目前，GIL絕緣介質(zhì)大多采用SF6氣體，但SF6氣體具有強(qiáng)溫室效應(yīng)（全球變暖系數(shù)GWP為23800），對(duì)環(huán)境影響較大，被國(guó)際上列為限制使用的溫室氣體。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)關(guān)注SF6替代氣體研究，如采用壓縮空氣、SF6混合氣體，及C4F7N、c-C4F8、CF3I等新環(huán)保氣體，并研制環(huán)保GIL，以改善設(shè)備的環(huán)保效益。20世紀(jì)初，Siemens公司和ABB公司研制了SF6/N2混合氣體GIL，投入工程應(yīng)用；國(guó)家電網(wǎng)公司研制了SF6/N2混合氣體特高壓GIL樣機(jī)，額定電壓1100kV。美國(guó)GE公司采用C4F7N/CO2構(gòu)成的g3（green gasfor grid）氣體，研制了420kV GIL，2017年在英國(guó)投運(yùn)?？梢?，環(huán)保型GIL技術(shù)還處于起步階段，采用SF6混合氣體或完全無(wú)SF6的環(huán)保氣體，高電壓等級(jí)設(shè)備的研發(fā)，及環(huán)保氣體推廣應(yīng)用于電氣設(shè)備等技術(shù)，均需開展深入的探索研究。

 

（1）新環(huán)保氣體C4F7N

 

C4F7N的GWP為2100，大氣壽命（在空氣中的存續(xù)時(shí)間）約為30a，與SF6的GWP為23800及大氣壽命3200a相比，具有良好的環(huán)保價(jià)值。

C4F7N在常壓下的液化溫度為−4.7 ℃，大多與CO2、N2或空氣等緩沖氣體混合使用，以滿足設(shè)備的使用環(huán)境溫度。不同體積分?jǐn)?shù)C4F7N的飽和蒸汽壓曲線如圖1所示，標(biāo)注的小圓圈表征0.4MPa、0.6MPa下液化溫度分別為−20 ℃、−30 ℃對(duì)應(yīng)的C4F7N體積分?jǐn)?shù)。

 

在相同氣壓下，C4F7N絕緣強(qiáng)度為SF6的近2倍，C4F7N及其與CO2混合氣體的絕緣特性見圖2，可看出C4F7N/CO2的絕緣強(qiáng)度隨C4F7N體積分?jǐn)?shù)增加線性增長(zhǎng)，體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，絕緣強(qiáng)度接近甚至超過SF6的值。當(dāng)C4F7N體積分?jǐn)?shù)為4%~10%，0.67 MPa的C4F7N/CO2絕緣強(qiáng)度為0.55MPa SF6的87%，氣壓提高至0.82MPa時(shí)，絕緣強(qiáng)度可達(dá)到SF6的96%，GWP為330~690，降為SF6的5%以下。

根據(jù)GE公司報(bào)道，C4F7N/CO2混合氣體的導(dǎo)熱性能不如SF6，420kV GIL分別充SF6和C4F7N/CO2（0.65MPa，4% C4F7N）開展溫升試驗(yàn)，電流為3.15kA、4 kA和5 kA時(shí)，測(cè)量到的溫升結(jié)果如圖3所示，可看出SF6的導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于C4F7N/CO2，但后者的最大溫升未超過10K，可在殼體上增加散熱片或在導(dǎo)體上開孔，以提升混合氣體的散熱性能。

 

（2）C4F7N混合氣體GIL

 

GE公司研制采用C4F7N/CO2的環(huán)保型420kV GIL，提出了兩種氣體配置方案：①采用4%C4F7N+96%CO2方案，需大幅提高氣壓，對(duì)SF6氣體絕緣設(shè)備設(shè)計(jì)稍作改動(dòng)，最低使用溫度達(dá)−25 ℃；②采用10%C4F7N+90%CO2方案，設(shè)備氣壓變化較小，原有設(shè)計(jì)可不變，最低使用溫度為−5 ℃。GE公司研制出420kV環(huán)保GIL，考慮到使用環(huán)境要求，采用了第1種氣體配置方案，設(shè)備氣壓約為0.9MPa，在英國(guó)曼寧頓應(yīng)用。

