電流時，GIL的溫升和散熱問題不容忽略。通常，敷設在地面上的GIL設備的載流量由導體的最高溫度決定，直埋型GIL設備的載流量由外殼允許的最高溫度決定。通過在不同的敷設方式及環境條件下，采用不同的溫升計算方法確定GIL載流量，既使其達到較高的使用效率，同時也防止設備熱效應產生溫度異常而引發事故。

3.GIL的絕緣性能

GIL的氣體絕緣系統由絕緣子、鋁合金管材外殼以及絕緣氣體組成，目前采用SF6氣體的GIL設備相對成熟和普遍。實際上，GIL最初研發的基本原因是基于人造氣體SF6，SF6自19世紀20年代被發現，是一種無毒、惰性、不燃、不腐、具有長期穩定性的氣體，因而具有非常好的絕緣性能。第二代及新一代GIL設備的替代絕緣氣體目前相比第一代GIL設備的滅弧能力和絕緣能力有所下降，尚需進一步探索研究。GIL設備典型絕緣設計包括絕緣氣體間隙場強控制和絕緣子場強控制。因此，在絕緣氣體確定的條件下，合理的場強控制是絕緣性能的關鍵。

4.GIL內部電弧安全值

內部電弧在GIL能夠發生的故障中是最嚴重的。內部電弧是在發生故障時在GIL外殼內產生的電弧，內部電弧產生的原因可能是絕緣件失效引起的絕緣件表面或內部電弧，也可能是由于絕緣氣體中的微粒或導體或外殼的缺陷，造成電場強度高并引發絕緣氣體被擊穿而產生放電。因此，要保證GIL氣室長度（如1公里或更長），避免因氣室小而產生不安全事故，防止外殼燒穿、導體燒蝕、絕緣件受損及其他外部效應。

（二）GIL技術應用需要關注的主要問題

1.長距離GIL建設和運行經驗不足

目前電網長距離輸電項目中投運的GIL線路極少，國內建成最長的GIL工程為蘇通1000千伏GIL綜合管廊工程，全長5.5公里；在建的武漢江夏譚鑫培路500千伏GIL綜合管廊工程設計長度為6.25公里。更長距離的GIL輸電線路設計、施工、運行維護等難度更大。

蘇通1000千伏交流特高壓GIL綜合管廊工程

2.國產GIL設備關鍵技術研發亟待加強

早期國內投產的GIL大部分以進口設備為主，近年來逐步實現國產化，但絕緣子工藝尚不成熟。絕緣可靠是GIL設備安全運行的重要保障，絕緣子是GIL的核心部件之一，如果對其生產、安裝工藝的掌握存在欠缺，對長期運行工況的考慮不足，那么在長期振動、溫度交替影響下，絕緣性能和機械性能將會發生變化，容易導致放電故障。如2019年，某變電站GIL交接耐壓時出現三支柱絕緣子炸裂，主要是受該三支柱絕緣子環氧絕緣件制造工藝限制。

3.GIL應對地勢沉降和抗震問題

GIL為剛性輸電線路，在鋼架上、隧道或綜合管廊內需整體擺放，對水平和豎向的精度要求非常高，不均勻沉降必須控制在相當小的范圍內。一旦GIL設備基礎發生沉降或位移，極有可能會導致GIL設備損壞，進而危害供電的安全性和可靠性。特別是當GIL管廊與地鐵、鐵路、公路等距離較近時，車輛運行也會對GIL管道產生一定影響。

4.GIL故障周期長修復問題

近年來隨著GIL工程的逐漸增多，運行故障有所增多。發生的故障主要有絕緣擊穿（大多是因為三支柱絕緣子或盆式絕緣子故障）、漏氣、局部放電、局部過熱、設備變形等。GIL線路出現故障后，需進行故障點查找、故障點修復或更換局部GIL段、現場試驗等工作，修復周期一般需要10天。如某工程大規模應用GIL以來，故障率明顯增加，2019年故障期間，電力受端負荷核心區被迫中斷受電，導致負荷中心出現大額電力缺口，供電安全受到極大考驗，而送端水電則大量棄水，造成能源資源浪費。

