一种工程实用的G I S定量检漏方法

龙锦壮，王克涛，赵鑫，周军

（烟台供电公司，山东 烟台 264000）

封闭式组合电器以其安全性、可靠性、小型化等特点已被电力系统广泛采用。SF6气体是GIS设备的主要绝缘介质，其纯度、压力、微水含量是影响设备绝缘的重要指标。气体泄露将导致压力降低，气室内气体压力降低到一定程度时保护将闭锁断路器和隔离开关，严重时将会威胁电网安全稳定运行。同时，SF6气体为有毒气体，气体的大量泄露将造成环境污染并威胁运行人员安全[1]。如何有效防止GIS设备气体泄露、发现漏点并及时处理对系统的安全运行尤为重要。SF6气体年泄露率是衡量组合电器密封性的重要指标。《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》（GB 50150-2006）和《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》中明确规定：GIS的密封性要求每个隔室的年漏气率不应大于1%。

目前，封闭式组合电器定量检漏的方法对于工程实际操作难度大、测量准确性低。《高压开关设备六氟化硫气体密封试验方法》中推荐的挂瓶法和包扎法仅适用于体积较小的开关设备。对于体积庞大的封闭式组合电器，因其间隔一一相连且各气室压力可能不一致（灭弧气室与非灭弧气室），仅在相邻气室的法兰处包扎检漏并不能准确确定每一气室的年泄漏量。且对于大型封闭式组合电器，挂瓶法和包扎法年泄露率计算中所需的试品体积、密封系统容积和密封罩体积均不易确定，影响测量精度。

本文就此问题提出了新的施工工序，并以充气量为依据准确计算出气室容积，提升了定量检漏的可操作性和准确性。

1 气体泄露特点及危害

从GIS检修记录统计结果看，气体泄露主要发生在焊缝、密封圈密封面、气体密度继电器等部位[2]。造成漏气的主要原因有接头、法兰紧固力矩不够、热胀冷缩、密封件老化、密封面划伤或夹渣、制造缺陷和安装缺陷等[3-4]。气体泄露将导致如下问题：

1）气室气压降低、绝缘效果变差。SF6作为主要的绝缘介质，其浓度直接影响绝缘效果。气体泄露后，气室内SF6浓度变低，绝缘能力降低，可能导致分闸过程中电弧难以熄灭，造成带电设备接地。而大部分变电站配置有低气压闭锁断路器功能，在故障情况下将导致事故的进一步扩大[5]。

2）使气室微水含量增大。环境中的水气将可能沿漏点渗透入GIS气室。反复的补气也会导致气室内微水含量的升高。微水含量增大也将破坏设备绝缘，其化学反应产物HF和H2SO4会对设备造成腐蚀。

3）加剧温室效应。SF6气体虽然不会破坏臭氧层，但是对全球气候变暖有特别大的影响，其地球温暖变化系数GWP（Global Warming Potential）为CO2的23900倍[6]。SF6在大气中的浓度已呈逐年上升趋势，对气候的影响作用也将日益突显。

4）使人窒息。SF6气体本身无毒，但是大量吸入后会导致人员窒息。若有气体大量泄露，工作人员应迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸道通畅，如呼吸困难，及时给输氧。

2 常见的检漏方法

2.1 定性检漏

1）抽真空检漏。施工过程中的检漏。GIS安装完成后对其进行抽真空处理，当真空度等于1.33×10-4MPa时，续抽30 min后停泵，读取真空度A，5 h后再读取真空度B，如B-A＜1.33×10-4MPa，则初步认为密封性合格。该方法可发现较大的漏点，且因气室尚未充气，漏点处理较方便。

2）检漏仪定性检漏。气室充气完成后，用灵敏度高于1 μL/L的SF6检漏仪沿外壳焊缝、密封面、管路接头等处进行检漏，若无报警则认为检测合格。此方法可能因探头移动不稳导致误报和漏报。

2.2 定量检漏

传统的定量检漏有扣罩法、局部包扎法、挂瓶法等。其原理大致一致，在一定时间内收集泄露气体，测量泄露气体的浓度，计算其与气室内气体总量的比，折算出气体的年泄漏率。

漏气率（MPa·m3/s）：

式中，ΔC为试验开始至终了时泄露气体的浓度增量，为测量的平均值，10-6；Δt为测量的间隔时间，s；Vm为密闭罩容积，m3；V1为试品体积，m3；P为绝对大气压，0.1 MPa；相对年漏气率Fy（%/年）：

式中，V为试品气体密封系统容积，m3；Pr为额定充气压力，MPa。

上述测量方法受被测系统的形态、大小等影响，因而适用范围受到局限。扣罩法、挂瓶法适合于小体积的密封系统定量检漏。对于大体积的GIS，局部包扎法较适合。然而，在实际操作中会因密封系统容积难以确定等问题影响测量精度[7]。

激光成像检漏仪检漏法[8]这是近几年新兴起的高科技检漏方法，能够在设备不停运的条件下对设备各部位检漏，能够直接观察到气体逸散的漏气点。但受设备体积、安装操作的复杂程度、现场风力、光照设备布局条件约束也不是一种“全天候”的检漏方法。

3 对局部包扎法进行的改进

3.1 提升可操作性

对于体积庞大的封闭式组合电器，因其间隔一一相连且各气室压力可能不一致（灭弧气室与非灭弧气室），按照以往的施工工序，仅在相邻气室的法兰处包扎检漏并不能准确确定每一气室的年泄漏量。

