220 kV GIS设备漏气原因分析及预防措施

曲文韬，黄 锐，吕俊涛

(山东电力集团公司 检修公司，山东 济南 250021)

0 引言

SF6气体作为一种新型绝缘介质，与其他介质相比，具有绝缘强度高、灭弧能力强、化学性能稳定等特点，因此，由其作为绝缘介质的GIS设备则具备了占地面积和安装空间小、运行过程中不受自然环境影响、可靠性高、维护费用低等一系列优点，被广泛地应用在现代电网中[1]。然而，SF6气体泄漏严重影响设备安全运行，设备中 SF6气体的绝缘性能主要受两个因素制约[2，3]。一个是SF6气体中水蒸气的含量，即通常所说的湿度或微量水分。当微量水分增高或严重超标时，可能会造成沿绝缘物内部表面闪络而造成事故，也可能使开关绝缘件受潮或产生凝露，从而大大降低其绝缘性能。同时水分会与被电弧分解的SF6分解物反应，生成腐蚀性极强的HF(氢氟酸)、氟化亚硫酰 (SOF2)、二氟化硫酰 (SO2F2)等酸性物质，会腐蚀设备中灭弧室内的金属元件和设备的密封绝缘材料，进而影响设备的力学性能，缩短设备的使用寿命，降低设备的绝缘能力，而且这种劣化的SF6气体对人体等生物也具有毒性，对环境也会造成污染。GIS设备漏气后的危害有:(1)SF6气体泄漏造成GIS气室内的气体压力下降，大大降低气体绝缘设备的绝缘强度，又极大地降低GIS组合电器灭弧室的灭弧能力。当SF6气体严重泄漏时会造成SF6断路器闭锁，从而发生断路器不能正常操作，SF6设备发生内部绝缘击穿等重大事故[4]。(2)GIS漏气造成气室内SF6微水含量增大，危害绝缘，影响灭弧，产生有毒物质，影响环境，有害健康。为保证设备正常运行，不得不定期补充SF6气体。除所充SF6气体自身所含微量水，充气时亦可能将水分带入设备内，外界环境中水分经泄漏点进入气室，造成GIS内SF6水含量增高。很容易在绝缘材料表面结露，造成绝缘下降，严重时发生闪络击穿。 (3)SF6气体价格昂贵，成本逐年上升，大量补气会致使设备维修成本增加。(4)SF6气体作为6种受限制的温室气体之一，其单个分子对温室效应的影响为CO2的23 900倍，大量泄漏会污染和破坏大气环境，增加温室效应[5，6]。(5)SF6漏气后需要补充SF6惰性气体，处理时间比较长，会造成大范围的停电，而且维修和处理都比较麻烦。目前，在发现SF6气体绝缘设备出现漏气时，通常采用补气的方式进行处理，但是该方法不能从根本上解决问题，漏气现象不能得到有效抑制。因此，对GIS设备进行漏气点的查找及漏气原因分析是十分必要的。本文针对近期山东地区发生的多起220 kV GIS设备漏气事故，从GIS设备的制造工艺、密封安装、环境条件等方面重点对分支结构和主母线结构的设备进行漏气原因分析，提出了两种快速准确的检漏方法，并针对漏气问题总结出了一系列预防性措施。

1 分支结构漏气案例分析

1.1 漏气发生过程

2011年11月23日，某变电站220 kV线路侧某刀闸气室与母线连接面，现场听到明显漏气声，该刀闸气室及母线气室压力明显下降。现场检漏确定该间隔C相母线刀闸与Ⅰ母线连接面漏气。

检修人员到达现场确认维修方案后进行维修解体，发现注胶槽内注胶情况不良、外露的紧固件和法兰对接面涂抹防水胶情况不良、对接面及密封槽处有水、盆式绝缘子密封槽处有一处微小裂纹 (如图1所示)。

图1 盆式绝缘子裂纹现场图Fig.1 Crack diagram of the disc insulator

1.2 漏气原因分析

根据以上现场调查结果分析，造成本次气体泄漏的主要原因有以下几种:

(1)盆式绝缘子质量问题。盆式绝缘子是通过环氧树脂及其填料的合理配方进行真空浇注而成，浇注后进行冷却及固化工艺，在制造过程中会存在裂纹等质量缺陷，造成气体泄漏。

(2)盆式绝缘子与法兰密封不良。220 kV GIS设备盆式绝缘子与法兰的密封结构常采用O型密封圈密封设计，密封槽外侧设计了防水注胶槽和外露的紧固件采用涂抹防水胶的防水设计(如图2)，通过注胶孔向注胶槽内及螺栓孔注满防水胶。当注胶槽内注胶、外露的紧固件涂抹防水胶情况不良时，罐体法兰与盆式绝缘子的对接面的防水性能变差。