 

在現(xiàn)有C4F7N混合氣體環(huán)保GIL研究基礎(chǔ)上，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“環(huán)保型管道輸電關(guān)鍵技術(shù)”擬開展環(huán)保氣體設(shè)計(jì)和制備、環(huán)保氣體放電規(guī)律和絕緣特性、支撐絕緣子和整機(jī)的樣機(jī)研制等關(guān)鍵技術(shù)研究，解決各項(xiàng)技術(shù)難題，研制出采用C4F7N混合氣體絕緣的環(huán)保型1000kV GIL樣機(jī)，并通過試驗(yàn)考核。

 

目前，該項(xiàng)目已開展了近1 a的重點(diǎn)攻關(guān)，取得的主要研究進(jìn)展有：

 

1）提出了基于量子化學(xué)的新環(huán)保氣體分子設(shè)計(jì)方法，建立了氣體設(shè)計(jì)的構(gòu)效關(guān)系模型，設(shè)計(jì)出新環(huán)保絕緣氣體分子SF5CN和SF5CFO。

2）攻克了C4F7N合成技術(shù)和制備工藝，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了C4F7N高純氣體（純度> 99.9%）的國(guó)產(chǎn)化工業(yè)制備。

3）建立了C4F7N氣體的性能檢測(cè)體系，試驗(yàn)獲得了C4F7N及其混合氣體的間隙和沿面絕緣特性（間隙距離≤10mm）。

4）開展了C4F7N與材料相容性、分解特性和老化規(guī)律等基礎(chǔ)研究，制定了C4F7N充氣與回收、環(huán)保GIL放電監(jiān)測(cè)等運(yùn)維技術(shù)方案，正在開展樣機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和制造。

 

目前的研究成果：

 

（1）國(guó)內(nèi)對(duì)壓縮空氣GIL技術(shù)進(jìn)行了探索研究，建議運(yùn)行氣壓取1~1.5MPa，導(dǎo)體外徑和外殼內(nèi)徑分別選70mm、190mm，但由于運(yùn)行氣壓過高，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)大，未開發(fā)產(chǎn)品。

（2）SF6/N2混合氣體研究較多，SF6體積分?jǐn)?shù)大多為10%~50%，設(shè)備氣壓為0.5~0.7MPa；導(dǎo)體表面設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)控制為17.6~22.6kV/mm，絕緣子沿面設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)不超過10kV/mm，外殼內(nèi)表面場(chǎng)強(qiáng)須小于1 kV/mm；國(guó)外研制的SF6/N2混合氣體GIL有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，國(guó)內(nèi)研制了SF6/N2混合氣體特高壓GIL樣機(jī)，也通過了帶電考核。

（3）C4F7N氣體制備問題基本解決，但C4F7N及其混合氣體的研究和應(yīng)用尚屬起步，如應(yīng)用于GIL的相容性、絕緣恢復(fù)特性和運(yùn)維技術(shù)等，仍需大量研究支撐；C4F7N混合氣體420 kV GIL已投運(yùn)，奠定了較好的基礎(chǔ)，但運(yùn)行中仍存在不確定性，研制C4F7N混合氣體的特高壓環(huán)保GIL面臨尺度效應(yīng)、氣體供應(yīng)不足和標(biāo)準(zhǔn)缺失等多項(xiàng)挑戰(zhàn)。

（4）環(huán)保型GIL技術(shù)中，sf6/N2混合氣體GIL關(guān)鍵技術(shù)和樣機(jī)研制均較成熟，可推廣應(yīng)用于110~1000kV電壓等級(jí)，在城市管廊及用地緊張區(qū)域的地下鋪設(shè)GIL，也可逐步取代變電站GIS長(zhǎng)母線；對(duì)于C4F7N混合氣體GIL，仍需開展多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究，借鑒現(xiàn)有研究成果，可同時(shí)開展110~550kV電壓等級(jí)的樣機(jī)研制及應(yīng)用，便于提升設(shè)備的環(huán)保效益。