黃家圣 劉翰柱 鄭 旺

（西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021）

GIL氣體絕緣管道輸電方案研究

黃家圣 劉翰柱 鄭 旺

（西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021）

GIL作為一種新的輸電方式，在國內(nèi)外得到一定的發(fā)展和應(yīng)用。與電纜和架空線相比，有其明顯的優(yōu)勢，電阻損耗明顯降低，不受外界環(huán)境的影響，無電磁環(huán)境影響，運(yùn)行維護(hù)成本低，使用壽命長，其缺點是造價高。介紹了GIL的特點、結(jié)構(gòu)、制造、安裝方式、選型、國內(nèi)外應(yīng)用及發(fā)展，對走廊擁擠段采用GIL輸電方案進(jìn)行了探討。

GIL；輸電

前言

四川西部金沙江、雅礱江、大渡河水電資源豐富，根據(jù)規(guī)劃，將有多回500kV送出線路經(jīng)過海拔3000～4000m的二郎山通道，地形、地質(zhì)、氣象條件均十分惡劣，走廊極為擁擠。為此，我們開展了架空、電纜、氣體絕緣管道輸電方案研究。

氣體絕緣管線（Gas Insulated Line－GIL）輸電方式是一種采用SF6氣體或SF6和N2混合氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流電力傳輸設(shè)備。

GIL作為當(dāng)今世界的先進(jìn)輸電技術(shù)，提供了一個緊湊、可靠、經(jīng)濟(jì)的電力輸送方式。GIL的設(shè)計提供了有效的電磁屏蔽以保證最小的線路走廊要求并保證周圍環(huán)境與安全。隨著輸電環(huán)境的日趨復(fù)雜以及可靠性要求的不斷提高，GIL得到了一定的發(fā)展和應(yīng)用，全世界已擁有氣體絕緣輸電線路100km以上[1]。

1 GIL特點

（1）GIL為剛性結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，加工精度高，有很高的可靠性，故障率低，無老化問題，幾乎無使用壽命的限制。（2）GIL傳輸容量大，輸送功率可達(dá)4GW及以上，目前生產(chǎn)最大電流為8000A。（3）電能損耗小。相比架空線路和電纜，GIL的輸電損失最小。原因在于它的電阻小，其值約為6mΩ/km，而架空線約為30mΩ/km，電纜約為20mΩ/km。（4）電容電流小。（5）無電磁干擾。GIL的導(dǎo)線電流在外殼內(nèi)會誘發(fā)一種同值反向電流，因此GIL外部的電磁場可忽略不計。（6）不受敷設(shè)高差和彎曲半徑限制，也不受大氣和環(huán)境影響，安裝簡便、快捷，不會產(chǎn)生導(dǎo)體滑動，也無需特殊工具，終端連接簡單方便。（7）運(yùn)行維護(hù)工作量小，年漏氣率只有0.5%（系統(tǒng)設(shè)有具有溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w密度監(jiān)測儀），基本不檢修。（8）安全性高。以SF6氣體或SF6和N2混合氣體作絕緣介質(zhì)，不會燃燒，有利于防火設(shè)計，有利于勞動安全防護(hù)。（9）一次設(shè)備投資較大，約2萬元/m，一般投資為架空線路的10倍以上，最低為5～7倍。但在大容量高電壓輸送中，其投資低于電纜線路。

