专家解读！气体绝缘输电线路（GIL）的应用及发展

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]。