GIL（气体绝缘金属封闭输电线路）

　　1.历史
　　德国施卢赫湖位于蒂蒂湖东南部，是黑森林地区最大的湖泊。由于海拔高度较高，施卢赫湖的水温度较低，即使在夏天，湖水也能保持凉爽，因此，它很受游泳爱好者的欢迎。夏天的时候，这里会聚集一大批游泳爱好者。
　　图1 德国施卢赫湖秋色
　　因为充沛的水资源，合适的高差，德国电力部门也相中了这块宝地，建设了抽水蓄能电站。施卢赫湖抽水蓄能电站在德国400kV输电系统电压和频率的稳定性上起到非常重要的作用。每数小时电站用山顶的水带动水轮机发出1000MW的电（发电模式），并通过两个系统向电网供电，或者在电力富余时用700MW的电把水抽到山顶水库中（抽水模式）。
　　山上山下的输电采用的是充油电缆。很遗憾，充油电缆发生了一次故障，因为隧道的烟囱效应（见图3），不仅损坏了电缆也损坏了隧道。
　　图2 山顶水库
　　图3 抽水蓄能电站总体布置图
　　隧道业主在修复隧道时，就在找一种不燃的输电系统。当时，人造气体SF6的电气性能使得高电压大电流得到技术经济可行的方案。同时，油绝缘已经发展到了极限，SF6绝缘给电气未来发展带来了新的阶段。GIS和GIL是在同步发展，SF6作为绝缘介质的成功和大容量输电的需求，使GIL成为业主新的选择。
　　该GIL项目1974年开始建设，1975年开始运行，成为了 世界上第一条GIL运行项目（700m隧道敷设），即＂第一代GIL＂ 。连续运行了40年以上没有问题，气体绝缘技术作为非常可靠的高压设备已成为事实。
　　图4 隧道内的视图
　　第一代GIL完全采用SF6绝缘，且管道不能够弹性弯曲。因为GIL的充气量是非常大的，全部采用SF6绝缘，价格非常昂贵（SF6每吨价格是N2约5倍）。为了GIL大规模应用，经济性不容忽视，第二代GIL研究应运而生。二代研究有三个技术团队，ABB、阿尔斯通、西门子，点亮了科技树的两个分支：一个三相共箱和两个三相分箱。应用第二代GIL的首个工程是瑞士日内瓦机场的PALEXPO项目。 第二代GIL的主要特点是：采用SF6、N2混合气体绝缘，半径达700m的弹性弯曲，同时管道焊接技术取得突破。
　　图5 瑞士日内瓦机场的PALEXPO项目
　　2.GIL线路在世界的应用
　　气体绝缘技术于上世纪60年代从麻省理工大学起始以来，已有数百公里单相GIL安装于全世界。
　　1）温得和克，纳米比亚，1977
　　世界第一个水电站竖井内垂直安装。这个项目证明GIL可以安装在长竖井内。导体由盆式绝缘子支撑，外壳用钢结构固定在竖井壁上。竖井总高度115m。额定电压245kV，额定电流630A下运行，100%SF6。
　　图6 温得和克垂直GIL
　　2）约书亚瀑布，美国，1978
　　这个是世界第一个直埋的GIL。运行额定电压145kV，额定电流2000A，100%SF6。单相长度1.7km。图片没有Google到，请大家欣赏约书亚瀑布。
　　图7 美国约书亚瀑布
　　3）鲍曼维尔，加拿大，1985~1987
　　是目前世界上（2010年前）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8000A，全长3.2公里，采用地上钢架支撑结构。
　　4）Shin-Meika东海线，日本,1998
　　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275kV，额定载流量6300A，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。
　　图8 双隧道系统
　　5）PP9，沙特,2004
　　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1200A（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。
