團隊介紹

高克利

開關技術研究團隊隸屬于中國電力科學研究院高電壓研究所，現有研究人員18人，其中博士6人，碩士10人；教授級高工2人，高級工程師8人。研究團隊長期從事特高壓開關技術攻關、新型開關設計研發、開關設備運行維護和專業管理等，研究成果直接指導特高壓GIS/GIL、串補用開關設備等產品研制，技術方案廣泛應用于國網公司范圍內的設備運行管理，取得了良好的經濟和社會效益。

高克利，教授級高工，博導，中國電機工程學會會士，IEEE高級會員。現任電網環境保護國家重點實驗室主任，中國電力科學研究院副院長。長期從事超特高壓輸電絕緣技術、輸電設備狀態檢修技術研究。國家“2030智能電網重大項目”實施方案專家組成員，國家電網公司“輸變電系統絕緣優化技術”科技攻關團隊帶頭人，作為項目負責人正在主持國家 “智能電網技術與裝備” 重點專項“環保型管道輸電關鍵技術”（2017YFB0902500）項目研究。主持和參與起草國家和電力行業標準20余項，獲省部級及以上科技進步獎10余項。

導語

近年來國內外熱點關注SF6替代氣體研究，如采用壓縮空氣、SF6混合氣體及C4F7N、C-C4F8、CF3I等新環保氣體，研制出環保氣體絕緣輸電管道（gas-insulated transmission line, GIL），以改善設備的環保效益。國內外環保型GIL研究仍處于起步階段，包括環保絕緣氣體的分子設計與制備技術、氣固絕緣體系的放電規律及環保GIL樣機研制關鍵技術，均需開展系統深入研究。

基于環保GIL技術的應用需求和研究現狀，本文擬開展新環保氣體分子設計與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環保GIL樣機研制與運維等關鍵技術研究，引領電氣設備的環保化升級換代。

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

研究背景

21世紀初，國內的武漢南瑞公司開展了壓縮空氣GIL技術研究，但未研發產品。Siemens公司和ABB公司研制了SF6/N2混合氣體GIL，投入工程應用；國家電網公司研制了SF6/N2混合氣體特高壓GIL樣機，額定電壓為1100 kV，在武漢的特高壓交流試驗基地通過1年的帶電考核。美國GE公司采用C4F7N/CO2構成的g3氣體，研制出420 kV GIL于2017年在英國投運；完全不采用SF6氣體的環保GIL，目前國內仍未見報道。

主要內容

1 環保絕緣氣體分子設計及其制備

建立了氣體的絕緣強度Er和液化溫度Tb等宏觀特性數據庫，包含43種由2~18個C、H、O、N、S、F、Cl和Br原子組成的烷、烯、炔、醚、酮、酯、腈、環氧、硫酰等化合物，與SF6相比的相對絕緣強度Er為0~3。提出了一種全新的構效關系模型，基于中性分子的靜電勢參數，包括總表面積As、正負靜電勢的分離度、局域極性II、分子密度ρ、約化正靜電勢面積等具有物理含義的分子結構參數，關聯各種氣體的絕緣強度，徹底克服了采用性能參數帶來的不確定性和誤差。

建立的Er、Tb和GWP構效關系模型可準確預測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，通過結構優化和設計，獲得符合要求的新型環保氣體分子。

1）優化取代設計

以現有化合物為基礎，采用能顯著提高絕緣強度同時對液化溫度不敏感的基團，直接取代母體分子的F原子或基團，設計出新氣體分子結構。以SF6為例，用CN基取代其中的一個F原子，形成SF5CN分子。計算得到該分子的Er約為1.5，Tb為-30oC，GWP僅為SF6的5%，是一種綜合性能優良的潛在SF6替代氣體。

圖1 新型環保氣體SF5CN分子設計示意

2）雜化設計

將兩種不同分子的某些片段或基團直接組合在一起，形成全新的分子結構。這種方法將兩種分子的關鍵部件混合在一起，設計出新型化學鍵，進而構造全新分子結構。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%，結構簡單，具有較好的前景。

圖2 新型環保氣體SF3N分子設計示意

建立了四種高效、低毒的全氟異丁腈（C4F7N）氣體實驗室小試合成路線方案，分別為酮法、酸法、酯法、酐法，實現了kg級產品的連續穩定輸出，合成樣品純度大于99%。結合氣體生產單位擁有成熟的電解工藝技術，開發了酐法工業制備生產C4F7N氣體中試技術，具有C4F7N氣體年產1噸的工業化生產規模。

2 環保絕緣氣體絕緣性能及相容性

結合C4F7N/CO2混合氣體中間隙放電和沿面閃絡特性，項目組建議選用0.5MPa和0.7MPa C4F7N/CO2混合氣體用作GIL中絕緣氣體，并根據各尺度下的絕緣試驗和仿真分析結果，提出了環保GIL用間隙放電和沿面閃絡場強臨界值，列于表1，可見沿面閃絡場強處于主導地位。

表1 中間隙放電和沿面閃絡控制電場強度

開展了C4F7N與密封橡膠、環氧樹脂和金屬材料的電熱加速試驗，結果表明需改進橡膠材料配方，控制氣體中的水分和空氣含量，確保設備絕緣性能。

3 1000kV環保GIL研制與運維

當盆式絕緣子屏蔽罩厚度降為原來的0.575倍，嵌件厚度變為原來的1.3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強度降低約8.9%，提升了絕緣子綜合性能。對于三支柱絕緣子，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品性能，如圖3所示。

圖3 環保GIL支撐絕緣子的參數化建模

開展了環保GIL標準直線單元整體設計，布置如圖4所示，包括18m直線殼體、導電桿、絕緣子、滑動觸頭等結構部件。

圖4 1000kV環保GIL標準直線單元裝配結構

在環保GIL運維方面，建立了GIL內部故障定位、氣體檢測和處理等運維方案，研制了大流量C4F7N/CO2混合氣體充補氣裝置和C4F7N/CO2混合氣體狀態綜合檢測裝置，支撐設備可靠運行。

引用本文

高克利, 顏湘蓮, 劉焱, 王寶山, 胡世卓, 李志闖. 環保氣體絕緣管道技術研究進展[J]. 電工技術學報, 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.