亚博买球app

中咨视界

吕晓洁 朱宁 陈琦 | 气体绝缘输电技术特征及应用前景展望
发布日期:2022-11-17 作者:吕晓洁 朱宁 陈琦 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

气体绝缘输电技术特征及应用前景展望

吕晓洁 朱宁 陈琦

摘要:碳达峰、碳中和将改变电源结构,电网也将发生根本性变革。为保护环境、应对气候变化,适应大规模海上风电接入电网的需要,满足城镇化建设和人们对美好环境的需求,解决水电站高落差电力送出等问题,需要研究一种大容量、占地少、损耗小、抗灾性强、环境友好的输电线路技术。本文介绍了GIL技术的发展历程,分析了GIL技术应用存在的关键性问题,对GIL未来在电力系统的重点应用场景进行了展望,总结提出GIL的发展方向和亟待解决的技术难点问题。

关键词:GIL;刚性输电设备;气体绝缘;海上风电;城镇化建设

 

气体绝缘输电线路(Gas-Insulated Transmission Lines,GIL)是一种大容量、高电流、刚性输电设备,采用六氟化硫(SF6)、六氟化硫/氮气(SF6/N2)或其他气体绝缘,具有输电容量大、传输损耗小、抗自然灾害能力强、占地面积小、电磁环境友好等显著优点,适合于气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)、架空线、电缆、变压器等设备间的连接。

一、GIL技术发展历程及主要特征

(一)GIL技术发展历程

高气密性是GIL技术发展的关键问题之一,因此以绝缘气体的变更将GIL发展划分为三个发展阶段。第一代GIL绝缘气体采用100% SF6,第二代采用SF6与N2的混合气体(如20% SF6和80%N2),新一代采用环保气体(如美国3M公司提出的七氟异丁腈C4F7N、GE公司提出的C4F7N/CO2、中国科学院研究的C4F7N与N2或CO2等环保混合气体)。

GIL自20世纪70年代进入工程应用以来,主要采用SF6气体绝缘,是当前最成熟的技术方式,但SF6气体具有强温室效应,其全球变暖潜能值(Global Warming Potential,GWP)为23800、大气寿命为3200年,被国际上列为限制排放的气体,尤其是对于高压和特高压GIL,每公里气室使用的SF6近10余吨,环保压力巨大。因此,20世纪90年代,以降低温室气体排放和成本的SF6/N2混合气体绝缘型GIL逐渐进入技术研究领域,21世纪初实现了产品化和工程应用。随着全球低碳发展时代的到来,新一代环保气体绝缘型GIL在2010年左右被提出,美国GE公司采用七氟异丁腈与二氧化碳(C4F7N/CO2)构成绝缘气体,研制的420千伏GIL于2017年在英国投运,标志着环保型GIL进入工程起步阶段。

随后,美国、加拿大、德国、日本、沙特阿拉伯等相继建成了较长距离的GIL,总长度超过700公里,电压等级覆盖72~1200 千伏,其中550千伏和420千伏应用最普遍。

美洲自20世纪60年代开始研究GIL技术,1972年美国新泽西州哈德逊电厂安装了世界上首条交流GIL线路,额定电压242千伏,额定载流量1600安培,采用直埋敷设方式;加拿大鲍曼维尔(Bowmanville)GIL工程建造于1985~1987年,是目前世界上额定通流能力最大的GIL工程,其额定电压550千伏,最大额定电流8000安培,全长3.2公里,采用地上钢架支撑结构。

欧洲首个GIL安装于1975年建成的德国施卢赫湖的韦尔(Wehr)抽水蓄能电站,额定电压380千伏,额定载流量2000安培,全长4.2公里,采用山体隧道敷设方式;瑞士日内瓦PALESPO会展中心GIL工程于2001年建成,首次采用西门子公司第二代GIL,采用SF6/N2混合气体绝缘(SF6与N2气体体积比为1:4),SF6用量的减少降低了建设成本,其额定电压300千伏,额定电流2000安培,全长2.56公里,采用地下隧道敷设。

亚洲典型的GIL工程有日本名古屋新名火—东海(Shinmeika-Tokai)线路,于1998年建成,额定电压275千伏,额定载流量6300安培,全长3.3公里,采用隧道安装,特点是隧道上层为双回GIL,下层为液化天然气管路,以及采用现场焊接安装方式。另外,沙特阿拉伯PP9工程于2004年在首都利雅得建成,额定电压420千伏,额定电流1200安培(55℃以下),全长17公里,采用地上钢结构支撑,实现了在昼夜温差大、沙尘较多等沙漠气候下电能的安全高效传输。我国淮南-南京-上海1000千伏交流特高压输变电工程苏通GIL综合管廊工程于2019年9月建成,是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术和创新水平最高的GIL工程,额定电压1000千伏,额定电流1600安培,全长5.5公里,采用江底隧道方式敷设。

