中国电科院高克利团队特稿：环保气体绝缘管道技术研究进展
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开关技术研究团队隶属于中国电力科学研究院高电压研究所，现有研究人员18人，其中博士6人，硕士10人；教授级高工2人，高级工程师8人。研究团队长期从事特高压开关技术攻关、新型开关设计研发、开关设备运行维护和专业管理等，研究成果直接指导特高压GIS/GIL、串补用开关设备等产品研制，技术方案广泛应用于国网公司范围内的设备运行管理，取得了良好的经济和社会效益。
高克利，教授级高工，博导，中国电机工程学会会士，IEEE高级会员。现任电网环境保护国家重点实验室主任，中国电力科学研究院副院长。长期从事超特高压输电绝缘技术、输电设备状态检修技术研究。国家“2030智能电网重大项目”实施方案专家组成员，国家电网公司“输变电系统绝缘优化技术”科技攻关团队带头人，作为项目负责人正在主持国家 “智能电网技术与装备” 重点专项“环保型管道输电关键技术”（2017YFB0902500）项目研究。主持和参与起草国家和电力行业标准20余项，获省部级及以上科技进步奖10余项。
近年来国内外热点关注SF6替代气体研究，如采用压缩空气、SF6混合气体及C4F7N、C-C4F8、CF3I等新环保气体，研制出环保气体绝缘输电管道（gas-insulated transmission line, GIL），以改善设备的环保效益。国内外环保型GIL研究仍处于起步阶段，包括环保绝缘气体的分子设计与制备技术、气固绝缘体系的放电规律及环保GIL样机研制关键技术，均需开展系统深入研究。
基于环保GIL技术的应用需求和研究现状，本文拟开展新环保气体分子设计与C4F7N气体合成制备、C4F7N混合气体的绝缘性能及其气固相容性、1000kV环保GIL样机研制与运维等关键技术研究，引领电气设备的环保化升级换代。
21世纪初，国内的武汉南瑞公司开展了压缩空气GIL技术研究，但未研发产品。Siemens公司和ABB公司研制了SF6/N2混合气体GIL，投入工程应用；国家电网公司研制了SF6/N2混合气体特高压GIL样机，额定电压为1100 kV，在武汉的特高压交流试验基地通过1年的带电考核。美国GE公司采用C4F7N/CO2构成的g3气体，研制出420 kV GIL于2017年在英国投运；完全不采用SF6气体的环保GIL，目前国内仍未见报道。
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环保绝缘气体分子设计及其制备
建立了气体的绝缘强度Er和液化温度Tb等宏观特性数据库，包含43种由2~18个C、H、O、N、S、F、Cl和Br原子组成的烷、烯、炔、醚、酮、酯、腈、环氧、硫酰等化合物，与SF6相比的相对绝缘强度Er为0~3。提出了一种全新的构效关系模型，基于中性分子的静电势参数，包括总表面积As、正负静电势的分离度、局域极性II、分子密度ρ、约化正静电势面积等具有物理含义的分子结构参数，关联各种气体的绝缘强度，彻底克服了采用性能参数带来的不确定性和误差。
建立的Er、Tb和GWP构效关系模型可准确预测任意化合物分子的宏观特性，从Er、Tb和GWP等方面寻求平衡点，通过结构优化和设计，获得符合要求的新型环保气体分子。
1）优化取代设计
以现有化合物为基础，采用能显著提高绝缘强度同时对液化温度不敏感的基团，直接取代母体分子的F原子或基团，设计出新气体分子结构。以SF6为例，用CN基取代其中的一个F原子，形成SF5CN分子。计算得到该分子的Er约为1.5，Tb为-30oC，GWP仅为SF6的5%，是一种综合性能优良的潜在SF6替代气体。
图1 新型环保气体SF5CN分子设计示意
2）杂化设计
将两种不同分子的某些片段或基团直接组合在一起，形成全新的分子结构。这种方法将两种分子的关键部件混合在一起，设计出新型化学键，进而构造全新分子结构。如将SF6与N2杂化形成SF3N新型绝缘气体分子，如图2所示，这种分子Er约为1.35，Tb为-30oC，GWP仅为SF6的4%，结构简单，具有较好的前景。
图2 新型环保气体SF3N分子设计示意
建立了四种高效、低毒的全氟异丁腈（C4F7N）气体实验室小试合成路线方案，分别为酮法、酸法、酯法、酐法，实现了kg级产品的连续稳定输出，合成样品纯度大于99%。结合气体生产单位拥有成熟的电解工艺技术，开发了酐法工业制备生产C4F7N气体中试技术，具有C4F7N气体年产1吨的工业化生产规模。
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环保绝缘气体绝缘性能及相容性
结合C4F7N/CO2混合气体中间隙放电和沿面闪络特性，项目组建议选用0.5MPa和0.7MPa C4F7N/CO2混合气体用作GIL中绝缘气体，并根据各尺度下的绝缘试验和仿真分析结果，提出了环保GIL用间隙放电和沿面闪络场强临界值，列于表1，可见沿面闪络场强处于主导地位。
表1 C4F7N/CO2混合气体中间隙放电和沿面闪络控制电场强度
开展了C4F7N与密封橡胶、环氧树脂和金属材料的电热加速试验，结果表明需改进橡胶材料配方，控制气体中的水分和空气含量，确保设备绝缘性能。
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1000kV环保GIL研制与运维
当盆式绝缘子屏蔽罩厚度降为原来的0.575倍，嵌件厚度变为原来的1.3倍，凸出处为原来的0.337 5倍，整体变薄，使绝缘子最大表面电场强度降低约8.9%，提升了绝缘子综合性能。对于三支柱绝缘子，在保证整体体积不变的情况下，增大连接处圆角半径可改善产品性能，如图3所示。
图3 环保GIL支撑绝缘子的参数化建模
开展了环保GIL标准直线单元整体设计，布置如图4所示，包括18m直线壳体、导电杆、绝缘子、滑动触头等结构部件。
图4 1000kV环保GIL标准直线单元装配结构
在环保GIL运维方面，建立了GIL内部故障定位、气体检测和处理等运维方案，研制了大流量C4F7N/CO2混合气体充补气装置和C4F7N/CO2混合气体状态综合检测装置，支撑设备可靠运行。
高克利, 颜湘莲, 刘焱, 王宝山, 胡世卓, 李志闯. 环保气体绝缘管道技术研究进展[J]. 电工技术学报, 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.