某110 kV 變電站GIS 終端漏氣原因分析

張 鴻

（廣州市電力工程有限公司，廣東廣州 510260）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)與城市用電的深入，為配合城市規(guī)劃的發(fā)展，近年來(lái)110 kV 變電站已廣泛地采用GIS 設(shè)備供電運(yùn)行，規(guī)劃占地面積大大縮小。GIS 設(shè)備多采用電纜線路連接，但由于在產(chǎn)生、保管、安裝、運(yùn)行各環(huán)節(jié)上存在的種種問(wèn)題，GIS 終端、接頭可能發(fā)生故障，影響電網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)廣東某變電站110 kV GIS終端漏氣造成電網(wǎng)故障進(jìn)行分析，根據(jù)故障原因提出了處理對(duì)策和改進(jìn)方法，供以后進(jìn)行參考。

1 110 kV GIS 故障情況分析

1.1 故障設(shè)備外觀情況

2019 年6 月，某變電站正在運(yùn)行的110 kV GIS A 相電纜終端氣室出現(xiàn)SF6氣體泄漏現(xiàn)象，氣壓迅速下降，造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。施工單位、運(yùn)行單位及GIS 開關(guān)廠家工程師一起在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)GIS 終端環(huán)氧套管與氣室的配合情況進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)在電纜終端尾部包封的絕緣膠帶鼓大，有明顯的氣孔出氣現(xiàn)象。

1.2 故障設(shè)備解剖

為了判斷設(shè)備故障情況，將電纜終端拆出GIS 氣室，分別進(jìn)行GIS 氣室和電纜終端進(jìn)行檢查。

（1）拔出環(huán)氧套管，拔出后發(fā)現(xiàn)環(huán)氧套管有明顯的裂縫。裂縫位置位于與GIS 開關(guān)倉(cāng)配合的法蘭平面根部位置，根部裂紋長(zhǎng)度約為整個(gè)圓周的三分之一。

（2）進(jìn)一步拆開GIS 終端，對(duì)GIS 終端各項(xiàng)安裝尺寸進(jìn)行復(fù)核，發(fā)現(xiàn)接線柱安裝尺寸符合工藝要求。

（3）GIS 開關(guān)與終端頂部采用多級(jí)硬性連接，存在多個(gè)剛性連接界面（圖1）。

圖1 110 kV GIS 終端設(shè)備連接情況

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)連接界面的配合要求

GIS 終端環(huán)氧套管和GIS 開關(guān)柜存在兩個(gè)配合平面，一個(gè)為環(huán)氧套管法蘭與GIS 開關(guān)柜法蘭的連接配合平面，另一個(gè)為環(huán)氧套管頂部與GIS 開關(guān)柜導(dǎo)桿的連接配合平面，根據(jù)目前市場(chǎng)上普遍采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271—209：2007 和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22381—2008 要求可知，這兩個(gè)配合平面的平行度要求為0.2 mm。核對(duì)廠家資料GIS 終端環(huán)氧套管的尺寸嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其他尺寸也嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.4 漏氣原因分析

從上述檢查情況來(lái)看，認(rèn)為本次GIS 終端出現(xiàn)漏氣的原因可能是環(huán)氧套管下法蘭部位受到某種非正常因素影響，導(dǎo)致法蘭根部出現(xiàn)異常裂紋，最終引起GIS 終端漏氣故障。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，分析導(dǎo)致本次環(huán)氧套管根部出現(xiàn)異常裂紋的可能原因。