图2 盆式绝缘子密封结构Fig.2 Seal structure of the disc insulator

由于没有达到很好的防水性能，同时近期山东地区大面积出现的降雨后转为降雪、气温骤降的环境条件，导致雨水通过罐体法兰短接板对接面渗入罐体法兰与盆式绝缘子连接面，雨后降雪、气温骤降，雨水结冰，体积膨胀，产生膨胀力作用在法兰连接处，可以导致3方面后果:一是挤压密封圈使其变形、导致密封圈与法兰之间没有足够的压缩量而漏气;二是使碗状垫圈产生弹性或塑性变形，螺栓预紧力失效，导致密封面处漏气;三是使盆式绝缘子局部受力，产生裂纹，导致密封面处漏气。

1.3 处理措施

(1)对出现裂纹的盆式绝缘子进行更换。

(2)对盆式绝缘子与法兰的密封面对接缝及其连接的螺栓端部进行补涂防水胶工艺处理。

2 主母线漏气原因分析

2.1 漏气发生过程

2011年12月20日，某变电站220 kV母线气室压力明显下降并报警，经现场检漏确定漏气点位于该母线气室伸缩节的盆式绝缘子法兰对接面处。通过外观检查，检修人员发现法兰连接对接面有缝隙，有的地方用扳手预紧螺母，漏气现象没有了，解体检查有水、密封面外侧有部分锈蚀。

2.2 漏气原因分析

(1)伸缩节设计问题。GIS设备安装施工过程中，因存在零部件安装累计误差及土建误差，各工程在设计GIS主母线中配置了若干组伸缩节(如图3)，以消除安装应力。同时，利用此伸缩节满足母线热膨胀的变化及基础沉降。在伸缩节设计过程中，当伸缩节补偿碟簧预压缩尺寸调整不当，碟簧力大于伸缩节补偿碟簧设计要求时，会致使伸缩节与法兰对接面出现裂缝而漏气。

图3 伸缩节实物图Fig.3 Real graph of the expansion joint

(2)主母线结构、密封设计问题。在主母线结构中，因伸缩节处于两固定点中间位置附近，受环境温度影响而产生的位移量较大，致使伸缩节附近处法兰连接有较大变形量，部分碗状垫圈强度不够，承受不住而发生严重变形，使螺栓预紧力失效，法兰密封面出现缝隙，破坏法兰对接面局部密封条件，导致密封面处局部漏气。

(3)紧固螺栓力矩不够。在母线对接螺栓的紧固过程中个别螺栓没有达到规定力矩要求，在应力的作用下松动，使螺栓预紧力失效，法兰密封面出现缝隙，同样也可能破坏法兰对接面局部密封条件，导致密封面处局部漏气。

2.3 处理措施

(1)将存在问题的伸缩节补偿碟簧预压缩尺寸进行调节，使碟簧力小于伸缩节补偿碟簧设计要求，以消除伸缩节处法兰连接附加的补偿碟簧力。

(2)用平垫、弹垫 (热镀锌)更换以上工程的所有主母线法兰连接的碗状垫圈和与主母线相邻的隔离开关法兰连接的碗状垫圈。

(3)按照工艺文件规定的要求进行重新紧固，确保螺栓连接紧固有效，并将外漏的垫圈及螺栓头涂抹防水胶。

3 预防措施

3.1 优化SF6气体检漏方法

3.1.1 包扎法粗略确定漏气位置

首先，将可能出现漏气的气室用塑料袋包扎起来，经过一段时间的气体沉淀后，再将便携式气体检漏仪 (俗称电鼻子)伸入包扎袋内 (如图4)，通过检查检漏仪报警的情况即可判断是否漏气。该方法只能检测到漏气的大概位置，不能对漏气点进行准确定位。

图4 包扎法检漏现场图Fig.4 Scene diagram of bandaging method for leak detection

3.1.2 红外法精确定位漏气点

红外成像检漏仪的工作原理:光是由一系列单色光组成，红外光即是由一系列处于红外频率的单色光组成。每种气体都有吸收自己对应频率红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。光穿过气体时，特征频率谱线光能就会被气体吸收，从而使该频率的光的能量减弱。SF6气体在红外有一个以波长 10.56 μm 为中心的吸收带[7～9]，对应的波数为947 cm-1。说明SF6气体在此频率带内吸收和辐射能力都很强，见图5。红外检漏成像仪采用先进的高灵敏度量子阱探测器，配合先进的电子及图像处理技术，不需要任何特定的背景，实时准确地检测SF6气体泄漏点，并即时形成层次感极佳、非常直观的红外图像。当没有SF6气体泄漏时，检漏仪内图像与摄像机产生的图像类似，当产生气体泄漏时，红外光由于经过SF6气体的吸收而使泄漏气体出现区域的视频图像产生对比变化，形成烟雾状阴影。气体浓度越大，烟雾状阴影越明显。在这种方式下，即可通过图像中的阴影来确定其泄漏点和散发方向，从而使检测人员站在地面即能快速、准确定位SF6泄漏点。红外成像检漏仪的成像原理见图6。

