三門核電站550 kV GIS安裝要點分析及控制1)

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas insulated Switchgear,GIS)利用SF6氣體的優良絕緣性能，將斷路器(CB)、隔離開關(DS)、電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、避雷器(LA)等多種設備以及主母線、分支母線組合在一起。它具有元件可以隨意組合，占地面積小，維護工作量小等特點，廣泛應用于發電站、110 kV及以上變電站。GIS設備主體結構采用同軸圓柱體間隙，電場分布屬于稍不均勻電場，運行可靠性高，故障率遠低于敞開式開關站設備的平均水平，與常規電氣設備方案相比，外露帶電體少，對地閃絡的幾率僅為常規電氣設備方案的30%～50%[1]。

三門核電站550 kV GIS的功能是作為發電和配電的連接樞紐，一方面接受發電機發出的電能，通過架空線把電能從核電站輸送到電網。另一方面，在機組啟停期間，550 kV系統電源作為優先電源，通過主變和廠變對廠用負荷供電，屬于發變電系統中的關鍵設備。對三門核電站而言，若發生550 kV GIS設備故障導致核電站與電網之間的優先級電源電路被切斷，在其維修周期內將導致核電站無法外送電能，這對核電機組將是一個較大的損失。

1 三門核電站一期工程550 kV GIS特點及安裝流程

三門核電站一期工程550 kV GIS為3相，50 Hz，進出線回路的額定電流為5000 A，短路電流為63 kA，總計140個氣室，斷路器氣室額定壓力0.6 MPa，其他氣室0.5 MPa[2]。設備由新東北電氣高壓開關有限公司(以下簡稱“新東北”)供貨，采用“一個半斷路器”接線方式，建設規模為兩進兩出，出線側與架空線連接，進線側與氣體絕緣金屬封閉母線(GIL)連接。此外一期工程兩段主母線有預留端口供二期擴建使用。

由于GIS結構緊湊，設備為單體到貨后在施工現場組裝，且法蘭對接要求精密度高，這些對安裝都提出了很高的要求，如安裝過程質量控制不嚴容易導致后期故障的發生，主要包括絕緣類故障和氣密性故障。在進行一期工程550 kV GIS安裝施工前，現場結合設備的技術參數、結構特點及易發生的故障明確了安裝驗收重點控制工序，具體安裝流程如圖1所示。

圖1 GIS設備安裝流程圖Fig.1 Flow chart of GIS installation

2 安裝故障分析及控制措施

根據GIS結構特點、廠外經驗反饋及相關文獻資料對GIS事故類型的統計，GIS故障主要包括絕緣類故障和氣密性故障兩大類。

(1)絕緣類故障

絕緣類故障是GIS故障的最主要原因，經統計，約占總量的70%[1]。絕緣類故障主要表現為由于盆式絕緣子、絕緣操作桿、支持絕緣子等固體絕緣介質表面發生沿面放電，造成導體對地或相間短路。其誘因主要是絕緣部件選材不合格、制造質量不良和安裝工藝控制不嚴。

(2)氣密性故障

GIS設備氣密性故障指的是在運行維護過程中發現GIS氣室內SF6壓力下降，泄漏率過大，導致SF6低壓報警，無法滿足正常的絕緣要求，以及外界環境中的水汽進入GIS氣室中引起SF6微水過高。根據分析，氣密性故障的主要原因包括設備密封面光潔度及氣密性不合格，密封圈老化、變形，密封圈安裝位置不合格，螺栓未擰緊。

結合上述兩類常見的故障類型及GIS設備安裝流程圖，制定了故障因果分析及應對措施表，如表1。

三門核電站一期工程GIS安裝期間，現場針對故障應對措施表，采取質量監督選點見證的方式，對于安裝過程中的關鍵點進行了全過程的質量控制。關鍵控制點包括：開箱驗收控制、安裝環境控制、設備清潔控制、斷路器定位、導體插入深度及回路電阻試驗、密封圈安裝、法蘭面密封、氣室氣密性檢查、SF6氣體純度控制等。下面分為安裝前、中、后進行重點分析。