1.4.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)引起裂紋的可能性分析

根據(jù)GB/T 22381—2017，對(duì)于三級(jí)連接，開關(guān)設(shè)備橫向施加于連接界面的以及由主回路末端直接傳遞過(guò)來(lái)的最大附加力應(yīng)不超過(guò)5 kN；對(duì)于單極連接，連接界面也應(yīng)能夠承受橫向施加于其上的2 kN 的總的機(jī)械力。經(jīng)過(guò)廠家試驗(yàn)，環(huán)氧套管頂部承受水平推力達(dá)5.6 kN 時(shí)，產(chǎn)品無(wú)損傷，且環(huán)氧套管頂部的抗彎破壞力矩最大可達(dá)29.14 kN·m。從上述相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，氧套管的機(jī)械性能可滿足正常使用要求。因此，不存在由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致環(huán)氧套管出現(xiàn)異常裂紋的可能性。

1.4.2 產(chǎn)品質(zhì)量引起裂紋的可能性分析

經(jīng)過(guò)核查檢驗(yàn)報(bào)告及竣工資料，本次出現(xiàn)裂紋的環(huán)氧套管按要求進(jìn)行出廠了試驗(yàn)，局放試驗(yàn)檢測(cè)，施加114 kV 工頻試驗(yàn)電壓，檢測(cè)結(jié)果合格；工頻耐壓190 kV，歷時(shí)30 min，檢測(cè)結(jié)果合格。對(duì)環(huán)氧套管原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)、生產(chǎn)及出廠試驗(yàn)環(huán)節(jié)等相關(guān)過(guò)程記錄文件，環(huán)氧套管的機(jī)械、電氣等各方面性能均達(dá)到要求，GIS 終端安裝各安裝尺寸均符合工藝要求。

從對(duì)環(huán)氧套管的原材料進(jìn)廠檢測(cè)及出廠試驗(yàn)環(huán)節(jié)的相關(guān)過(guò)程記錄文件核查的結(jié)果看，相關(guān)控制環(huán)節(jié)均嚴(yán)格按照ISO 9001—2015、IEC 60840—2011、GB/T 11017—2002、GB/T 22381—2017 等要求執(zhí)行，產(chǎn)品合格，排除不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)的可能性。同時(shí)與本次故障環(huán)氧套管同一批次材料、同一時(shí)間段生產(chǎn)的其他產(chǎn)品未有任何不良反饋，產(chǎn)品質(zhì)量不存在由環(huán)氧套管質(zhì)量引起本次環(huán)氧套管出現(xiàn)裂紋的可能性。

1.4.3 GIS 倉(cāng)體與環(huán)氧套管配合問(wèn)題引起裂紋的可能性分析

GIS 倉(cāng)體與環(huán)氧套管的連接如圖2 所示，其多級(jí)剛性連接結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)其他開關(guān)柜廠家常見的采用彈簧觸指和較少的配合界面的結(jié)構(gòu)有較大不同。國(guó)內(nèi)其他GIS 開關(guān)廠家，一方面彈簧觸指結(jié)構(gòu)有著更大的間隙補(bǔ)償量，另一方面導(dǎo)電桿組件自身配合界面較少時(shí)，受裝配誤差影響更小，裝配精度更高。