2 GIL結(jié)構(gòu)

GIL輸電系統(tǒng)由導(dǎo)體、外殼、支持絕緣子、導(dǎo)體連接4個主要部分構(gòu)成[2]。

系統(tǒng)詳細(xì)說明和主要元件如下：

（1）導(dǎo)體。采用導(dǎo)電性能高的鋁合金材料，作用是傳輸電流。導(dǎo)電管的厚度與載流量有關(guān)，外徑與電壓等級有關(guān)。（2）三柱式支撐絕緣子。材料為環(huán)氧樹脂，三個支柱呈120度排列，作用是支撐導(dǎo)電管并保持導(dǎo)電管與外殼同心。絕緣子直接熔鑄在導(dǎo)體鋁套筒上。（3）盆形絕緣子。在母線內(nèi)適當(dāng)?shù)胤奖仨氀b有氣體或污染隔離柵，辦法就是使用盆形絕緣子，其材料為環(huán)氧樹脂。盆形絕緣子用于氣隔的劃分，并承受垂直布置方式下導(dǎo)電管的重量。（4）絕緣氣體。其作用是用于導(dǎo)電管與外殼之間的絕緣。早期的GIL采用絕緣性能良好的SF6氣體，氣壓0.44～0.515MPa。由于采用100%SF6氣體其價格昂貴，為了降低成本，現(xiàn)在國外改用80%N2/20%SF6混合氣體，氣壓0.7MPa。1－套管單元；2－三通裝配；3－波紋管及伸縮節(jié)；4－母線；5－隔離組件單元；6－避雷器連接件；7－電纜終端連接件；8－支架

圖1 GIL組件示意圖

（5）外殼。采用高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性能的鋁合金材料。外殼內(nèi)徑主要與電壓等級有關(guān)。（6）T型接頭裝置。其作用是完成母線系統(tǒng)改變方向或多點并聯(lián)接。（7）套管組件。套管組件由一個瓷質(zhì)外殼和氣體絕緣母線的接頭組成，其作用是完成管道母線與其它線路的連接。（8）顆粒吸附器。在每一個絕緣子與外殼間環(huán)繞一個環(huán)形微粒收集器，其作用是將現(xiàn)場裝配時因疏忽而產(chǎn)生的雜質(zhì)收集到微粒收集器內(nèi)部，防止微粒引起閃絡(luò)。（9）導(dǎo)電管連接組件及導(dǎo)電管插座式觸頭。其作用是用于GIL段與段之間導(dǎo)電管的插接式連接。（10）雙“O”型密封圈。用于GIL段與段之間采用螺栓連接時的密封。雙“O”型密封圈的使用可以提高連接處的密封性能，外密封圈可以延長內(nèi)密封圈的使用壽命。（11）焊接墊環(huán)和“O”型圈。其作用是在GIL段與段之間采用焊接連接時，提高焊接速度，且不會污染GIL內(nèi)部。（12）波紋管和伸縮節(jié)組件。其作用是用以補(bǔ)償殼體的熱脹冷縮以及管道母線安裝時產(chǎn)生的誤差。另外，當(dāng)檢修產(chǎn)品時，還可以利用伸縮節(jié)組件進(jìn)行解體，使得檢修裝卸變得十分快捷方便。（13）母線支撐。母線段必須間隔地從基礎(chǔ)或其它結(jié)構(gòu)上支撐。每一種安裝都有一個獨(dú)特支撐位置的選擇，詳細(xì)設(shè)計以保證母線適當(dāng)支撐。由于鋁具有高熱膨脹比率，所以必須同時提供母線固定型式支撐和熱脹冷縮期間允許母線移動的滑動支撐。（14）制造長度。500kV氣體絕緣輸電管道母線的制造長度主要受管材制造技術(shù)和出廠運(yùn)輸條件以及現(xiàn)場運(yùn)輸條件的限制。目前國外生產(chǎn)廠家最大制造長度為20m，國內(nèi)生產(chǎn)廠家制造長度可達(dá)10m以上。受運(yùn)輸條件限制，GIL的交貨長度一般為5m～12m。

3 GIL的安裝技術(shù)

3.1 GIL的安裝方式

GIL主要有3種安裝方式：直埋型、戶外架空型與隧道布置型。

（1）直埋型：在鋁合金外殼包繞瀝青玻璃絲帶，起防腐和直埋緩沖作用。連接方式采用現(xiàn)場焊接，大約每百米設(shè)計充氣、壓力釋放以及密度監(jiān)測裝置井。（2）戶外架空型：采用鋼支架、任意高度任意走向。連接方式可采用焊接或法蘭連接。在有腐蝕性氣體的場所或海邊可涂一層白色漆防腐。對法蘭連接方式，應(yīng)涂防水膠以防密封圈老化。（3）隧道布置型：采用鋼支架，水平、垂直布置均可，連接方式可采用現(xiàn)場焊接和法蘭連接，無需采用防腐、防水措施。

