采用新型环保绝缘气体的第三代 GIL.doc

中国科技论文在线采用新型环保绝缘气体的第三代 GIL邓云坤，肖登明（上海交通大学电气工程系，上海 200030）5摘要：本文提出采用新型环保气体 CF3I 作为气体绝缘型高压输电线 GIL 中的绝缘介质。CF3I 具有极强的电负性，其绝缘强度能达到 SF6 的 1.2 倍以上。同时，CF3I 的全球变暖潜势和 CO2 相当，不到 SF6 的万分之一，并且对臭氧层没有破坏，在国际上被广泛认为是最有可能 替代 SF6 的潜力气体，尤其适用于只需要考虑保持绝缘强度而不需要重点关注灭弧性能的 GIL 中。10关键词：高电压与绝缘技术；CIL；CF3I；气体绝缘；环保中图分类号：TM85The third generation of GIL using the new environmentally friendly insulation gas15DENG Yunkun, XIAO Dengming(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030)Abstract: The present paper concerns with a new gas insulated transmission line using theenvironmentally friendly gas CF3I as insulating medium. Thanks to its strong electronegativity, the insulation capability of CF3I is 1.2 times greater than that of SF6. Moreover, CF3I is an20environmentally friendly gas with the characteristics of low global warming potential comparable with CO2, which is less than ten thousandth of SF6, and harmless to the ozone layer. Based on thefacts above, CF3I has been widely considered as a potential alternative to SF6. Especially, as the insulating medium, CF3I is suitable for the gas insulated transmission line where only the insulation strength is taken into consideration and the arc extinction ability is not significant.25Key words: high voltage and insulation technology; CIL; CF3I; gas insulation; environmentprotection0引言随着经济社会持续快速发展，我国电力需求将长期保持快速增长。预计到 2020 年，我30国用电需求将达到 7.7 万亿千瓦时，发电装机将达到 16 亿千瓦左右。要满足未来持续增长 的电力需求，从根本上解决煤电运力紧张反复出现等问题，促进大型煤炭能源基地的集约化 开发，我国的智能电网建设必须加快发展特高压骨干输电网，实施电力的大规模、远距离、 高效率输送，建立坚强的输电系统，形成全国范围的资源优化配置格局，为电力系统更高层 次的智能化提供坚实的基础1。35特高压输电技术是世界电力科技领域的前沿技术，在我国乃至世界上有重要的工程应用 前景。研究开发特高压输电技术与装备已被列入了国家“十一五”科学技术发展规划和国 家中长期科学和技术发展规划纲要。作为国际电力技术前沿的气体绝缘高压输电线（gas insulated transmission lines，GIL）必将在我国智能电网大平台上发挥更加重要的作用，成为 电力工业生产和发展中不可或缺的重要节能环保电力装备。基金项目：国家自然科学基金（51177101）作者简介：邓云坤（1989-），男，博士研究生，主要研究方向：气体放电与气体绝缘，GIS 故障诊断通信联系人：肖登明（1953-），男，教授，主要研究方向：高电压与绝缘技术、电力设备在线监测与故障 诊断. E-mail: - 6 -401GIL 的优势与发展历程传统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45压及载流量截面积限制，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2。气体绝缘高压输电线路 GIL，是一种采用高压气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、 大电流电力传输设备。GIL 的电气特性与架空线路相似，但由于其采用管道密封绝缘，因此 不受恶劣气候以及特殊地形等环境因素的影响，同时 GIL 可以有效利用有限的空间资源，50实现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。与电力电缆相比，GIL 具有 载流量高的特点，而且电容比高压电缆小的多, 因而即使进行长距离的电力输送，也不需要 无功补偿，更加适合大容量电能的远距离传输。除此之外，GIL 还具有安全方防护性好、占 地空间小、过载容量高、运行可靠、故障率低等一系列优点。因此在我国智能电网发展过程 中，采用 GIL 传输特大容量电能设备将在输配电领域得到更加广泛的应用。