苏通1000千伏交流特高压GIL综合管廊

(二)电网GIL技术的主要特征

电网采用的主要输电方式有架空输电和地下输电方式。相比传统的架空输电线路,地下输电方式在我国得到了越来越多的应用。目前已建成的地下输电线路中,最普遍的是固体绝缘电缆,其次是GIL。固体绝缘电缆主要应用于10千伏~220千伏电压等级。与架空输电线路相比,电缆线路工程占地少,对城市环境影响较小,不受外界大风、雷电等外部自然环境影响,供电可靠性相对较高,有利于提升城市发展空间,但造价水平较高、载流量相对较低、施工工期一般较长。相比架空输电线路和电缆线路,采用GIL的优势比较明显。主要特征阐述如下。

1.输电容量大且适应电网能力强

GIL是架空线路的理想替代或补充方案。电缆线路输送电流一般不大于2200安培,而GIL线路输送电流可到8000安培、输送容量达到4000兆伏安。GIL可与任意截面的架空线路匹配且不需要降低容量,与电缆线路、电厂变压器等开关设备也可灵活连接,适应能力好。

2.输电损耗和电容负载低

由于导体和外壳截面大,电阻损耗很小,GIL的额定电流越高,在相同输电容量下其损耗低的特性更加显著。GIL的电容小,一般为55微法每公里,不仅涌流小,而且在传输距离100公里左右的情况下通常不需要或仅需很少的补偿线圈,能够有效降低电网的热损耗。

3.抗自然灾害能力强

GIL属于封闭结构,相对架空输电线路,具有良好的抗冰冻雨雪性能,尤其是在龙卷风、台风等极端天气高发区,采用地下敷设方式的GIL是应对自然灾害、保障电力稳定供应、提高电网安全可靠性的理想方式。

4.电磁干扰较小

GIL导体电流在外壳内会感应出同样大小但相位差180°的电流,两个电磁场叠加结果接近为零。因此,在周围环境需要限制磁场的情况下,相对架空线路和电缆线路,可靠接地的GIL能够实现低磁场要求。特别是当输电线路靠近居民区,或对于使用灵敏电子设备较多的企业单位,低磁场是非常普遍的需求。

5.安全性较高且设备寿命长

如果GIL管道内部发生绝缘故障,所引发的电弧被封闭在管道内部,不会对外部人员和设备形成危害。另外,GIL所用的全部材料都是阻燃型,不会燃烧,有利于防火安全。GIL采用气体绝缘,绝缘件的电场强度和GIL的最高温度均不足以产生电老化或热老化,GIL的制造材料具备抗电气和热老化特性,预计寿命通常能够达到50年。

6.占地少且环境友好

GIL通常采用地上钢架支撑、直埋或隧道敷设方式。在同容量输电的条件下,较架空线和电缆线路的占地少,尤其是地下敷设方式,能够有效释放城市土地资源,提升城市发展空间,美化城市景观环境,实现安全供电和线路“隐形”的双优效果,有利于满足居民对电力的需求和对美好生活环境的追求。

苏通1000千伏交流特高压GIL综合管廊工程

二、GIL设备设计和技术应用需要关注的主要问题

(一)GIL设备设计需要关注的主要问题

GIL设备主要由外壳、中心导体和绝缘子构成,外壳与中心导体同轴布置。其中外壳是容纳绝缘气体的铝合金压力容器,有成型管材、板材卷焊及带材螺旋焊;中心导体一般采用管型设计、承载工作电流,采用高导电率的铝合金管材;绝缘子在壳体内部安装,绝缘子附近装设有微粒陷阱捕捉金属微粒,提高GIL绝缘可靠性。

GIL在电气性能上与架空线较为相似,区别之处在于GIL导体密封于外壳中,不仅能够防止灰尘、潮湿空气、冰雪及腐蚀性气体等环境因素对输电线路的影响,也能够保持GIL电气性能的稳定性。然而,GIL特殊的设备结构和超大容量的通流能力,要求在设备设计中应关注如下问题。

