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输电领域重大科技创新:特高压交流GIL输电管道

2017-01-05

入冬以来的强降温,让位于湖北武汉的国家电网特高压交流试验基地内的GIL试验管道外壁挂满了冰花。不到半年里,这条特高压GIL试验线段经受了酷暑、洪涝和低温等极端天气的考验,运行平稳正常,这让中国电力科学研究院GIL输电管道项目攻关团队倍感振奋。

特高压填补国际空白

8月16日,淮南—南京—上海1000千伏特高压交流输变电工程苏通GIL综合管廊工程开工。这是世界上首次在重要输电通道中采用特高压GIL技术,通过江底隧道穿越长江,是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最高的超长距离GIL创新工程。

GIL(gas-insulated metal enclosed transmission line)即气体绝缘金属封闭输电线路,是一种采用六氟化硫(SF6)或其它气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流、长距离电力传输设备,具有输电容量大、损耗小、占地少、运行可靠性高、维护量小、寿命长、环境影响小等显著优点。

此前,国家电网公司围绕特高压GIL的科技攻关早已展开,并取得重大突破。2014年6月,公司重大科技项目《特高压GIL试验线段研制及带电考核研究》中的首个课题《采用混合气体绝缘的特高压交流GIL输电管道研究》启动,该项目由中国电科院牵头,华北电力大学、西安交通大学参与完成。

该项目的一大研究特点就是采用了环保的混合绝缘气体。“SF6气体是国际组织认定的温室气体,而长距离GIL输电管道对气体绝缘介质的需求量很大。因此,GIL采用混合气体以减少SF6的使用一直是主要研究方向。”中国电力科学研究院高电压研究所室主任陈江波介绍,目前,AZZ和西门子在550千伏和220千伏GIL上都推出了SF6/N2混合气体产品。特高压GIL电压等级提高了近一倍,在此情况下混合气体放电特性、混合比例、充气压力等研究在国际上尚属空白。

实现科技引领

科技永远走在工程的前面。对于苏通GIL综合管廊这一世界首创的高难度工程来说,科技引领的意义尤为重大。

“最初,这一课题还只是作为‘十三五’科研项目立项,没想到这么快就要在工程中应用,这意味着要将科研项目迅速转化为工程应用项目,我们的任务更加艰巨。”《特高压GIL试验线段研制及带电考核研究》项目负责人、中国电力科学研究院高电压研究所党委书记王晓琪介绍说。结合苏通GIL综合管廊工程实际,项目团队在以下领域实施重点攻关:

——GIL绝缘特性及绝缘设计研究,包括GIL用SF6/N2混合气体绝缘特性研究、特高压交流GIL绝缘结构设计和电场优化技术研究、特高压交流GIL绝缘件优化研究和混合气体环境下绝缘件绝缘性能研究;

——特高压交流GIL通流能力研究,包括GIL长期通流能力、通流特性及影响因素及考虑通流能力的GIL结构优化;

 ——特高压交流GIL内部过电压及绝缘配合方式研究,研究GIL的操作过电压和雷电侵入波过电压,分析避雷器设置方式对过电压的影响等;

——特高压交流GIL伸缩、偏转和热膨胀补偿技术研究,研究GIL不同单元在热、振动等机械载荷下伸缩应力的变化范围及其形变规律,分析确定合理的补偿值;

——特高压交流GIL管道设计及连接方法研究,包括特高压交流GIL长隔断管道设计和制造技术研究、特高压交流GIL螺栓法兰及现场焊接外壳技术研究。

在武汉国网特高压交流试验基地,我们看到GIL试验线段呈日字形走向,有多种类型的转角。科研人员介绍,技术攻关既要领先于工程,同时也要紧密联系工程实际,如试验段管廊安装,便充分考虑了工程现场施工存在的各种可能。此外,在工程应用中需要管径尽量减少,以达到布置紧凑的目的,同时在盆式绝缘子等绝缘件附近的电场分布畸变,容易造成击穿,拐角单元、补偿单元等GIL特有的绝缘结构设计都需深入研究,通过电场计算以达到最优设计。特别是采用SF6和N2混合气体后,需要结合混合气体的特性,开展GIL绝缘结构设计及优化、通流能力等针对性研究。

攻克技术难题

经过项目团队的通力合作和攻坚克难,到今年6月,《采用混合气体绝缘的特高压交流GIL输电管道研究》课题已顺利完成,取得多项重大成果和技术突破:

——针对采用SF6/N2混合气体GIL的绝缘特性开展了混合气体绝缘特性、混合气体环境下绝缘件绝缘性能研究,获得了混合比、气压、电场不均匀度和电极表面粗糙度对绝缘特性的影响规律,以及不同极性雷电冲击下击穿电压协同效应、驼峰现象等的基本规律,试验验证了采用20%SF6和80%N2绝缘的可行性;

——研究了GIL持续通流的估算方法,给出了根据特高压GIL型式试验温升试验数据开展工程现场持续运行电流估算的方法;以纯SF6气体绝缘为例,分析了GIL通流的温升特性及影响因素,并分析了混合气体绝缘对通流温升和管道尺寸的影响,为GIL设计和优化提供了初步参考;

——开展了GIL接入系统后的内部过电压及绝缘配合研究,以特高压GIL跨越江河工况为例,分析了GIL接入系统后的过电压及绝缘配合问题,提出了避雷器的基本配置原则;

——开展了特高压交流GIL管道热伸缩特性分析研究,采用数值分析方法分析了特高压GIL正常运行条件下的热伸缩特性,并以低电压等级GIL模型试验和对应电压等级GIL仿真结果对比验证了仿真方法的适用性;研究分析了特高压GIL管道热伸缩特性的主要影响因素。

“争分夺秒,夜以继日。”项目组成员、中国电力科学研究院高级工程师费烨用这8个字来形容过去近两年的攻坚历程。他认为,该课题最大难度在于,在国际上毫无经验可循的条件下,采用真型样机试验测试研究特高压GIL中混合气体的绝缘等相关特性,还要为未来工程应用的可靠性提供技术支撑。同时苏通GIL综合管廊工程已经开工,在时间和技术的科学可靠性提出了更高要求。

“在后续研究中,课题组将进一步梳理总结研究成果,针对特高压GIL样机方案,在绝缘设计、通流设计、应变补偿设计等方面开展分析和优化,提高样机方案的科学性。”王晓琪说。 国家电网报

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