2.1 安裝前控制措施

2.1.1 設備開箱驗收控制

三門核電站一期工程550 kV GIS設備為單體到貨，現場組裝的方式。斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、隔離開關、接地開關、主母線、斜跨母線等主設備總計195件，每件均單箱到貨。為減少設備到貨后的運輸周轉次數，降低設備由于轉運而產生質量問題的風險，現場采取設備直接運輸到550 kV開關站進行開箱驗收的措施。

鑒于一期工程中多次發現母線、電流互感器等設備外殼損壞，震動指示劑變紅的問題，開箱驗收應重點檢查如下方面：

1)每個盆式絕緣子、導體和觸頭表面是否有裂痕或刮擦；

表1 GIS故障因果分析及應對措施表Table 1 Fault analysis and countermeasures for GIS

2)斷路器、避雷器、母線等主設備的運輸震動器狀態，若發生運輸震動器變色，說明設備在運輸過程中發生震動，其內部導體及盆式絕緣子可能受損[3];

3)清點螺栓、螺帽、化學藥劑等散件的數量。

2.1.2 安裝環境控制

保證現場安裝環境的清潔度，是控制GIS設備內部清潔的關鍵，也是確保GIS設備安裝質量的首要任務。為確保安裝環境的清潔度，應建立清潔區，做到廠房除塵，通過臨時通風降低濕度，地面鋪塑料地毯，廠房封閉式管理，控制出入廠房人員數量。GIS廠房內懸掛溫濕度計，每天施工前檢查濕度是否符合要求，現場要求廠房濕度小于80%[4]才允許安裝作業。此外需要求GIS主設備安裝前完成開關站的土建、火警、照明、暖通等小安裝施工,以防止交叉作業產生的環境不滿足GIS設備安裝要求。

2.2 安裝過程控制措施

2.2.1 設備的清潔控制

在GIS廠房環境滿足要求后，安裝過程中尤其是設備開蓋后的清潔控制就尤為重要。GIS的導體表面和絕緣面都要進行仔細的檢查和清潔。對于表面的劃痕及灰塵，使用百潔布砂光，再用吸塵器吸走金屬粉末及其他雜質，為防止擴大污染范圍，禁止用吹掃或抹掉的措施。清潔完成后使用溶劑對導體和法蘭面進行擦拭[3]。1)導體、觸頭、外殼內側使用乙醇溶液；2)盆式絕緣子使用丙酮溶液。

值得一提的是，應特別關注對導體和觸頭插接部分區域的清理，以防內部存在殘留的金屬導電顆粒。

2.2.2 斷路器定位精度控制

550 kV GIS設備是通過封閉母線相互連接的，斷路器為臥式布置在所有其他設備的最下方，其上方為電流互感器、隔離開關、母線等。現場施工以斷路器為起點安裝，由于GIS的對接面多，主母線很長，其誤差會隨安裝設備的增多而累積，所以在斷路器埋件基礎定位畫線的時候就要準確。其畫線誤差不應超過±1 mm[4]。

斷路器埋件定位畫線時先畫出廠房中心線，再以廠房中心線為基礎根據GIS安裝平面圖和斷路器尺寸及間距要求，在地面上劃出18個斷路器單元的埋件位置。為更加精確地控制斷路器安裝精度，需在埋件安裝就位后進行標高復測，若存在誤差，則應選取最高點為找正的參考點，其他測量點采用加墊片的方法進行調整。需注意不同斷路器高度偏差應≤10 mm[4]。