55GIL 技术始于上世纪七十年代，第一代 GIL 采用 SF6 气体作为绝缘介质，并首次应用 于德国 Schluchsee 水库的抽水蓄能电站，作为坑道中发电机变电器与架空线之间的连接桥 梁。GIL 具有极高的可靠性，因此投运之后一直从未中断，不需要任何的检修措施。到九十 年代，第二代 GIL 应运而生。由于简化了绝缘概念和铺设技术，使用了新的焊接工艺，更 重要的是采用 SF6-N2 混合气体作为绝缘媒介，因此与第一代 GIL 相比，第二代 GIL 成本降60低了 50%以上3。之所以能采用 SF6-N2 混合气体作为气体绝缘介质，是因为在 GIL 的内部没有开关和电弧，不需要 SF6 的灭弧性能。因此通过适当增大气压，混合气体能够在一定 压力下达到与纯 SF6 相同的绝缘水平。第二代 GIL 的典型应用是瑞士日内瓦机场送电线路的 改造工程，通过在隧道中安装 GIL 来取代架空线路。不难看出，前两代 GIL 都采用 SF6 气 体作为主要的绝缘介质。65SF6 是一种很强的温室气体，其全球变暖潜势（global warming potential，GWP）是 CO2 的 23900 倍，并且由于 SF6 的化学性质极为稳定，在大气中的存在时间可长达 3200 年之久， 一旦泄漏到大气中基本不会自然分解4, 5。1997 年，在防止全球气候变暖的京都议定书 中，SF6 被列为全球管制使用的温室气体6。鉴于此，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来取代 SF6 作为绝缘介质，由此诞生了第三代 GIL 的新70概念，即压缩空气绝缘输电线路(compressed air insulated transmission lines，CAIL)。通常情 况下，完全采用 SF6 气体绝缘的 GIL 运行气压一般在 0.30.4MPa 左右，采用 SF6-N2 混合 气体的 GIL 运行气压一般在 0.20.8MPa。如果要求压缩空气绝缘的 GIL 达到与第一代或第 二代 GIL 相当的绝缘强度，那么充气压力将要达到 11.5MPa，超过标准大气压的十倍，这 无疑将会增加制造工艺的难度，对设备的防泄漏水平提出更加苛刻的要求，因此简单的靠增75加运行气体来提高绝缘强度的方法势必会带来新的问题2。2采用新型环保绝缘气体的 GIL要解决 SF6 气体温室效应严重，对环境不友好的问题，寻找到合适的替代绝缘气体是最 为彻底和有效的解决办法。然而，经过数十年的探索和研究，到目前为止，仍没有一种气体能在绝缘强度、灭弧性能、化学稳定性以及液化温度等方面全面替代 SF6。但是如果绝缘气80体只应用于需要保持绝缘强度，而对灭弧性能没有特殊要求的环境中，例如 GIL，某些环保 型绝缘气体已经具备替代 SF6 的潜质，其中三氟碘甲烷（Trifluoroiodomethane，分子式 CF3I） 就是其中的典型代表。表 1 CF3I 的部分物化性质及其同 SF6 的对比85Tab. 1 Physico-chemical property of CF3I and comparisons with SF6物理或化学性质CF3ISF6分子量195.1146.06熔点（）-110-50.8沸点（）密度（kg/m3）(液体)-22.520，1400-63.8-32.5，2360临界温度（）12245.6临界压力（MPa）3.953.78声速（气体，20，m/s）117134GWP523900ODP0.00010毒性无毒无毒9095100105110CF3I 在常温下为无色无味的气体，无毒不燃，油溶性和材料相容性很好7。它是一种对 环境极其友好的气体，其 GWP 几乎和 CO2 相当。根据不同的文献报道，CF3I 的 GWP 约为 CO2 的 1 到 5 倍，远小于 SF6 气体。由于 CF3I 在大气中的存在时间很短（小于 2 天），这一特性极大地限制了 CF3I 往同温层的移动，因此，尽管含有卤族元素氟和碘，CF3I 也不会 对臭氧层造成破坏8, 9。由于 CF3I 在环境保护方面的优异表现，引起了研究人员广泛的关注。 从上世纪末开始，许多国家都对 CF3I 的热传特性和物化特性展开全面深入的研究，而作为 气体绝缘介质的研究只是其中的一个方面。令人振奋的是，CF3I 在绝缘性能方面也有着极 为出色的表现。2006 年，日本东京大学的研究人员首次采用 200kV 阶跃脉冲实验对 CF3I-N2 和 CF3I-Ar 混合气体的闪络电压及伏秒（V-t）特性进行了研究10。所得到的实验结果表明，CF3I 的绝 缘性能是纯 SF6 的 1.2 倍，且当与 N2 混合比例达到 60%时，混合气体的绝缘强度基本和 SF6 相当。在此之后，墨西哥著名的等离子体专家 J. de Urquijo 不断采用脉冲汤逊放电实验（PulseTownsend Discharge，PT）对 CF3I、CF3I-N2 和 CF3I-SF6 混合气体在 100850Td（1Td=110-17Vcm2）范围内的电离系数 、吸附系数 、漂移速度 Ve 和径向扩散系数 NDL 进行测量，并 根据有效电离系数（-）随 E/N 的变化曲线获得气体临界击穿场强数据，如图 1 所示11, 12。 PT 实验结果表明，CF3I 的临界击穿场强(E/N)lim437Td，远大于 SF6 的临界场强 358Td13。 这意味着 CF3I 在绝缘性能上要优于 SF6 气体。同时在与 N2 混合比例达到 70%的时候，CF3I-N2 混合气体的绝缘强度就能达到纯 SF6 的水平。东京电机大学在 2008 年采用标准雷电冲击实验研究了 CF3I、CF3I-N2 和 CF3I-CO2 混合 气体的击穿特性14。所得到的实验数据同样表明，纯 CF3I 的击穿电压为 SF6 的 1.2 倍以上， 如图 2 所示。