目前，GIL絕緣介質大多采用SF6氣體，但SF6氣體具有強溫室效應（全球變暖系數GWP為23800），對環境影響較大，被國際上列為限制使用的溫室氣體。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，并研制環保GIL，以改善設備的環保效益。20世紀初，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1100kV。美國GE公司采用C4F7N/CO2構成的g3（green gasfor grid）氣體，研制了420kV GIL，2017年在英國投運。可見，環保型GIL技術還處于起步階段，采用SF6混合氣體或完全無SF6的環保氣體，高電壓等級設備的研發，及環保氣體推廣應用于電氣設備等技術，均需開展深入的探索研究。

 

（1）新環保氣體C4F7N

 

C4F7N的GWP為2100，大氣壽命（在空氣中的存續時間）約為30a，與SF6的GWP為23800及大氣壽命3200a相比，具有良好的環保價值。

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，以滿足設備的使用環境溫度。不同體積分數C4F7N的飽和蒸汽壓曲線如圖1所示，標注的小圓圈表征0.4MPa、0.6MPa下液化溫度分別為−20 ℃、−30 ℃對應的C4F7N體積分數。

 

在相同氣壓下，C4F7N絕緣強度為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的絕緣強度隨C4F7N體積分數增加線性增長，體積分數為20%時，絕緣強度接近甚至超過SF6的值。當C4F7N體積分數為4%~10%，0.67 MPa的C4F7N/CO2絕緣強度為0.55MPa SF6的87%，氣壓提高至0.82MPa時，絕緣強度可達到SF6的96%，GWP為330~690，降為SF6的5%以下。

根據GE公司報道，C4F7N/CO2混合氣體的導熱性能不如SF6，420kV GIL分別充SF6和C4F7N/CO2（0.65MPa，4% C4F7N）開展溫升試驗，電流為3.15kA、4 kA和5 kA時，測量到的溫升結果如圖3所示，可看出SF6的導熱性能明顯優于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SF6氣體絕緣設備設計稍作改動，最低使用溫度達−25 ℃；②采用10%C4F7N+90%CO2方案，設備氣壓變化較小，原有設計可不變，最低使用溫度為−5 ℃。GE公司研制出420kV環保GIL，考慮到使用環境要求，采用了第1種氣體配置方案，設備氣壓約為0.9MPa，在英國曼寧頓應用。

 

在現有C4F7N混合氣體環保GIL研究基礎上，國家重點研發計劃“環保型管道輸電關鍵技術”擬開展環保氣體設計和制備、環保氣體放電規律和絕緣特性、支撐絕緣子和整機的樣機研制等關鍵技術研究，解決各項技術難題，研制出采用C4F7N混合氣體絕緣的環保型1000kV GIL樣機，并通過試驗考核。

 

目前，該項目已開展了近1 a的重點攻關，取得的主要研究進展有：

 

1）提出了基于量子化學的新環保氣體分子設計方法，建立了氣體設計的構效關系模型，設計出新環保絕緣氣體分子SF5CN和SF5CFO。

2）攻克了C4F7N合成技術和制備工藝，打破國外技術壟斷，實現了C4F7N高純氣體（純度> 99.9%）的國產化工業制備。

3）建立了C4F7N氣體的性能檢測體系，試驗獲得了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、分解特性和老化規律等基礎研究，制定了C4F7N充氣與回收、環保GIL放電監測等運維技術方案，正在開展樣機的關鍵部件設計和制造。

 

目前的研究成果：

 

（1）國內對壓縮空氣GIL技術進行了探索研究，建議運行氣壓取1~1.5MPa，導體外徑和外殼內徑分別選70mm、190mm，但由于運行氣壓過高，在電力系統中應用的風險大，未開發產品。

（2）SF6/N2混合氣體研究較多，SF6體積分數大多為10%~50%，設備氣壓為0.5~0.7MPa；導體表面設計場強控制為17.6~22.6kV/mm，絕緣子沿面設計場強不超過10kV/mm，外殼內表面場強須小于1 kV/mm；國外研制的SF6/N2混合氣體GIL有成熟應用經驗，運行情況良好，國內研制了SF6/N2混合氣體特高壓GIL樣機，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用尚屬起步，如應用于GIL的相容性、絕緣恢復特性和運維技術等，仍需大量研究支撐；C4F7N混合氣體420 kV GIL已投運，奠定了較好的基礎，但運行中仍存在不確定性，研制C4F7N混合氣體的特高壓環保GIL面臨尺度效應、氣體供應不足和標準缺失等多項挑戰。

（4）環保型GIL技術中，sf6/N2混合氣體GIL關鍵技術和樣機研制均較成熟，可推廣應用于110~1000kV電壓等級，在城市管廊及用地緊張區域的地下鋪設GIL，也可逐步取代變電站GIS長母線；對于C4F7N混合氣體GIL，仍需開展多項關鍵技術的攻關研究，借鑒現有研究成果，可同時開展110~550kV電壓等級的樣機研制及應用，便于提升設備的環保效益。