　　图9 沙特PP9 地上钢结构安装
　　6）克尔斯特尔巴赫，德国，2010
　　法兰克福机场扩建，220kV架空线路需要入地，并升压到400kV。全线6km直埋，直线模块采用自动轨道焊接工艺焊接。额定电流3000A。
　　图10 德国法兰克福入地GIL线路
　　7）中国的GIL应用
　　20世纪90年代初期，我国开始应用GIL设备，敷设的第一条GIL线路为南网的天生桥水电站500kV GIL线路。随后，国内多个变电站先后投运了GIL设备，目前国内GIL最高电压等级是苏通的1100kV。
　　图11 黄河拉西瓦水电站800kV GIL
　　图12 糯扎渡水电站550kV GIL竖井
　　图13 福建宁德核电站 550kV GIL
　　图14 岭澳核电站二期 550kV GIL
　　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1600A，全长5.5公里，采用江底隧道方式敷设。
　　3.技术
　　简单介绍GIL线路的基本组成、基本设计、绝缘气体、电磁环境、敷设方式5部分技术问题，做决策需要经济技术比较，最后一个小节介绍下GIL的经济性以及与其他输电线路型式的比较。
　　1）基本组成
　　GIL系统:主要由铝合金外壳、铝合金导体、SF6绝缘气体、环氧支撑件组成。
　　导体管：高导电性的电气铝制成的挤出管，通常大于99.5%。电气铝很软，机械强度低，不能用作外壳管。挤出导体管的长度取决于壁厚，尽量长以减少接头，并且要对应现场装配的运输长度，通常12~18m。
　　图16 GIL结构图
　　导体连接分为焊接和插接，插接一般采用梅花触头、螺旋弹簧触头、表带触头等，允许一定的轴向伸缩和轴向角度偏转。
　　图17 表带触指+螺旋弹簧触指
　　外壳：GIL壳体加工主要采用铝制带材螺旋焊接管、成型管两种，应力分布均匀，强度高，降低气体泄漏几率。
　　支撑绝缘子：不同类型的绝缘子用来支持导体和分隔气室的要求。材料为高机械强度耐电腐蚀的环氧树脂混合物。支柱绝缘子分为单、双、三柱，其中三柱式一般用于垂直安装GIL，此时重力不能保证导体处于外壳中心。盆式绝缘子有两种。一种是气密型，用于外壳管端部，或由两个气密型盆式绝缘子形成封闭气室；另一种是非气密的，用于把导体固定在外壳上，称为导体固定点。
　　图18 外壳+导体+三柱式绝缘子+微粒陷阱
　　2）GIL设备典型单元
　　GIL典型单元如图19所示：
　　图19 GIL典型设备单元
　　图20 设备单元简图
　　直线单元覆盖GIL输电线的大部分距离，允许弯曲（400m）。一般长度为12~18m长的GIL管段焊接而成。
　　当弯曲半径小于400m时，就需要应用转角模块，转角模块由铸铝外壳转变方向，每个角可以设计成4~90°之间。转角模块比弹性弯曲要贵的多，尽量避免使用，这就需要路径设计时，尽量减少大高差，大转角。一般情况400m的弯曲半径是能够跟上地形的变化的。
　　为了控制气室的长度，方便检修，或控制事故范围，抽真空也很耗时，就需要整体GIL分隔成数个独立气室。这时候，隔离单元就该上场了，一般1~1.5km分段，并将隔离单元置于地下井中（针对的直埋敷设方式）。
　　图21 外壳+伸缩节+支撑
　　高压电缆需要用蛇形敷设来补偿热胀冷缩变形，在GIL设备中，它叫伸缩节，见图21和图22。一个伸缩节约补偿300~400m外壳的热膨胀，伸缩节安装在隧道中，在直埋敷设时不需要，因为处处刚性固定，这和高压电缆直埋敷设不进行蛇形敷设的原理是一样的。
　　看22图的接地带，大家要注意一点，伸缩节是不承载电流的，这就需要用柔性铜牌作为电气短接。
　　图22 伸缩节
　　3）基本设计