標高找正完成后，再對X軸、X1軸進行找正，最終對Y軸進行找正，如圖2。所有斷路器都就位找正后，在兩端斷路器端蓋板側和機構側各拉一根細鋼絲檢查所有斷路器是否在一條直線上，如有偏差則可進行微調。再使用卷尺對相鄰斷路器間距進行復測，要求誤差在±10 mm[4]以內，最終根據勾股定理選取斜線方向進行測量滿足計算要求，復測示意圖如圖3。在進行上述措施多次復測檢查后，就可以確保斷路器的安裝的高精度控制。

圖2 斷路器找正Fig.2 Alignment of CB

圖3 斷路器安裝精度復測示意圖Fig.3 Installation of CB

2.2.3 導體安裝及回路電阻測試

根據廠外經驗反饋[5]，某變電站GIS母線內部發生對地短路故障，最終查明故障原因為GIS現場安裝時導電桿未安裝到位，致使導電桿與觸頭接觸不良，觸頭發熱融化，最終造成母線導體對外殼放電的單相接地短路故障。550 kV GIS的導體安裝完成后需對插入深度進行檢查，通過測量導體長度L1和導體頂端至導體內表面與觸頭接觸處的距離L2，兩者差值L0在40～100 mm范圍內即合格，如圖4。

圖4 導體插入深度詳圖Fig.4 Conductor insertion depth detail

設備安裝完成后，為驗證安裝質量，進行主回路導電電阻測量。現場將GIS分為48段(單相)進行測量，其中1號、2號主變側小GIS各6段，具體如圖5。

現場采用直流降壓法，使用5502回路電阻測試儀測量，測試電流100 A。試驗時斷開本段范圍內所有接地開關的接地連接，合上隔離開關和斷路器。測量值最大不得超過廠家標準的20%[6]，此外還應注意三相平衡度，相同結構的裝配單元的回路電阻值相差不得大于10%。通過安裝過程中導體插入深度、精度的嚴格控制，550 kV開關站內36個回路的試驗值均符合要求，見表2。

2.2.4 密封圈的安裝要求

GIS法蘭面密封主要通過密封圈來實現，因此密封圈的質量及其安裝質量對于GIS密封性能是一個重點。現場某段斜跨母線后發現真空度不能保持，經過三次排查，查明是隔離開關機構側小密封圈損壞漏氣。所以GIS每個部件使用到的密封圈都是潛在的漏氣點，對密封圈的檢查及安裝質量控制是確保GIS密封性能的一個最重要措施。

在使用密封圈前應檢查密封圈是否老化，有無裂痕及是否壓扁變形。根據國標“已用過的密封墊(圈)不得使用[4]”的強制標準，GIS密封圈一律不得二次使用。

在法蘭面密封槽內安放密封圈時，不得損傷密封圈，安放好后在密封圈外圈側的密封槽內均勻地涂抹道康寧111密封膠[3]，以防止擰螺栓時密封圈跑偏、滲漏。需要注意的是，密封膠絕不能抹到密封圈的內圈側，這樣才能保證在對氣室抽真空時密封膠不被吸入到氣室內影響絕緣性能。

法蘭螺栓固定后，室外區域的法蘭密封面的螺栓孔處均應加注密封膠，以保護密封圈免受日曬雨淋及酸堿霧氣的腐蝕。

圖5 主回路電阻測量方案Fig.5 Main circuit resistance measurement scheme

表2 550 kV GIS回路測試結果

2.2.5 法蘭面密封及力矩要求

本工程在GIS的法蘭連接時，采用了定位銷來實現準確對接(見圖6)。此外還可以過調節波紋管長度來調整法蘭間隙。隨后開始法蘭面的固定，為確保整個法蘭面整體密封，在安裝螺栓時，要采用圖7所示的順序，至少分三次來完成所有螺栓的安裝工作，安裝時需滿足M16螺栓力矩值160 N·m，M12螺栓力矩值70 N·m的要求[3]。

