目前，GIL绝缘介质大多采用SF6气体，但SF6气体具有强温室效应（全球变暖系数GWP为23800），对环境影响较大，被国际上列为限制使用的温室气体。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，并研制环保GIL，以改善设备的环保效益。20世纪初，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1100kV。美国GE公司采用C4F7N/CO2构成的g3（green gasfor grid）气体，研制了420kV GIL，2017年在英国投运。可见，环保型GIL技术还处于起步阶段，采用SF6混合气体或完全无SF6的环保气体，高电压等级设备的研发，及环保气体推广应用于电气设备等技术，均需开展深入的探索研究。

 

（1）新环保气体C4F7N

 

C4F7N的GWP为2100，大气寿命（在空气中的存续时间）约为30a，与SF6的GWP为23800及大气寿命3200a相比，具有良好的环保价值。

C4F7N在常压下的液化温度为−4.7 ℃，大多与CO2、N2或空气等缓冲气体混合使用，以满足设备的使用环境温度。不同体积分数C4F7N的饱和蒸汽压曲线如图1所示，标注的小圆圈表征0.4MPa、0.6MPa下液化温度分别为−20 ℃、−30 ℃对应的C4F7N体积分数。

 

在相同气压下，C4F7N绝缘强度为SF6的近2倍，C4F7N及其与CO2混合气体的绝缘特性见图2，可看出C4F7N/CO2的绝缘强度随C4F7N体积分数增加线性增长，体积分数为20%时，绝缘强度接近甚至超过SF6的值。当C4F7N体积分数为4%~10%，0.67 MPa的C4F7N/CO2绝缘强度为0.55MPa SF6的87%，气压提高至0.82MPa时，绝缘强度可达到SF6的96%，GWP为330~690，降为SF6的5%以下。

根据GE公司报道，C4F7N/CO2混合气体的导热性能不如SF6，420kV GIL分别充SF6和C4F7N/CO2（0.65MPa，4% C4F7N）开展温升试验，电流为3.15kA、4 kA和5 kA时，测量到的温升结果如图3所示，可看出SF6的导热性能明显优于C4F7N/CO2，但后者的最大温升未超过10K，可在壳体上增加散热片或在导体上开孔，以提升混合气体的散热性能。

 

（2）C4F7N混合气体GIL

 

GE公司研制采用C4F7N/CO2的环保型420kV GIL，提出了两种气体配置方案：①采用4%C4F7N+96%CO2方案，需大幅提高气压，对SF6气体绝缘设备设计稍作改动，最低使用温度达−25 ℃；②采用10%C4F7N+90%CO2方案，设备气压变化较小，原有设计可不变，最低使用温度为−5 ℃。GE公司研制出420kV环保GIL，考虑到使用环境要求，采用了第1种气体配置方案，设备气压约为0.9MPa，在英国曼宁顿应用。

 

在现有C4F7N混合气体环保GIL研究基础上，国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”拟开展环保气体设计和制备、环保气体放电规律和绝缘特性、支撑绝缘子和整机的样机研制等关键技术研究，解决各项技术难题，研制出采用C4F7N混合气体绝缘的环保型1000kV GIL样机，并通过试验考核。

 

目前，该项目已开展了近1 a的重点攻关，取得的主要研究进展有：

 

1）提出了基于量子化学的新环保气体分子设计方法，建立了气体设计的构效关系模型，设计出新环保绝缘气体分子SF5CN和SF5CFO。

2）攻克了C4F7N合成技术和制备工艺，打破国外技术垄断，实现了C4F7N高纯气体（纯度> 99.9%）的国产化工业制备。

3）建立了C4F7N气体的性能检测体系，试验获得了C4F7N及其混合气体的间隙和沿面绝缘特性（间隙距离≤10mm）。

4）开展了C4F7N与材料相容性、分解特性和老化规律等基础研究，制定了C4F7N充气与回收、环保GIL放电监测等运维技术方案，正在开展样机的关键部件设计和制造。

 

目前的研究成果：

 

（1）国内对压缩空气GIL技术进行了探索研究，建议运行气压取1~1.5MPa，导体外径和外壳内径分别选70mm、190mm，但由于运行气压过高，在电力系统中应用的风险大，未开发产品。

（2）SF6/N2混合气体研究较多，SF6体积分数大多为10%~50%，设备气压为0.5~0.7MPa；导体表面设计场强控制为17.6~22.6kV/mm，绝缘子沿面设计场强不超过10kV/mm，外壳内表面场强须小于1 kV/mm；国外研制的SF6/N2混合气体GIL有成熟应用经验，运行情况良好，国内研制了SF6/N2混合气体特高压GIL样机，也通过了带电考核。

（3）C4F7N气体制备问题基本解决，但C4F7N及其混合气体的研究和应用尚属起步，如应用于GIL的相容性、绝缘恢复特性和运维技术等，仍需大量研究支撑；C4F7N混合气体420 kV GIL已投运，奠定了较好的基础，但运行中仍存在不确定性，研制C4F7N混合气体的特高压环保GIL面临尺度效应、气体供应不足和标准缺失等多项挑战。

（4）环保型GIL技术中，sf6/N2混合气体GIL关键技术和样机研制均较成熟，可推广应用于110~1000kV电压等级，在城市管廊及用地紧张区域的地下铺设GIL，也可逐步取代变电站GIS长母线；对于C4F7N混合气体GIL，仍需开展多项关键技术的攻关研究，借鉴现有研究成果，可同时开展110~550kV电压等级的样机研制及应用，便于提升设备的环保效益。