A、B：母线及隔离开关气室，C1-C3：断路器气室，D1-D3：隔离开关及接地开关气室，E1-E3：法兰；断路器气室为灭弧气室，其他气室为非灭弧气室。110 kV GIS灭弧气室额定压力为0.6 MPa，其他气室额定压力为0.4 MPa。

传统的施工方法：GIS对接组装——抽真空——充入气体至额定压力——检漏。如图1所示，当气室均充入额定压力后，在E1处包扎检漏并不能确定气体为A气室还是C1气室所泄露，因而无法准确确定每一气室的年泄漏率。

图1 GIS部分气室示意图Fig.1 Partial gas chamber of GIS

改进后的施工方法：GIS对接组装——抽真空——奇数气室（首先任选一个气室定义为为奇数气室，与奇数气室相邻的气室为偶数气室，与偶数气室相邻的为奇数气室）充入气体至额定压力——偶数气室充入0.02 MPa微正压力气体——包扎检漏，用式（1）计算奇数气室气体泄漏率F1——偶数气室充气至额定压力——包扎检漏，计算相邻两气室气体泄漏率Fm，偶数气室的气体泄漏率F2=Fm-F1，将F1、F2分别代入式（2），分别计算出奇数气室年泄漏率Fy1和偶数气室年泄漏率Fy2。

注：泄漏率F1、F2和Fm应为该气室的所有法兰包扎处的气体泄漏率之和。如，C1气室的气体泄漏率应为E1、E2两法兰连接处的泄漏量之和。

3.2 提高准确性

实际工程中，测量精度主要受V1试品体积、V密封系统容积和Vm密封罩体积的准确性及SF6气体浓度测量方法的影响。

密封罩体积Vm的确定：可定制加工标准尺寸的正方体或圆柱体密封罩，用正方体和圆柱体体积计算公式计算出密封罩体积。

试品体积V1的计算：GIS外形一般为圆柱形，可通过圆柱体体积公式计算出被包扎部分的体积。

式中，L为圆柱体周长，m；H为圆柱体高，m。

密封系统容积V的确定：因密封系统内部导体结构复杂（尤其是断路器和隔离刀气室），密封系统容积较难确定。现提出，通过充入气体的质量和所引起的气室压力变化准确计算出试品容积。

气体状态方程：

式中，P为气体压力，Pa；V为气体体积，即气室容积，m3；n为气体物质的量，mol；T为开氏温度，K；m为气体质量，kg；M为气体摩尔质量，0.146 kg/mol；R为常数，8.314。

由式（6）得：

式中，Δm为充入气体的质量，等于充气前气瓶质量与充气后气瓶质量的差，kg；ΔP为气压增量，等于充气后气室气压值与充气前气室气压值的差（气压表读数之差），Pa。

采用式（7）计算出的气室容积V不受气室形状及内部导体构造的影响，计算准确性高。

SF6气体浓度测量方法：SF6气体分子量比空气大，主要集中在密闭罩底部。为提高测量准确度，建议在密闭罩内不同位置（底部、中部、上部）分别选取几个测量点进行测量，然后对测量结果取平均值。

4 工程实例

依据实际工程，采用该方法对某110kV封闭式组合电器一进线间隔进行定量检漏，检漏过程数据及结果如下。

说明：

1）密闭罩采用长方体密闭罩。

2）检漏仪为上海唐山仪表有限公司生产的LF-1型SF6气体定量检漏仪（最小检测值为0.1 μL/L，误差≤3%）。

3）检测点分别取每个密闭罩内底部、中部、上部各4个点。

数据分析：该110 kV封闭式组合电器进线间隔各气室的SF6气体年泄漏率均低于《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》[9]（GB 50150-2006）和《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》[10]中规定的最大限值，符合生产要求。

5 结论

1）依据检修经验，结合相关文献，对SF6封闭式组合电器的常见泄露处进行总结，并对检测其密闭效果的必要性进行了充分阐述；

2）对几种常规的检测方法进行了对比，结合GIS封闭式组合电器的安装工艺及施工工序，对局部包扎法进行了改进，提高了其工程可操作性；

表1 定量检漏过程数据Tab.1 Process data of quantitative leaking detection

3）基于工程精度要求，对误差进行了分析。在此基础上，利用气体状态方程计算出密闭气室容积，改良了测量方法，提高了测量精度；

4）在某变电站电气安装过程中，采用此检测方法对某间隔气室进行定量检漏，从而验证了本测量方法的可行性和有效性。

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[7] 张艳妍，蒙海军，姚翔．GIS设备包扎检漏的新方法及在工程中的应用[J]．电力建设，2007，28（11）：48-51．ZHANG Yan-yan，MENG Hai-jun，YAO Xiang.A new method of GIS binding leakage inspection and its engineering application[J].Electric Power Construction，2007，28（11）：48-51（in Chinese）．

[8] 胡伟涛，隋少臣．红外检漏成像仪在SF6电气设备状态检修中的应用[J]．高压电器，2010，46（10）：90-92．HU Wei-tao，SUI Shao-chen.Application of gas find IRLW in condition-based maintenance of SF6electrical equipment[J].High Voltage Apparatus，2010，46（10）：90-92（in Chinese）．

[9]GB 50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].

[10]DLT618-1997气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程[S]．