近年来,随着“西部大开发”和“西电东送”战略的不断进行,我国相继启动了一大批大型水电站,正在勘测设计的水电工程规模空前。在西南,正在建造以及未来5年内准备开工的大中型水电站总装机容量将达数千万千瓦,如云南澜沧江上的小湾水电站、金沙江上的溪洛渡水电站、向家坝水电站及雅砻江和大渡河上的梯级开发等;在西北,黄河上游的拉西瓦水电站已经建成。这些大型工程的选址多位于西部高原地区的深山峡谷中,远离中、东部负荷中心,其机组容量巨大,且多采用地下厂房布置方式,送出工程比较困难,而GIL正是解决大型水电站进出线的主要方式之一（图4）。据不完全统计,我国的部分水电站和核电站工程已经开始
图3瑞士日内瓦Palexpo会议展览中心的GIL系统（运行电压220kV,2001年投运）
相继采用GIL作为电站的进出线方式,例如大亚湾岭澳核电站500kVGIL工程和拉西瓦水电站800kVGIL工程[6]。岭澳核电站（一期）安装2台990MW压水堆型核电机组,为确保运行可靠性,主变压器高压侧至500kVGIS间的连接导体选用了550kVGIL。拉西瓦水电站安装6台700MW水轮发电机组,总装机容量4200MW。水轮发电机组及高压配电装置布置在地下洞室内,与布置于地面的出线站间高度差近220m。为解决出现问题,选用两回800kVGIL将电能从地下洞室输送至地面出线站,再与架空线路连接,并入电网。拉西瓦水电站地下厂房工程复杂、巨大,其采用的GIL电压等级、竖井高度和建造难度均位列世界前茅[7]。
交流GIL经过多年发展,积累了大量的设计和工程经验,技术日趋成熟,且最初投运的线路也己经安全运行了接近40年,证明了GIL技术的可靠性和稳定性。国内外220kV及以上电压等级的部分典型应用见表2。
GIL的发展
1、GIL发展的3个时代
1）第一代GIL采用纯SF6气体作为绝缘介质,充气压力为0.3~0.4MPa。
2）第二代GIL采用体积分数20%SF6-80%N2混合气体作为绝缘介质,充气压力为0.7~0.8MPa。
3）第三代的干燥洁净压缩空气,充气压力为1~1.5MPa。
GIL从1970年起开始在全世界范围内投入使用。第一代GIL采用SF6气体作为绝缘介质,首次应用于德国Schluchseewerke股份公司的Wehr抽水蓄能电站。这条线路电压等级为420kV,额定电流2500A,全长700m,敷设在山体隧道内,通过长约570m的斜井连接发电机与洞顶架空线。
到了20世纪90年代,第二代GIL技术诞生。第二代GIL与第一代GIL相比,大大简化了绝缘概念,减少了绝缘材料的使用,使用了新的焊接工艺,同时改善了敷设技术,最重要的是采用了SF6-N2混合气体作为新的绝缘媒介。因此,第二代GIL的成本比第一代降低了50%以上。之所以能够采用SF6-N2混合气体来作为GIL中的绝缘气体,是因为在GIL的内部没有开关和电弧,没有开断和灭弧的要求,不需要SF6的灭弧性能。因此通过适当增大运行气压,SF6-N2混合气体就能够在一定压力下达。
图4青海省拉西瓦水电站GIL系统（运行电压800kV,2009年投运）
表2GIL典型应用
到与纯SF6气体相当的绝缘水平。2000年,第二代GIL技术首次应用于瑞士日内瓦机场旁的Palexpo展厅工程。这条线路额定电压为220kV,全长约450m,架空敷设,单相铝管结构,使用20%的SF6和80%的N2混合气体绝缘。
由于SF6是一种很强的温室气体,所以有学者提出不使用SF6气体的绿色节能环保型GIL,并建议采用压缩空气为绝缘媒介来取代SF6,由此诞生了第三代GIL的新概念,即压缩空气绝缘输电线路（compressedairinsulatedtransmissionlines,CAIL）。但是如果要求压缩空气的绝缘强度接近纯SF6气体相当的水平,充气压力将会超过十个大气压（1MPa）以上,不仅会增加制造工艺的难度,同时更不利于设备的稳定运行,对设备的防泄漏水平提出了更加严苛的要求。然而,依据国内有关单位的研究报道,充气压力达到1.5MPa的CAIL,其耐压水平也没有到达要求,显然,CAIL不适合应用于高压或超高压等级,仅可考虑在中压系统的应用[8]。
2、SF与N混合气体的GIL
考虑到SF6气体具有很强的温室效应,国际上对SF6混合气体的应用研究已开始转为降低SF6气体的排放量。通过对SF6-N2混合气体的击穿场强的研究发现,如果SF6-N2混合气体保持合适的配比,混合气体的耐电强度不比纯SF6气体低太多,SF6含量较低时,混合气体的液化温度降低,使高压电器也可在较高气体压力下适用于高寒地区。此外,SF6-N2混合气体还能降低纯SF6气体放电电压对电场不均匀、金属颗粒及电极表面粗糙度等的敏感性,目前具有良好的应用前景。
与纯SF6气体相比,SF6-N2混合气体具有以下优点：
1）减少SF6气体的用量,有利于环保。SF6气体具有很强的温室效应,而目前研究的SF6-N2混合气体中SF6气体的体积分数较低,一般在5%~30%范围内,大大减少了SF6气体的用量。
2）价格便宜,通过混合N2,可以有效降低混合气体的成本。对于气体体积分数为50%SF6-50%N2混合气体而言,与纯净的SF6气体相比,即使提高0.1MPa的气压,仍可降低约40%的成本。对于420kV的GIL,若采用0.55MPa的SF6气体,SF6气体用量约为13.9t/km;若采用0.8MPa的20%SF6和80%N2混合气体,SF6气体用量约为4.0t/km,可节约SF6气体71.2%。
3）液化温度低。由SF6气体的特性可知,SF6气体液化温度很高。当SF6气体在0.7MPa压力下,环境温度下降到-20℃时就会液化。而N2的液化温度很低,在同样的0.7MPa压力下,环境温度下降到-150℃才会液化。所以在加入适量的N2之后,SF6-N2混合气体的液化温度与纯SF6气体相比会降低很多,0.7MPa的20%SF6和80%N2混合气体在环境温度下降为-130℃时才会液化。
根据国内外科研院所的理论研究和试验数据可知,在SF6-N2混合气体中,当SF6的气体体积分数从0提高到20%时,混合气体的击穿电压迅速增加,而当气体体积分数超过20%后,击穿电压的增长变得缓慢。因此,在综合考虑各方面因素后,研究者认为用于GIL的SF6-N2混合气体中SF6的气体体积分数宜取在10%~20%范围内。同时,由于在此范围内混合气体的击穿电压低于纯净的SF6气体,因此在不改变GIL产品尺寸的前提下,若要达到相同的绝缘强度,将需要提高混合气体的充气压力[9]。
图5以SF6-N2作为气体绝缘介质的145kVGIL示意图
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。