1.GIL设备气体密封性能

当GIL设备采用隧道安装或其他密闭环境安装时,由于空间密闭性,一旦发生SF6绝缘气体泄漏,一是其流通缓慢且不易排出,二是比重大容易在底层空间滞留,三是其本身无色无味不易使人察觉,因此可能在局部空间积聚,从而造成隧道内局部缺氧,对巡检人员产生潜在的窒息等安全风险。因此,需要从封闭系统的元件强度、系统设计、产品质量和安装控制四个方面进行严格控制,采用低气体泄漏率的法兰、密封槽、密封圈等密封措施,尤其是一般需要在法兰对接处采用双道密封结构,保证SF6年泄漏率在0.01%~0.1%,满足《气体绝缘金属封闭输电线路技术条件》(GL/T978-2018)相关要求。

2.GIL设备发热处理

GIL设备发热来源于导体通流产生的热效应,取决于通流设计能力。通常GIL的通流截面积较大、可达10000平方毫米以上,电阻较小、通常每公里数毫欧,因此GIL通流能力强、传输容量大,然而在通过数千安培的大电流时,GIL的温升和散热问题不容忽略。通常,敷设在地面上的GIL设备的载流量由导体的最高温度决定,直埋型GIL设备的载流量由外壳允许的最高温度决定。通过在不同的敷设方式及环境条件下,采用不同的温升计算方法确定GIL载流量,既使其达到较高的使用效率,同时也防止设备热效应产生温度异常而引发事故。

3.GIL的绝缘性能

GIL的气体绝缘系统由绝缘子、铝合金管材外壳以及绝缘气体组成,目前采用SF6气体的GIL设备相对成熟和普遍。实际上,GIL最初研发的基本原因是基于人造气体SF6,SF6自19世纪20年代被发现,是一种无毒、惰性、不燃、不腐、具有长期稳定性的气体,因而具有非常好的绝缘性能。第二代及新一代GIL设备的替代绝缘气体目前相比第一代GIL设备的灭弧能力和绝缘能力有所下降,尚需进一步探索研究。GIL设备典型绝缘设计包括绝缘气体间隙场强控制和绝缘子场强控制。因此,在绝缘气体确定的条件下,合理的场强控制是绝缘性能的关键。

4.GIL内部电弧安全值

内部电弧在GIL能够发生的故障中是最严重的。内部电弧是在发生故障时在GIL外壳内产生的电弧,内部电弧产生的原因可能是绝缘件失效引起的绝缘件表面或内部电弧,也可能是由于绝缘气体中的微粒或导体或外壳的缺陷,造成电场强度高并引发绝缘气体被击穿而产生放电。因此,要保证GIL气室长度(如1公里或更长),避免因气室小而产生不安全事故,防止外壳烧穿、导体烧蚀、绝缘件受损及其他外部效应。

(二)GIL技术应用需要关注的主要问题

1.长距离GIL建设和运行经验不足

目前电网长距离输电项目中投运的GIL线路极少,国内建成最长的GIL工程为苏通1000千伏GIL综合管廊工程,全长5.5公里;在建的武汉江夏谭鑫培路500千伏GIL综合管廊工程设计长度为6.25公里。更长距离的GIL输电线路设计、施工、运行维护等难度更大。

苏通1000千伏交流特高压GIL综合管廊工程

2.国产GIL设备关键技术研发亟待加强

早期国内投产的GIL大部分以进口设备为主,近年来逐步实现国产化,但绝缘子工艺尚不成熟。绝缘可靠是GIL设备安全运行的重要保障,绝缘子是GIL的核心部件之一,如果对其生产、安装工艺的掌握存在欠缺,对长期运行工况的考虑不足,那么在长期振动、温度交替影响下,绝缘性能和机械性能将会发生变化,容易导致放电故障。如2019年,某变电站GIL交接耐压时出现三支柱绝缘子炸裂,主要是受该三支柱绝缘子环氧绝缘件制造工艺限制。

3.GIL应对地势沉降和抗震问题

GIL为刚性输电线路,在钢架上、隧道或综合管廊内需整体摆放,对水平和竖向的精度要求非常高,不均匀沉降必须控制在相当小的范围内。一旦GIL设备基础发生沉降或位移,极有可能会导致GIL设备损坏,进而危害供电的安全性和可靠性。特别是当GIL管廊与地铁、铁路、公路等距离较近时,车辆运行也会对GIL管道产生一定影响。