　　GIL的基本设计给出了配置的基本方案：最大电场强度、最高电压、绝缘气体的类型和最大额定电流。上述基本方案的答案是额定电压、额定电流、管径和壁厚。
　　刚开始接触GIL，总要联想到GIS。也确实该如此联想，SF6气体发明后，GIS和GIL的同步发展。GIS要比GIL更复杂，除了短距离输电，还要有开关功能，GIL只有输电功能，这也决定了绝缘气体的不同类型。和GIL最接近的是GIS的母线。
　　GIL与GIS的两个区别需要注意。N2、SF6混合气体的使用，GIL的距离较长。混合气体的绝对绝缘能力降低约50%，通过加压和增加气室尺寸来补偿。GIL较长对暂态过电压有影响，因为距离较长后，过电压波会产生反射，需要安装避雷器解决。(世界上第一条运行的德国 施卢赫GIL就因未安装避雷器发生过故障 )
　　基本设计只介绍相对重要的额定电流部分，因为额定电流对GIL尺寸有主要影响。载流能力取决于导体管的截面，也就是管子的直径和壁厚。最大载流量由最高允许温度决定，温度限值由绝缘件的绝缘材料的最高允许温度决定。GIL的外壳和导体管的尺寸取决于GIL的散热，取决于隧道或者直埋土壤的散热条件。当散热要求高时，最后设计的管直径会比高压绝缘所要求的尺寸大。
　　根据GB/T 22383-2017《额定电压72.5kV及以上刚性气体绝缘输电线路》，对隧道、竖井中的设备，外壳最高温度不应超过80℃，运行中可触及的部位不应超过70℃。对于直埋的设备，外壳的最高温度应限制到土壤的干化最小，通常认为温度在50℃~60℃是合适的。
　　4）SF6、N2混合气体绝缘
　　GIL不需要开断能力，仅以绝缘为目的，推荐采用N2加SF6混合气体，为了确定气压，混合比例，壳体外径比例之间的优化，达到同样气压下，绝缘能力达到纯SF6 70%~80%的绝缘能力。
　　当采用纯N2时，压力需要达到2.0Mpa，这就需要非常昂贵的压力容器，显然不是实际的绝缘方案。
　　见下图绿线，纯N2的标幺电气强度为0.4，当SF6达到20%时，电气强度为0.69，纯SF6是1。相同绝缘强度要求的标幺压力p0，看红线含20%SF6的混合气体的p0为1.45，意味着压力比纯SF6高45%。
　　图23 混合气体的标幺特性
　　我们想找到混合气体比例的最佳设计点。20%SF6,80%SF6混合气体，绝对绝缘能力可以达到SF6的80%。这意味着只需要20%SF6体积含量，0.8Mpa气压，和适当扩大的外壳直径。
　　对用N2加少量SF6的混合气体绝缘来说，已经在实际试验装置上进行了大量的试验。试验覆盖了很大范围的混合比和压力值。在试验中得到了最高绝缘能力，与用纯SF6的设计过程相比，并没有发现基本偏差的现象。
　　从上周评审的西南某公司220kV GIL项目来看，运行单位对于应用混合气体还是持谨慎态度的。该项目为双回线路，隧道敷设，一侧为三相分箱，一侧为共箱，应用100%SF6 。
　　从运行单位角度看，GIL混合气体在线监测的只能是压力，没法测出内部成分比，充补气时，首先需要测出设备内的混合气体成分，再进行计算补偿的气体混合比，还要先将气体混合好后再进行补气。然而，第一条运行的GIL线路运行经验告诉我们，施卢赫湖GIL运行35年没有泄漏现象，期间未进行补气操作。西南某公司这个GIL项目的中标公司在2016年就完成百万伏的GIL混合气绝缘研制，并在武汉特高压基地挂网运行了多年，挂网样段也是采用的20%的SF6混合气体，从技术角度应不存在问题。未来可在工程上推广应用，可以按照国网推广的GIS母线混合比SF6：N2=3：7，留有一定裕度，提高绝缘能力。
　　4）电磁环境问题
　　GIL的电磁环境影响小，是其突出优点之一，与架空及电缆线路的磁通密度关系见下图。
　　图24 GIL、架空线路、电缆线路电磁场对比图