圖2 GIS 倉(cāng)體與環(huán)氧套管連接

根據(jù)以上配合關(guān)系可知，GIS 倉(cāng)內(nèi)導(dǎo)電連接部件由多個(gè)零部件組成，裝配連接界面多達(dá)4 個(gè)，存在4 處裝配公差，主要由GIS 倉(cāng)廠家進(jìn)行控制和保證。在對(duì)上述零部件進(jìn)行組裝時(shí)，要求各零部件具有極高的加工精度和裝配精度。一旦某個(gè)零部件出現(xiàn)加工誤差較大或多個(gè)零部件出現(xiàn)裝配公差較大時(shí)，可能造成最后連接的兩個(gè)部件出現(xiàn)不同心或連接界面存在單邊間隙的現(xiàn)象。一般情況下，GIS 廠家會(huì)將配合界面設(shè)計(jì)成彈簧觸指連接界面，該連接界面可在一定程度上彌補(bǔ)上述各步驟中所產(chǎn)生的累積公差，確保最終的裝配尺寸合理。如果采用硬連接，當(dāng)在上述步驟操作過(guò)程中出現(xiàn)由于GIS 開關(guān)安裝人員裝配精度較低、裝配公差將累積較大，將導(dǎo)致終端接頭和開關(guān)插座中心出現(xiàn)不同心、甚至偏差較大的現(xiàn)象，從而引起多個(gè)裝配界面上某一側(cè)出現(xiàn)異常的機(jī)械拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力有可能達(dá)到比較大的數(shù)量級(jí)。由于現(xiàn)有技術(shù)手段及測(cè)量條件有限，該機(jī)械拉應(yīng)力目前尚無(wú)法進(jìn)行有效測(cè)量。根據(jù)GIS 倉(cāng)體結(jié)構(gòu)可知，除環(huán)氧套管外所有連接部件均為金屬材料，僅環(huán)氧套管為環(huán)氧樹脂材料，因此，在這種異常大的機(jī)械應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，容易導(dǎo)致環(huán)氧套管根部位置出現(xiàn)裂紋。

通過(guò)電纜附件廠家對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了仿真分析，當(dāng)施加橫向應(yīng)力作用在環(huán)氧套管頂部時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)于環(huán)氧套管法蘭平面根部位置，與本次出現(xiàn)異常裂紋的情況十分吻合。

2 應(yīng)對(duì)措施

按照現(xiàn)場(chǎng)的判斷分析和仿真試驗(yàn)，可以判斷開裂原因主要是由于環(huán)氧套管頂部承受了異常的外力所導(dǎo)致。由于設(shè)備進(jìn)場(chǎng)安裝時(shí)間已經(jīng)近5 年，受時(shí)間及環(huán)境條件限制，并不能對(duì)當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)電桿組件與環(huán)氧套管的配合情況進(jìn)行有效檢測(cè)，得到安裝偏差值。只能重新對(duì)GIS 電纜終端頭進(jìn)行更換，滿足安裝要求，恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行。為了避免在未來(lái)的工程實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)類似故障，安裝單位提出以下應(yīng)對(duì)措施。

（1）在工程實(shí)施前建設(shè)單位需協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)、GIS 設(shè)備及電電纜附件廠家、安裝、運(yùn)行單位進(jìn)行設(shè)計(jì)交底，核對(duì)設(shè)備及附件的尺寸是否能相互配套，及安裝后能否滿足規(guī)程規(guī)范及運(yùn)行要求。

（2）附件安裝前，附件安裝單位需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行交底，明確產(chǎn)品的要求是否滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)說(shuō)明書的技術(shù)參數(shù)要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配套的組件模擬安裝，進(jìn)一步確認(rèn)各配件是否能夠可靠的配套。

（4）附件安裝技術(shù)指導(dǎo)工程師，要配合復(fù)核好附件的尺寸要求。

3 建議

隨著城市規(guī)劃的發(fā)展，變電站采用GIS 設(shè)備越來(lái)越普及。通過(guò)分析事故認(rèn)為，應(yīng)采取以下預(yù)防措施來(lái)保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。

（1）加強(qiáng)設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)工作，同時(shí)生產(chǎn)廠家也應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理，提高質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格出廠前的試驗(yàn)和檢驗(yàn)工作，杜絕不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

（2）提高安裝質(zhì)量。采用經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)的施工隊(duì)伍和加強(qiáng)接頭安裝人員的技術(shù)水平和質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格按照安裝工藝施工是減少事故的重要途徑。

（3）提高設(shè)計(jì)圖紙深度，加強(qiáng)交流和學(xué)習(xí)，充分考慮在長(zhǎng)期安全運(yùn)行環(huán)境中可能遇到的情況。

（4）加大運(yùn)行監(jiān)測(cè)力度。運(yùn)行部門可以考慮在GIS 設(shè)備和電纜附件通過(guò)電氣交接試驗(yàn)后，進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否存在缺陷。