GIL外徑如為512mm，相間軸向間距1100mm，規(guī)劃線路4回，中間留2個寬1500mm的檢修通道，通道兩側(cè)垂直排列各布置一回，則斷面尺寸5400mm×3100mm。

由于每個廠家的制作工藝、水平以及設(shè)計方式各不相同，所以GIL產(chǎn)品的規(guī)格、尺寸也各不相同?；谶@個原因，GIL隧道斷面尺寸也會因為產(chǎn)品的不同而不同。

當(dāng)然，具體采用哪種安裝方式，還要根據(jù)具體工程的具體情況結(jié)合工程現(xiàn)場的地形限制、安裝維護(hù)來綜合加以考慮。

3.2 GIL的安裝條件

由于GIL特殊的結(jié)構(gòu)原理，對于GIL的安裝條件有嚴(yán)格的要求。安裝必須選擇在干燥、無風(fēng)的晴天，盡量避免水分及粉塵的進(jìn)入，而且時間要盡可能短，防止絕緣部件受潮。要特別注意雨天嚴(yán)禁施工。

3.3 GIL的安裝步驟

GIL現(xiàn)場安裝工作量大，難度高，因此，需合理安排安裝順序及設(shè)置先進(jìn)安裝設(shè)備，以保證質(zhì)量和工期。

安裝前要開箱檢查，準(zhǔn)備好安裝時用的設(shè)備、工具和材料。

安裝步驟：

1）檢查地基、固定支架。2）嚴(yán)格按照安裝使用說明書進(jìn)行安裝和焊接。3）抽真空、充SF6氣體。4）高壓試驗。

4 GIL的發(fā)展

GIL從1970年開始在世界范圍內(nèi)投入使用。用于電能傳輸?shù)腉IL與SF6全封閉組合電器（GIS）的母線在結(jié)構(gòu)上類似，因此GIL的發(fā)展進(jìn)程基本與GIS同步。

GIL輸電系統(tǒng)最初是由美國高壓開關(guān)公司和麻省理工學(xué)院首次合作開發(fā)完成，其第一個用于商業(yè)的GIL系統(tǒng)已于1972年安裝。1974年西屋電氣公司購買了生產(chǎn)專利。ABB Power T&D于1989年也購買了生產(chǎn)專利。1999年美國AZZ電氣集團(tuán)合并收購了這條生產(chǎn)線[1]。

德國西門子公司生產(chǎn)的第一條氣體絕緣輸電管線（GIL）于1974年用于德國Schluchsee市的抽水蓄能電站。

日本電力工業(yè)中心研究機(jī)構(gòu)早在1963年就對SF6氣體絕緣輸電線路（GIL）開始了基礎(chǔ)理論研究，實現(xiàn)了與架空線路傳送容量相一致的大容量地下傳輸線路。緊接著東京電力公司和關(guān)西電力公司對GIL的小型化和實用化進(jìn)行了研發(fā)，這些GIL已經(jīng)被應(yīng)用在154kV～500kV的傳輸線路中。自從1979年將GIL首次應(yīng)用于154kV線路以來，如今在日本已經(jīng)可以建造應(yīng)用于500kV線路的GIL。從1992年起日本開始對長距離GIL進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用在Shinmeika－Tokai傳輸線路上[3]。

現(xiàn)在GIL已經(jīng)發(fā)展到第二代技術(shù)。第二代GIL是為瑞士日內(nèi)瓦機(jī)場旁的Palexpo展廳六工程設(shè)計的。該工程全長約450m，單相鋁管結(jié)構(gòu)。在研發(fā)第二代氣體絕緣輸電管線時，將降低至少50%的費(fèi)用放在首位。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，采用了以下新技術(shù)和措施[3]：