　　GIL的电磁场值最低。主要原因是运行的GIL，有着完整的外壳接地系统。低阻抗的外壳上产生与导体反向的感应电流，该电流相当于导体电流的99%。只有不到1%的额定电流在GIL外部可以测量到。大截面积的外壳的阻抗值很低，产生很低的阻抗损耗。
　　GIL的接地方式相当于陆缆的双端接地，不同点有二，一是陆缆铝护套阻值较高，会产生较大的阻性损耗，发生热效应，造成多点外护套损坏；二是铝护套电阻大，感应的反向电流没有GIL的数值高，达不到显著减小外部磁场的效果。
　　5）敷设方式
　　在变电站、电厂内，敷设方式主要为钢结构的地上安装或混凝土沟渠敷设。在大型水电站内，一般位于山区，GIL采用隧道敷设方式。国外也有直埋敷设（1~1.5km设置地下竖井，方便检修）的案例，需要做防腐蚀保护并用不少1m的上覆土保护。
　　各个工程条件下，都需要对力学特性和热力学要求，对几种敷设方式的优缺点进行评估。GIL是一种刚性金属管道，物理特性是固定的。长距离仅需要少数支撑结构（20~40m），支撑间距取决于管道机械刚度的管径和壁厚。GIL的铝管可以弯曲，最小弯曲半径为400m，城市中大部分景观轮廓曲线可以按照该半径来规划。盾构机目前的最小弯曲半径小于100m，城市隧道敷设也可以与GIL相协调。
　　6）经济性
　　首先必须承认，GIL是建设费用很高的长期投资，1974年的GIL运行至今，安全运行40多年，至今没有需要大的维修。在世界各地的许多在运项目都有同样良好的运行经验。
　　初期投资是较高的，线路损耗较低（见下图），从全寿命周期的角度，GIL的初期投资在未来能够带来较丰厚的回报。
　　图25 GIL 双拼电缆、架空线路线损比较
　　对于单根电缆，自然通风环境的来说，电缆线路的经济性比GIL高。当输送容量进一步提高，单根电缆需要通风环境，或者强制冷却通风时，GIL成本就会与电缆线路接近。当输送容量大到需要电缆双拼时，GIL就已显示出较高的经济性。针对未来城市入地项目，如果有4×630、4×720架空线入地时，GIL的运行可靠性和投资成本是替代电缆的方案。（西南某公司的GIL项目是，4×400导线入地，需要电流为2800A，隧道内2500截面电缆载流量理想情况下为2500A，稍小一点，经济性优势并不明显。2×1600双拼电缆方案仅从经济性上尚有论证的空间）
　　图26 电缆和GIL的成本对比
　　成本因素是一种技术能否成功过的最重要因素。和架空线比，500kV电压等级下，采用电缆或者GIL的投资都较高。但当电压升高到800kV或1000kV时，GIL的投资和架空线就趋近了。从下图可以看出，500kV与1000kV的导体、外壳直径差异不大，500kV的导体直径是180mm，仅需加大到200mm就可以满足1000kV的输送能力，电压升高了一倍，但外径仅稍许增加。我们知道，导体外壳材料费用占到本体投资的一多半费用。
　　图27 500kV、1000kV的GIL主要参数
　　与其他输电系统相比，GIL的优点是长距离输电能力， 简单一句话＂容量越大，电压越高，用GIL越好！＂
　　4.展望
　　碳达峰、碳中和的逐步实现，必将改变电源与电网结构。我国吸收引进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，尤其是世界首条特高压GIL的建设、运行积累了宝贵的经验。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输电技术在城市架空线路入地改造、大型近岸与深远海风电的电力输送、水电站出线线路拥有广阔应用前景。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。
　　PS：GIL的行标要开编了，致力于GIL产品生产、运行、设计的同行们群策群力吧。
　　感谢南瑞恒驰电气陈主任提供的产品资料
　　作者：电规总院 刘哲