圖6 采用定位銷進行法蘭對接Fig.6 Flange butt joint by positioning pin

圖7 法蘭螺栓固定的順序Fig.7 Order of flange bolt fixation

2.3 安裝后措施

2.3.1 氣密性檢查

在每個氣室完成安裝及密封后進行抽真空[3]。要求抽真空至133 Pa，查看氣室的真空度在15 min內不變，則繼續抽真空直至40 Pa，開始計算時間，維持真空泵運轉時間至少30 min，停泵并與泵隔離，檢查真空度并記錄數值，靜置15 min后再檢查真空計的讀數是否大于133 Pa，如大于說明有漏氣的地方，如小于則說明抽真空合格，繼續抽真空2 h以上，目的是盡量抽出水分。這也是在對氣室充SF6氣體之前采取的一種檢漏方法。

除了這種抽真空檢漏法，漏氣檢查法還有另一種：檢漏儀檢漏法。

檢漏儀檢漏法[8]是根據GB 50150—2006 14.0.4規定，采用靈敏度不低于1×10-6(體積比)的檢漏儀對各氣室密封部分、管道接頭等處進行檢測時，檢漏儀不應報警。在三門核電站一期工程中，采用局部包扎法進行氣體泄漏測量，在氣室內充入額定壓力的SF6后，對每個法蘭面、截止閥及氣體管路所在位置包裹上塑料薄膜，盡可能構成圓形或方形并確保包裹嚴實，最后用膠帶沿邊緣粘貼密封。塑料薄膜與被測設備之間應保持一定的間隙，積蓄24 h后使用SF6檢漏儀進行檢測，查看是否有泄漏。三門核電站一期工程通過抽真空檢漏法和檢漏儀檢漏法的結合使用確保每個氣室的氣密性符合要求。

2.3.2 SF6氣體純度控制

SF6具有優異的滅弧性能和絕緣能力，在高壓設備中作為絕緣和滅弧介質應用廣泛。但一旦大氣中的水分浸入或固體介質表面受潮，SF6氣體過量水分可能會凝結在固體介質表面而發生閃絡，使設備絕緣性能下降；另一方面，在電弧的作用下SF6氣體中的水分和觸頭材料會發生如下反應：

(1)

其中CuF2和WO3是固體粉末，WO3極易吸潮，當其附著于絕緣件表面時，會造成閃絡電壓值下降；HF有腐蝕性，會腐蝕斷路器弧觸頭及其他元件；SF4和SO2F2會影響呼吸系統進而造成窒息。所以SF6氣體純度控制是預防GIS設備絕緣類故障的一個重要控制點。現場控制措施為：1)SF6氣體出廠檢驗；2)SF6氣體到場送檢；3)SF6氣瓶全數微水試驗；4)SF6氣室微水試驗。

SF6氣瓶到貨后，現場要求供貨廠家提供氣瓶的檢驗報告，確保SF6氣體純度和空氣、CF4、HF、礦物油的含量均滿足工業六氟化硫國標[7]要求。GIS安裝前，根據國標要求按10%比例外送計量院檢驗。

本工程GIS氣室微水含量限值要求如下[6]：1)斷路器、隔離開關、接地開關氣室微水含量要求小于150 μL/L；2)其他氣室微水含量要求小于250 μL/L；3)氣瓶微水含量要求小于40.58 μL/L。SF6微水測試使用露點法。各氣室充SF6氣體至額定壓力后使用微水測量儀進行測量，其儀器顯示值為露點，得出露點溫度后查SF6氣體露點微水對照表即可得到用體積比表示的濕度。該濕度為測量環境溫度t下的體積比，為了與標準進行比較，需換算為20 ℃下的體積比濕度，換算公式如下：

(2)

式中:KV——20 ℃下被測氣體的體積比濕度(×10-6);

KVt——環境溫度t下被測氣體的體積比濕度(×10-6);

P1——環境溫度t下SF6氣體壓力(Pa);

P2——換算到20 ℃下SF6氣體壓力(Pa);

P1S——環境溫度t下飽和水氣壓值(Pa);