图5 SF6气体红外吸收光谱图Fig.5 Infrared absorption spectrogram of SF6

图6 SF6红外成像仪工作原理Fig.6 Working principle of the SF6infrared imager

3.1.3 激光检测法精确定位漏气点

SF6激光成像检漏技术的原理:SF6气体具有极强的红外吸收特性，当激光遇到SF6气体时，会被SF6气体吸收，激光强度将明显减弱。SF6激光成像检漏仪主要就是利用SF6气体该特性以及反向散射/吸收理论。其工作原理为:由激光发射器瞄准被测设备区域发出入射激光，入射激光经过背景反射会形成反向散射激光进入激光摄影机成像系统。在没有泄漏气体的情况下，所产生的反向散射激光与反向散射阳光产生的图像相同;在有泄漏气体的情况下，发出的入射激光遇到泄漏的SF6气体，会被吸收一部分，返回到激光摄影机成像系统的激光强度由于经过气体烟雾的吸收将会减弱，从而形成与无泄漏时不同的激光成像。SF6气体浓度越高，吸收就越大，激光成像对比度也越大。在这种方式下，一般的非可视气体将在视频中可见，其泄漏源和移动方向都可以方便确定。该技术使正常不可见的SF6气体泄漏在标准视频显示中可视化，检测人员在监视器上就可实时检测SF6气体，由此可以发现有无SF6气体泄漏[10～12]。SF6激光成像检漏仪原理如图7所示。

利用该原理开发的SF6激光成像检漏仪主要由激光发射系统、激光接收系统、放大成像及数据处理系统、显示及记录系统等组成。SF6激光成像检漏仪组成如图8所示。

图7 SF6激光成像检漏仪原理图Fig.7 Schematic diagram of the laser imaging leak detector for SF6

图8 SF6激光成像检漏仪组成Fig.8 Composition of the laser imaging leak detector for SF6

基于激光成像技术的SF6设备带电检测，能够远距离带电检测SF6气体泄漏，可使无色无味的SF6气体在显示屏上以可见的动态烟云形式显现出来，从而可以直观、准确、快速地发现并定位泄漏点。利用激光成像技术进行SF6气体泄漏检测方法，与常规方法相比较，可以安全地在远距离对泄漏点进行检测，保障了运行、检修人员的健康和安全;减少了停电时间，提高了设备的供电可靠性;SF6气体泄漏激光成像技术的应用，大大提高了现场漏点的查找效率，为实现SF6电气设备的状态检修创造了良好条件。

3.2 对漏气问题开展预防性措施

(1)对GIS设备的制造工艺，应严格按照工艺过程进行生产控制，并以技术文件为标准进行各种型式试验和出厂试验，保证设备质量。

(2)对山东地区220 kV GIS设备，加强巡视检查，采用红外和激光检漏仪器进行定期检查，密切注意气体压力变化。

(3)2012年3～4月，待山东地区天气转暖后雨季来临前，对密封面对接缝及其连接的螺栓端部进行排查并补涂防水胶工艺处理，防止冬季雨水进入密封面而导致气体密封故障的再次发生。

(4)在各站的主母线伸缩节处做好明显标记、当时的温度记录、时间记录，以便后续对伸缩节的变形量进行跟踪分析。

(5)在产品的厂内装配及现场安装过程中，严格按照相应安装作业指导书的规定作业，提高现场安装质量，完全按照安装工艺守则执行，以消除人为因素造成的现场运行问题。

4 结论

针对山东地区近期出现的几起220 kV GIS设备漏气事故，总结了分支结构和主母线结构两种易于发生漏气的部位，结合实例对漏气原因进行了详细的分析。同时，针对漏气现象发生后漏气点难以准确查找而致使漏气加剧的问题，文章提出了通过包扎后利用便携式检漏仪粗略估计漏气位置，然后利用红外检漏仪、激光成像检漏仪精确定位的方法，该方法能够快速准确地查找漏气点。最后，从设备设计制造工艺、安装工艺、以及日常维护等方面对漏气问题提出了预防性措施，具有较强的现场指导意义。

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