團(tuán)隊(duì)介紹

高克利

開關(guān)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)隸屬于中國電力科學(xué)研究院高電壓研究所，現(xiàn)有研究人員18人，其中博士6人，碩士10人；教授級(jí)高工2人，高級(jí)工程師8人。研究團(tuán)隊(duì)長期從事特高壓開關(guān)技術(shù)攻關(guān)、新型開關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)、開關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和專業(yè)管理等，研究成果直接指導(dǎo)特高壓GIS/GIL、串補(bǔ)用開關(guān)設(shè)備等產(chǎn)品研制，技術(shù)方案廣泛應(yīng)用于國網(wǎng)公司范圍內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行管理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

高克利，教授級(jí)高工，博導(dǎo)，中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)會(huì)士，IEEE高級(jí)會(huì)員。現(xiàn)任電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國電力科學(xué)研究院副院長。長期從事超特高壓輸電絕緣技術(shù)、輸電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究。國家“2030智能電網(wǎng)重大項(xiàng)目”實(shí)施方案專家組成員，國家電網(wǎng)公司“輸變電系統(tǒng)絕緣優(yōu)化技術(shù)”科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)帶頭人，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人正在主持國家 “智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備” 重點(diǎn)專項(xiàng)“環(huán)保型管道輸電關(guān)鍵技術(shù)”（2017YFB0902500）項(xiàng)目研究。主持和參與起草國家和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)20余項(xiàng)，獲省部級(jí)及以上科技進(jìn)步獎(jiǎng)10余項(xiàng)。

導(dǎo)語

近年來國內(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，研制出環(huán)保氣體絕緣輸電管道（gas-insulated transmission line, GIL），以改善設(shè)備的環(huán)保效益。國內(nèi)外環(huán)保型GIL研究仍處于起步階段，包括環(huán)保絕緣氣體的分子設(shè)計(jì)與制備技術(shù)、氣固絕緣體系的放電規(guī)律及環(huán)保GIL樣機(jī)研制關(guān)鍵技術(shù)，均需開展系統(tǒng)深入研究。

基于環(huán)保GIL技術(shù)的應(yīng)用需求和研究現(xiàn)狀，本文擬開展新環(huán)保氣體分子設(shè)計(jì)與C4F7N氣體合成制備、C4F7N混合氣體的絕緣性能及其氣固相容性、1000kV環(huán)保GIL樣機(jī)研制與運(yùn)維等關(guān)鍵技術(shù)研究，引領(lǐng)電氣設(shè)備的環(huán)?；?jí)換代。

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191021

研究背景

21世紀(jì)初，國內(nèi)的武漢南瑞公司開展了壓縮空氣GIL技術(shù)研究，但未研發(fā)產(chǎn)品。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)，額定電壓為1100 kV，在武漢的特高壓交流試驗(yàn)基地通過1年的帶電考核。美國GE公司采用C4F7N/CO2構(gòu)成的g3氣體，研制出420 kV GIL于2017年在英國投運(yùn)；完全不采用SF6氣體的環(huán)保GIL，目前國內(nèi)仍未見報(bào)道。

主要內(nèi)容

1 環(huán)保絕緣氣體分子設(shè)計(jì)及其制備

建立了氣體的絕緣強(qiáng)度Er和液化溫度Tb等宏觀特性數(shù)據(jù)庫，包含43種由2~18個(gè)C、H、O、N、S、F、Cl和Br原子組成的烷、烯、炔、醚、酮、酯、腈、環(huán)氧、硫酰等化合物，與SF6相比的相對(duì)絕緣強(qiáng)度Er為0~3。提出了一種全新的構(gòu)效關(guān)系模型，基于中性分子的靜電勢(shì)參數(shù)，包括總表面積As、正負(fù)靜電勢(shì)的分離度、局域極性II、分子密度ρ、約化正靜電勢(shì)面積等具有物理含義的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，關(guān)聯(lián)各種氣體的絕緣強(qiáng)度，徹底克服了采用性能參數(shù)帶來的不確定性和誤差。

建立的Er、Tb和GWP構(gòu)效關(guān)系模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任意化合物分子的宏觀特性，從Er、Tb和GWP等方面尋求平衡點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)，獲得符合要求的新型環(huán)保氣體分子。

1）優(yōu)化取代設(shè)計(jì)