5.GIL工程造價問題

與架空線路相比，電纜和GIL的投資較高，需要在工程實踐中予以解決。隨著電壓等級的升高，其工程造價技術經濟指標則有所下降。對于500千伏電壓等級，GIL輸電線路造價約是架空輸電線路的13倍，當電壓升至1000千伏時，將降至10倍或更低。

三、GIL在電力系統中的應用前景展望

（一）主要應用場景

碳達峰、碳中和將改變發電結構，電網也將隨之發生根本改變。我國應用GIL輸電技術已近30年，積累了豐富的設計、安裝和運行維護經驗，其大容量、高電流、占地少、抗自然災害能力強、與電網的適應性好等優點，決定了GIL輸電技術將得到越來越廣泛的應用。在未來的電力系統中，GIL輸電技術的應用場景將主要體現在以下方面。

1.發達地區新建輸電線路或老舊輸電線路改造

隨著我國經濟穩定發展和新型城鎮化建設，城市土地資源愈發珍貴。在城市發展中心區域，以及發達地區城鎮用地范圍內，架空輸電線路占用大量土地和空間資源，與城市快速發展和居民對美好景觀需求的矛盾日益突出，尤其是城市新建架空線路往往存在走廊緊缺、拆遷范圍廣、拆遷工程量及征拆協調難度大等突出問題，具有引發社會不穩定因素的潛在風險。為了適應城市現代化發展和新型城鎮建設的需要，結合新區建設、舊城改造、道路新（擴、改）建，在城市重要地段和管線密集區采用地下輸電方案，已成為電網發展的新趨勢，也將成為GIL在未來替代架空輸電線路的重要方向。

GIL輸電線路

2.大型近岸與深遠海風電的電力輸送

根據國家能源局發布的《2020年全國電力工業統計數據》，2020年底風電和太陽能發電裝機分別達到2.8億千瓦、2.5億千瓦，較2015年呈倍速增長趨勢。考慮我國2030年風電和太陽能發電將達到12億千瓦以上的目標，新能源在“十四五”及“十五五”期間的發展依然強勁，尤其是海上風電將成為風電發展的重點。采用GIL輸電隧道接入海上風電，能夠實現在集中化、大容量輸送電量的同時，有效避免海上強風災害和鹽霧腐蝕，降低海上風電平臺火災事故，減少陸上連接點，降低海岸沿線占地和景觀影響，保護海岸及海洋環境。

3.水電站出線線路

我國首條GIL線路是天生橋水電站GIL線路工程，始于20世紀90年代初期。其后，拉西瓦、錦屏一級、溪洛渡及烏東德等水電站陸續建成投運GIL線路工程 ，主要利用GIL的剛性特點，采取垂直豎井與水平廊道相結合的敷設方式，解決水電站高落差電力送出問題。隨著我國大型水電站的開發建設，應用GIL技術連接主變壓器和開關設備或架空線路，仍將是GIL應用的主要方面。

（二）需要進一步解決的技術難題

GIL技術是一種大容量輸電技術，20世紀60年代發明、70年代投入工程應用以來，已在國內外多個工程上應用，新技術不斷涌現。未來GIL輸電技術可在經濟發達地區電力新建和改擴建、大型新能源接入系統、水電站送出等方面發揮重要作用。同時，隨著清潔低碳發展浪潮的推動，新一代環保型GIL將成為其發展的核心內容。另一方面，隨著GIL在高電壓等級甚至特高壓工程上的應用，GIL運行安全可靠性要求將越來越高，如何提高氣密性水平和絕緣技術水平、降低放電故障、抑制過電壓、提高電弧故障定位率等都是當前亟需解決的技術難題。

參考文獻

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注：文中圖片來源于網絡。