（1）將GIL做成模塊式結(jié)構(gòu)，整個GIL輸電系統(tǒng)采用4種標(biāo)準(zhǔn)模塊：直線組件、彎角組件、隔離組件以及補(bǔ)償組件。（2）將昂貴的100%SF6氣體絕緣改為80%N2/20%SF6混合氣體絕緣。研究表明：當(dāng)SF6氣體為20%組份時，絕緣強(qiáng)度在0.3MPa下約為15kV/mm。這相比100%SF6氣體組份時的18kV/mm約減少20%，但SF6氣體的體積卻減少80%，大大降低了成本。（3）采用軌道焊接技術(shù)。（4）采用管道鋪設(shè)技術(shù)。

5 國內(nèi)外應(yīng)用情況[1]

（1）黃河拉西瓦水電站GIL出線。（2）嶺澳核電站項目。GIL用于連接500kV主變壓器于500kV開關(guān)站，長度約500m。（3）PP8電站。PP8電站位于沙特阿拉伯，其GIS變電站設(shè)置于電站末端對面，變壓器的輸出需要通過一個相當(dāng)長的距離到達(dá)GIS。GIL布置是由3回380kV在架空鋼支架上相互重疊，連接在升壓變壓器核GIS之間，平均一回線路長度為750m，重疊線路布置大部分共用同一鋼支架。（4）Revelstoke水電站項目。Revelstoke水電站位于加拿大B.C.省，從變壓器斷路器到GIS之間的連接采用兩回500kVGIL管道母線，允許沿隧道墻壁緊湊安裝，并且因為它的外殼接地，所以使隧道具有最小空間，這種線路布置對工作人員沒有觸電危險。

圖3 黃河拉西瓦水電站GIL出線

圖7 Revelstoke水電 站GIL隧道

（5）Claireville項目。Claireville水電站位于加拿大安大略省，最早于1975年投入運(yùn)行并歷經(jīng)幾次擴(kuò)建，其中包括3回550kV出線。

6 GIL的選型

6.1 GIL的相數(shù)

氣體絕緣管道母線分為兩種：（1）單回3相；（2）三相式GIL，即多回的載流量集中在一個三相管母線中。但每單元GIL重量是單相式的3倍，連接工序中對3個導(dǎo)體位置的同時調(diào)整非常困難，隧道中的連接是非常困難的，由于直徑變得較大，不能使用擠制管道作為外殼，由三相共體引起的造價減少微乎其微，所以一般不采用三相式。

6.2 GIL的技術(shù)參數(shù)[3]

表1 第二代GIL的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)，可進(jìn)行具體工程的選型，或提出技術(shù)規(guī)范書，通過招投標(biāo)采購。

7 結(jié)語

GIL與電纜和架空線相比，有其明顯的優(yōu)勢，電阻損耗明顯降低，不受外界環(huán)境的影響，可靠性、安全性極高，外部的電磁場可忽略不計，無電磁環(huán)境影響，運(yùn)行維護(hù)成本低，使用壽命長。其缺點是造價很高。

GIL作為一種新興的輸電方式，在國內(nèi)外得到一定的發(fā)展和應(yīng)用，但國內(nèi)輸電線路上還沒有先例，應(yīng)該積極探索研究。

在地形、地質(zhì)、氣象、交通條件惡劣或走廊擁擠段可以作為一種可選的輸電方式。結(jié)合具體工程深入分析，綜合考慮各方面因素來決定是否采用。

[1]美國CGIT公司，《壓縮氣體絕緣輸電管道系統(tǒng)》，2004年2月.

[2]平高集團(tuán)公司，《氣體絕緣高壓剛性輸電線路》，2006年10月.

[3]T.NOJIMA,M.SHIMISU,《GIL在日本地下長線路輸電中的應(yīng)用》，上海電力，2005年第4期：433-439.

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