P2S——換算到20 ℃下飽和水氣壓值(Pa)。

由理想氣體狀態方程pV=nRT得：

(3)

此外，充氣時應使用減壓閥，控制壓力不宜過大，防止凝露，以緩慢上升為宜，防止液態SF6進入氣室內從而使壓力過量升高。為提高充氣的效率，可使用電加熱帶的方法對鋼瓶進行加熱，使液態SF6氣體加速氣化，提高鋼瓶內氣體壓力以保持連續充氣。加熱氣瓶時，現場使用溫度計測量，控制最高溫度小于40 ℃。

3 結論和建議

GIS設備的安裝質量直接關系到設備運行的可靠性。從三門核電站一期工程550 kV GIS安裝的實施情況來看，對以下幾個方面進行有效控制能夠很好確保GIS的最終安裝質量。

3.1 針對絕緣類故障

1)到貨驗收重點檢查盆式絕緣子、導體、震動指示劑。

2)施工環境清潔度及濕度控制。

3)安裝時做好設備清潔度控制、排除內部雜質。通過質量選點見證、旁站監督、檢查安裝原始記錄、安裝后進行復測等措施，重點控制單體設備安裝誤差和導體插入深度。

4)設備整體安裝完成后，通過回路電阻測試來驗證安裝質量。

5)SF6氣體純度及微水控制。

3.2 針對氣密性故障

1)施工環境清潔度及濕度控制。

2)法蘭安裝時注意法蘭面的清潔度，重點對密封圈的安裝、密封脂涂抹進行全程見證驗收，提高安裝質量。

3)對接完成后采用定位銷提高法蘭面對接精準，重點控制螺栓緊固順序及確保力矩滿足要求。

4)單個氣室安裝完成后便立即進行抽真空，確保氣室內的水分吸出并對氣室密封性進行驗證。

5)室外區域法蘭密封面的螺栓孔處均應加注密封膠以防進水及酸堿霧氣的腐蝕。

除了上述提到的施工要點，根據一期工程的經驗反饋，在二期工程中還需注意以下事宜：

1)采購不同型號的密封圈作為備件，同樣適用于220 kV GIS。備用的密封圈可用于接口施工，故障排除，維修時使用，減少對施工及維修進度的影響。

2)螺栓力矩驗收控制。一期工程550 kV GIS安裝完成后，發現部分法蘭面螺栓力矩未達到規范要求，后續對全部螺栓進行了排查并整改。二期工程將對螺栓力矩進行全數檢查，制作力矩記錄卡，由施工和質檢人員確認后簽字，確保力矩符合要求并有據可尋。

3)相鄰氣室氣壓差控制。根據廠外經驗反饋，某變電站GIS不同氣室間的盆式絕緣子由于受兩側壓力差過大而損壞。在三門核電站一期工程GIS安裝時，在所有設備均抽真空完成后，先注氣至0.1 MPa，再充至額定壓力。同時在后續接口施工對某氣室抽真空時，需確保相鄰氣室壓力降至額定壓力的一半，減少兩側壓差過大對盆式絕緣子的損壞。

4)一期工程新東北供貨的SF6壓力表直接與氣室連接，缺少總閥門，導致表計校驗拆除時的工作量很大，容易導致接口損壞。這樣也不能滿足國家電網《防止電力生產事故的25項重點要求》中關于SF6儀表在線校驗的要求。建議二期工程廠家在氣室壓力表前增加截止閥。此外一期工程550 kV GIS母線及接地開關、隔離開關氣室的SF6壓力表位置過高，表值難以讀取。建議二期工程廠家新增氣室SF6壓力采集裝置，將每個氣室的壓力值信號傳遞至就地側，方便后續運行、維護人員讀取。

通過對GIS設備潛在故障的分析明確安裝要點并嚴格控制，對廠內外經驗反饋及時響應并采取行之有效的措施，同時對設備、施工等方面的不斷改進以滿足使用需求，可很大程度提高GIS運行的可靠性。