其中 60%100%比例的 CF3I-CO2 混合气体，其绝缘强度超过纯 SF6 气体，研 究人员建议将 30%70%比例的 CF3I 混合气体用于替代 SF6。除了采用放电实验对 CF3I 的耐压水平进行实际测量之外，来自东京电机大学的研究人员还从电子输运参数的角度对 CF3I 的输运特性进行了分析计算。2010 年，在各种实验方法 分析的基础上，研究人员从理论计算角度，采用 Monte Carlo 仿真计算了 CF3I 在 1401000Td范围内的电子群参数，理论求解结果与实验数据吻合得很好，进一步验证了 CF3I 气体良好的绝缘性能15。115120125130图 1 CF3I-N2、CF3I-SF6 与 SF6-N2 临界场强(E/N)lim 随 CF3I 或 SF6 气体比例的变化情况Fig. 1 The limiting fields strength (E/N)lim of CF3I-N2, CF3I-SF6 and SF6-N2 gas mixtures as a function of CF3I orSF6 gas content图 2 CF3I-CO2 混合气体在 P=0.1MPa、d=10mm，球球电极下的击穿电压曲线Fig. 2 Breakdown voltage characteristics of CF3I-CO2 mixture (P=0.1MPa, d=10mm, sphere-to-sphere electron)综合以上分析，无论是放电击穿实验研究还是理论计算结果，纯 CF3I 的绝缘性能都远 优于 SF6，表现出对 SF6 良好的替代潜能，但我们仍要对 CF3I 混合气体进行研究，一方面 是由于目前市场上 CF3I 的价格仍比较昂贵，与缓冲气体（N2、CO2 等）混合之后，在保证 绝缘的基础上能降低价格。更主要的原因则是 CF3I 的液化温度较高，希望混合缓冲气体之 后能降低液化温度，增加 CF3I 的适用范围。根据 CF3I 气体的饱和蒸汽压曲线和范德瓦尔兹 方程，我们可以得到 CF3I 与理想气体（如 N2 等）混合后的液化温度曲线随气体混合比例以 及压强之间的关系，如图 3 所示。4020混合气体液化温度（）0-20-40-60-80-10001CF3I气体比例135图 3 CF3I-N2 混合气体的液化温度随 CF3I 比例的变化情况（气体压强从下往上依次为：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 和 0.7MPa）Fig. 3 Relation of boiling point of CF3I-N2 gas mixtures as a function of mixing ratio (The gas pressure is 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7MPa from the bottom up)140145150155在典型的 GIL 应用中，如果采用纯 SF6 作为绝缘介质，气体的压强需要达到 0.30.4MPa左右。我们知道气体的绝缘强度与所加压强成正比，如果采用纯 CF3I 来替代 SF6 进行绝缘， 要达到和 SF6 相同的绝缘强度，只需要加压至 0.250.33MPa 左右。根据图 3 中 CF3I 混合气 体液化温度曲线可知，在此气体压强下，纯 CF3I 的液化温度基本已经超过 0，因此纯的 CF3I 很难应用于气体绝缘型高压设备中。根据前面的分析可知，60%70%比例的 CF3I-N2 混合气体绝缘强度与 SF6 相当，按照 0.30.4MPa 下 SF6 的绝缘要求，只需要加压到同等气 压就能达到相同绝缘强度。从图 3 可以看出，在 0.3MPa 的压强条件下，60%比例的 CF3I-N2 混合气体的液化温度低于-10，只能满足我国部分地区的使用要求。若混合气体比例为20%，根据文献11中给出的临界场强数据，取(E/N)lim=232Td，若要达到 0.30.4MPa 条件 下 SF6 的绝缘等级，则气压需要增加到为 0.460.6MPa，对应图 3 中的曲线可以看出，混合 气体液化温度将低于-20，完全满足实际使用的需求。同样，10%比例的 CF3I-N2 混合气体 在压强增加到 0.7MPa 后，也能达到和 0.4MPa 下 SF6 同等条件的绝缘强度并保证液化温度 低于-30。综合各方面的因素考虑，气体含量在 10%20%的 CF3I-N2 混合气体适用于 GIL 中作为绝缘介质。因此，一定比例和气压下的 CF3I 混合气体既能保证不液化，又能达到和 SF6 相当的绝 缘强度。相比于采用压缩空气的 GIL，CF3I 混合气体所需压强更低，能降低工艺门槛，便于 生产制造。价格较高的缺点也能在与普通气体混合后得到一定的缓解，而且随着 CF3I 不断 推广应用于灭火和制冷领域，价格将不会成为长期阻碍 CF3I 的推广应用的主要问题。因此， 采用 CF3I 进行绝缘的 GIL 比第一代和第二代 GIL 更加环保，比采用压缩空气绝缘的 GIL 有 更好的综合性能。3结论由于 CF3I 气体具有对环境友好、绝缘强度高等特点，因此采用新型环保绝缘气体的 GIL不仅能够有效地减少温室气体排放，还能够在保证绝缘强度的同时，不提高运行气压等级，160165170175180185190195200因此不会对设备的机械强度、防泄漏水平等制造工艺提出过高的要求。随着我国智能电网建设的不断发展，采用新型环保绝缘气体的 GIL，将在提高电网输送效率、推进节能减排增效、 优化环境资源利用等方面起到积极的作用，成为未来学科发展的新方向。参考文献 (References)1 刘振亚. 智能电网知识读本M. 北京：中国电力出版社, 2010.LIU Zhen-Ya. 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