4.GIL故障周期长修复问题

近年来随着GIL工程的逐渐增多,运行故障有所增多。发生的故障主要有绝缘击穿(大多是因为三支柱绝缘子或盆式绝缘子故障)、漏气、局部放电、局部过热、设备变形等。GIL线路出现故障后,需进行故障点查找、故障点修复或更换局部GIL段、现场试验等工作,修复周期一般需要10天。如某工程大规模应用GIL以来,故障率明显增加,2019年故障期间,电力受端负荷核心区被迫中断受电,导致负荷中心出现大额电力缺口,供电安全受到极大考验,而送端水电则大量弃水,造成能源资源浪费。

5.GIL工程造价问题

与架空线路相比,电缆和GIL的投资较高,需要在工程实践中予以解决。随着电压等级的升高,其工程造价技术经济指标则有所下降。对于500千伏电压等级,GIL输电线路造价约是架空输电线路的13倍,当电压升至1000千伏时,将降至10倍或更低。

三、GIL在电力系统中的应用前景展望

(一)主要应用场景

碳达峰、碳中和将改变发电结构,电网也将随之发生根本改变。我国应用GIL输电技术已近30年,积累了丰富的设计、安装和运行维护经验,其大容量、高电流、占地少、抗自然灾害能力强、与电网的适应性好等优点,决定了GIL输电技术将得到越来越广泛的应用。在未来的电力系统中,GIL输电技术的应用场景将主要体现在以下方面。

1.发达地区新建输电线路或老旧输电线路改造

随着我国经济稳定发展和新型城镇化建设,城市土地资源愈发珍贵。在城市发展中心区域,以及发达地区城镇用地范围内,架空输电线路占用大量土地和空间资源,与城市快速发展和居民对美好景观需求的矛盾日益突出,尤其是城市新建架空线路往往存在走廊紧缺、拆迁范围广、拆迁工程量及征拆协调难度大等突出问题,具有引发社会不稳定因素的潜在风险。为了适应城市现代化发展和新型城镇建设的需要,结合新区建设、旧城改造、道路新(扩、改)建,在城市重要地段和管线密集区采用地下输电方案,已成为电网发展的新趋势,也将成为GIL在未来替代架空输电线路的重要方向。

GIL输电线路

2.大型近岸与深远海风电的电力输送

根据国家能源局发布的《2020年全国电力工业统计数据》,2020年底风电和太阳能发电装机分别达到2.8亿千瓦、2.5亿千瓦,较2015年呈倍速增长趋势。考虑我国2030年风电和太阳能发电将达到12亿千瓦以上的目标,新能源在“十四五”及“十五五”期间的发展依然强劲,尤其是海上风电将成为风电发展的重点。采用GIL输电隧道接入海上风电,能够实现在集中化、大容量输送电量的同时,有效避免海上强风灾害和盐雾腐蚀,降低海上风电平台火灾事故,减少陆上连接点,降低海岸沿线占地和景观影响,保护海岸及海洋环境。

3.水电站出线线路

我国首条GIL线路是天生桥水电站GIL线路工程,始于20世纪90年代初期。其后,拉西瓦、锦屏一级、溪洛渡及乌东德等水电站陆续建成投运GIL线路工程 ,主要利用GIL的刚性特点,采取垂直竖井与水平廊道相结合的敷设方式,解决水电站高落差电力送出问题。随着我国大型水电站的开发建设,应用GIL技术连接主变压器和开关设备或架空线路,仍将是GIL应用的主要方面。

(二)需要进一步解决的技术难题

GIL技术是一种大容量输电技术,20世纪60年代发明、70年代投入工程应用以来,已在国内外多个工程上应用,新技术不断涌现。未来GIL输电技术可在经济发达地区电力新建和改扩建、大型新能源接入系统、水电站送出等方面发挥重要作用。同时,随着清洁低碳发展浪潮的推动,新一代环保型GIL将成为其发展的核心内容。另一方面,随着GIL在高电压等级甚至特高压工程上的应用,GIL运行安全可靠性要求将越来越高,如何提高气密性水平和绝缘技术水平、降低放电故障、抑制过电压、提高电弧故障定位率等都是当前亟需解决的技术难题。

参考文献

(1)[德]Hermann Koch著.沈威,杨思民,杨建军译.气体绝缘输电线路(Gas-Insulated Transmission Lines)[M].北京:机械工业出版社,2016.

(2)国网江苏省电力有限公司电力科学研究院.气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)[M].北京:中国电力出版社,2018.

(3)李鹏,李志兵,孙倩,等.特高压交流GIL输电技术研究及应用[J].电网技术,2017,41(10):3161-3167.

(4)高克利,颜湘莲,王浩,等.环保型气体绝缘输电线路(GIL)技术发展[J].高电压技术,2018,44(10):3105-3113.

注:文中图片来源于网络。