GIS设备密封性能分析及改进

刘丽臻

摘要：以220kV犀牛变电站气体绝缘组合电器（GIS）设备为例，通过理论分析和现场经验总结，分析了影响GIS设备SF6气体密封性能的重要因素，并提出了相应的改进措施。通过试验样机验证了改进措施的有效性，为GIS设备的安装、运行、检修与维护提供了有用的借鉴。

关键词：气体绝缘组合电器（GIS），SF6气体，密封性能

SF6气体绝缘组合电器（GIS）由于占地面积小，运行安全，可靠性高，在大城市市区被广泛使用[1]。GIS的安全可靠运行依赖于SF6气体绝缘。根据现场经验，目前影响GIS安全可靠运行的重要因素是密封性问题，也就是SF6气体的泄露问题[2]。因此，找出SF6气体的泄露原因，提高GIS设备的密封性，也就成为了提高GIS设备安全可靠性的一个重要课题。

1 GIS设备密封性能分析

以广州供电局220kV犀牛变GIS设备为例来探讨GIS的密封性能问题。犀牛站220kV配电装置使用的GIS设备在现场交接试验和预防性试验时，发现多个部位密封性能不能满足公司要求（采用局部包扎法包扎24小时泄露量不超过30ppm）。通过实验和现场分析，影响GIS设备密封性能主要包括以下重要因素。

1）密封圈材料透气性

密封圈常用材料包括三元乙丙橡胶和丁晴橡胶等[3]，透气性能的静态对比试验见表1。

可以看出，丁晴橡胶的密封性能最好。而该GIS设备原大法兰和小法兰上用的密封圈材料分别是密度1.145g/cm?和1.09g/cm?的三元乙丙橡胶。

2）法兰紧固螺栓偏少

该GIS设备大法兰上只有12根螺栓，小法兰上只有8根螺栓。类比于现场其他类似设备，其密封法兰有24根螺栓。法兰紧固螺栓的增加可以减小两螺栓之间的法兰弧线长度，改善法兰面与密封圈压缩的均衡性，进而改善密封性能。

3）小法兰紧固螺栓力矩偏小

类比于瑞士ABB生产的300kV GIS设备，小法兰紧固螺栓的力矩应该从50Nm增加为70Nm，以更好地保证气密性。

4）密封圈的压缩量不足

该GIS设备的小法兰绝缘子密封圈压缩率为25%，大法兰绝缘子密封圈压缩率为20%，金属法兰和金属法兰连接的密封圈压缩率为22%，而国内通常推荐的设计标准为绝缘子和金属法兰连接的密封圈压缩率为30%，金属法兰和金属法兰连接的密封圈压缩率为25%。

5）单密封结构

该GIS设备目前采用的是单密封结构。双密封结构或X型密封圈结构在两密封圈之间能够形成一个小的缓冲气室，使得主气室和空气之间的压力差成阶梯分布，相当于把两个相邻气室的压差降低下来，进而提高了密封性能。

6）气室充气压力

该GIS设备断路器气室和电压互感器气室的额定充气压力为0.68Mpa（20℃时的绝对压力），其它气室的额定充气压力为0.65Mpa（20℃时的绝对压力），与其他站的GIS设备相比压力偏大，增加了密封的困难性。

7）现有的钢支撑结构不合理

目前水平母线隔离刀模块的斜支撑（图1左）与过渡小短管相当于构成个四连杆机构，存在旋转自由度，不能有效地克服母线隔离刀模块等设备对过渡小短管造成的应力。再增加一对斜支撑（图1右）能够有效地解决这一问题。

目前断路器两侧隔离刀模块通过一个水平的钢支撑板连接，由于实际铸造壳体法兰面（非密封面）拔模斜度和钢支撑板加工尺寸误差的存在，造成钢支撑板与两侧隔离刀模塊壳体锁紧后在断路器两侧法兰上产生变形应力（图2左），不利于密封性能。应改为两块板连接（图2右）。

8）装配顺序不合理

由于导体连接结构的限制，目前两个母线隔离刀模块的装配顺序为（参考图3左侧部分）先把水平母线隔离刀模块（DES1）和母线侧电流互感器模块装配在一起，再与断路器及过渡小短管装配，最后装配竖直母线隔离刀模块（DES2），这样在把水平母线隔离刀模块（DES1）和母线侧电流互感器模块一起装配到过渡小短管上面时，模块重心严重偏离过渡小短管的轴心，装配后就很大可能性地对过渡小短管的密封性能产生影响。需要改变导体连接结构，使得先把竖直母线隔离刀模块（DES2）和母线侧电流互感器模块装配在一起，再与断路器及过渡小短管装配，最后装配水平母线隔离刀模块（DES1）。

2 GIS设备密封性能改进措施

根据上述分析，综合考虑时间和风险等因素，对部分影响GIS密封性能的因素针对性地采取了改进措施：

1）密封圈材料由三元乙丙橡胶（EPDM）改为丁晴橡胶（NBR）;

2）小法兰紧固螺栓力矩由50Nm改为70Nm，大法兰采用导向轴套辅助装配，锁紧力矩取上偏差;

3）改进水平母线隔离刀模块的钢支撑结构，增加一对斜支撑;

4）改进竖直母线隔离刀模块和馈线隔离刀模块之间连接的钢结构，由一块支撑板连接改成两块板连接;

5）改进三相断路器装配方法、顺序和母线隔离刀模块装配顺序。

6）改变设备密封槽尺寸或结构，以及增加法兰螺栓数量等是一个系统复杂的工作，影响面大，暂时未采取措施改造。因SF6气体充气压力涉及到设备绝缘和开断性能，将不作改变。

为了验证改进措施的有效性，装配了一个完整的验证样机间隔。验证样机采用典型双母线电缆出线间隔布置方式，包括高压电缆连接模块、电压互感器、就地控制柜等。验证样机间隔充气完成后，开始采用局部包扎法进行持续的密封试验。经过数个月的持续跟踪，所有密封部位的泄漏值均为零。

3 结论

本文分析了影响GIS设备密封性能的各个重要因素，并根据分析进行了相应的改进。对改进后的试验样机进行的试验显示，相关措施能够提高GIS设备的密封性能。本文的相关分析和经验可以为其他GIS工程提供借鉴。

参考文献

[1]郭清海， 邝石. GIS设备泄漏原因分析及对策[J]. 电网技术， 2000， 24（9）： 8-9.

[2]高亚娟， 赵选勃， 王文昌. GIS用三元乙丙、丁腈、氯丁橡胶O形密封圈物理性能比较分析[J]. 高压电器， 2008， 4（2）： 118-121.

[3]谭晶， 杨卫民， 丁玉梅等. O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析[J]. 润滑与密封， 2006， 181（9）： 65-69.