以現(xiàn)有化合物為基礎(chǔ)，采用能顯著提高絕緣強(qiáng)度同時(shí)對(duì)液化溫度不敏感的基團(tuán)，直接取代母體分子的F原子或基團(tuán)，設(shè)計(jì)出新氣體分子結(jié)構(gòu)。以SF6為例，用CN基取代其中的一個(gè)F原子，形成SF5CN分子。計(jì)算得到該分子的Er約為1.5，Tb為-30oC，GWP僅為SF6的5%，是一種綜合性能優(yōu)良的潛在SF6替代氣體。

圖1 新型環(huán)保氣體SF5CN分子設(shè)計(jì)示意

2）雜化設(shè)計(jì)

將兩種不同分子的某些片段或基團(tuán)直接組合在一起，形成全新的分子結(jié)構(gòu)。這種方法將兩種分子的關(guān)鍵部件混合在一起，設(shè)計(jì)出新型化學(xué)鍵，進(jìn)而構(gòu)造全新分子結(jié)構(gòu)。如將SF6與N2雜化形成SF3N新型絕緣氣體分子，如圖2所示，這種分子Er約為1.35，Tb為-30oC，GWP僅為SF6的4%，結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的前景。

圖2 新型環(huán)保氣體SF3N分子設(shè)計(jì)示意

建立了四種高效、低毒的全氟異丁腈（C4F7N）氣體實(shí)驗(yàn)室小試合成路線方案，分別為酮法、酸法、酯法、酐法，實(shí)現(xiàn)了kg級(jí)產(chǎn)品的連續(xù)穩(wěn)定輸出，合成樣品純度大于99%。結(jié)合氣體生產(chǎn)單位擁有成熟的電解工藝技術(shù)，開發(fā)了酐法工業(yè)制備生產(chǎn)C4F7N氣體中試技術(shù)，具有C4F7N氣體年產(chǎn)1噸的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。

2 環(huán)保絕緣氣體絕緣性能及相容性

結(jié)合C4F7N/CO2混合氣體中間隙放電和沿面閃絡(luò)特性，項(xiàng)目組建議選用0.5MPa和0.7MPa C4F7N/CO2混合氣體用作GIL中絕緣氣體，并根據(jù)各尺度下的絕緣試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果，提出了環(huán)保GIL用間隙放電和沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)臨界值，列于表1，可見沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)處于主導(dǎo)地位。

表1 中間隙放電和沿面閃絡(luò)控制電場(chǎng)強(qiáng)度

開展了C4F7N與密封橡膠、環(huán)氧樹脂和金屬材料的電熱加速試驗(yàn)，結(jié)果表明需改進(jìn)橡膠材料配方，控制氣體中的水分和空氣含量，確保設(shè)備絕緣性能。

3 1000kV環(huán)保GIL研制與運(yùn)維

當(dāng)盆式絕緣子屏蔽罩厚度降為原來的0.575倍，嵌件厚度變?yōu)樵瓉淼?.3倍，凸出處為原來的0.337 5倍，整體變薄，使絕緣子最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度降低約8.9%，提升了絕緣子綜合性能。對(duì)于三支柱絕緣子，在保證整體體積不變的情況下，增大連接處圓角半徑可改善產(chǎn)品性能，如圖3所示。

圖3 環(huán)保GIL支撐絕緣子的參數(shù)化建模

開展了環(huán)保GIL標(biāo)準(zhǔn)直線單元整體設(shè)計(jì)，布置如圖4所示，包括18m直線殼體、導(dǎo)電桿、絕緣子、滑動(dòng)觸頭等結(jié)構(gòu)部件。

圖4 1000kV環(huán)保GIL標(biāo)準(zhǔn)直線單元裝配結(jié)構(gòu)

在環(huán)保GIL運(yùn)維方面，建立了GIL內(nèi)部故障定位、氣體檢測(cè)和處理等運(yùn)維方案，研制了大流量C4F7N/CO2混合氣體充補(bǔ)氣裝置和C4F7N/CO2混合氣體狀態(tài)綜合檢測(cè)裝置，支撐設(shè)備可靠運(yùn)行。

引用本文

高克利, 顏湘蓮, 劉焱, 王寶山, 胡世卓, 李志闖. 環(huán)保氣體絕緣管道技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(1): 3-20. Gao Keli, Yan Xianglian, Liu Yan, Wang Baoshan, Hu Shizhuo, Li Zhichuang. Progress of Technology for Environment-Friendly Gas Insulated Transmission Line. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 3-20.