GIS設備密封性能分析及改進

劉麗臻

摘要：以220kV犀牛變電站氣體絕緣組合電器（GIS）設備為例，通過理論分析和現場經驗總結，分析了影響GIS設備SF6氣體密封性能的重要因素，并提出了相應的改進措施。通過試驗樣機驗證了改進措施的有效性，為GIS設備的安裝、運行、檢修與維護提供了有用的借鑒。

關鍵詞：氣體絕緣組合電器（GIS），SF6氣體，密封性能

SF6氣體絕緣組合電器（GIS）由于占地面積小，運行安全，可靠性高，在大城市市區被廣泛使用[1]。GIS的安全可靠運行依賴于SF6氣體絕緣。根據現場經驗，目前影響GIS安全可靠運行的重要因素是密封性問題，也就是SF6氣體的泄露問題[2]。因此，找出SF6氣體的泄露原因，提高GIS設備的密封性，也就成為了提高GIS設備安全可靠性的一個重要課題。

1 GIS設備密封性能分析

以廣州供電局220kV犀牛變GIS設備為例來探討GIS的密封性能問題。犀牛站220kV配電裝置使用的GIS設備在現場交接試驗和預防性試驗時，發現多個部位密封性能不能滿足公司要求（采用局部包扎法包扎24小時泄露量不超過30ppm）。通過實驗和現場分析，影響GIS設備密封性能主要包括以下重要因素。

1）密封圈材料透氣性

密封圈常用材料包括三元乙丙橡膠和丁晴橡膠等[3]，透氣性能的靜態對比試驗見表1。

可以看出，丁晴橡膠的密封性能最好。而該GIS設備原大法蘭和小法蘭上用的密封圈材料分別是密度1.145g/cm?和1.09g/cm?的三元乙丙橡膠。

2）法蘭緊固螺栓偏少

該GIS設備大法蘭上只有12根螺栓，小法蘭上只有8根螺栓。類比于現場其他類似設備，其密封法蘭有24根螺栓。法蘭緊固螺栓的增加可以減小兩螺栓之間的法蘭弧線長度，改善法蘭面與密封圈壓縮的均衡性，進而改善密封性能。

3）小法蘭緊固螺栓力矩偏小

類比于瑞士ABB生產的300kV GIS設備，小法蘭緊固螺栓的力矩應該從50Nm增加為70Nm，以更好地保證氣密性。

4）密封圈的壓縮量不足

該GIS設備的小法蘭絕緣子密封圈壓縮率為25%，大法蘭絕緣子密封圈壓縮率為20%，金屬法蘭和金屬法蘭連接的密封圈壓縮率為22%，而國內通常推薦的設計標準為絕緣子和金屬法蘭連接的密封圈壓縮率為30%，金屬法蘭和金屬法蘭連接的密封圈壓縮率為25%。

5）單密封結構

該GIS設備目前采用的是單密封結構。雙密封結構或X型密封圈結構在兩密封圈之間能夠形成一個小的緩沖氣室，使得主氣室和空氣之間的壓力差成階梯分布，相當于把兩個相鄰氣室的壓差降低下來，進而提高了密封性能。

6）氣室充氣壓力

該GIS設備斷路器氣室和電壓互感器氣室的額定充氣壓力為0.68Mpa（20℃時的絕對壓力），其它氣室的額定充氣壓力為0.65Mpa（20℃時的絕對壓力），與其他站的GIS設備相比壓力偏大，增加了密封的困難性。

7）現有的鋼支撐結構不合理

目前水平母線隔離刀模塊的斜支撐（圖1左）與過渡小短管相當于構成個四連桿機構，存在旋轉自由度，不能有效地克服母線隔離刀模塊等設備對過渡小短管造成的應力。再增加一對斜支撐（圖1右）能夠有效地解決這一問題。

目前斷路器兩側隔離刀模塊通過一個水平的鋼支撐板連接，由于實際鑄造殼體法蘭面（非密封面）拔模斜度和鋼支撐板加工尺寸誤差的存在，造成鋼支撐板與兩側隔離刀模塊殼體鎖緊后在斷路器兩側法蘭上產生變形應力（圖2左），不利于密封性能。應改為兩塊板連接（圖2右）。

8）裝配順序不合理

由于導體連接結構的限制，目前兩個母線隔離刀模塊的裝配順序為（參考圖3左側部分）先把水平母線隔離刀模塊（DES1）和母線側電流互感器模塊裝配在一起，再與斷路器及過渡小短管裝配，最后裝配豎直母線隔離刀模塊（DES2），這樣在把水平母線隔離刀模塊（DES1）和母線側電流互感器模塊一起裝配到過渡小短管上面時，模塊重心嚴重偏離過渡小短管的軸心，裝配后就很大可能性地對過渡小短管的密封性能產生影響。需要改變導體連接結構，使得先把豎直母線隔離刀模塊（DES2）和母線側電流互感器模塊裝配在一起，再與斷路器及過渡小短管裝配，最后裝配水平母線隔離刀模塊（DES1）。

2 GIS設備密封性能改進措施

根據上述分析，綜合考慮時間和風險等因素，對部分影響GIS密封性能的因素針對性地采取了改進措施：

1）密封圈材料由三元乙丙橡膠（EPDM）改為丁晴橡膠（NBR）;

2）小法蘭緊固螺栓力矩由50Nm改為70Nm，大法蘭采用導向軸套輔助裝配，鎖緊力矩取上偏差;

3）改進水平母線隔離刀模塊的鋼支撐結構，增加一對斜支撐;

4）改進豎直母線隔離刀模塊和饋線隔離刀模塊之間連接的鋼結構，由一塊支撐板連接改成兩塊板連接;

5）改進三相斷路器裝配方法、順序和母線隔離刀模塊裝配順序。

6）改變設備密封槽尺寸或結構，以及增加法蘭螺栓數量等是一個系統復雜的工作，影響面大，暫時未采取措施改造。因SF6氣體充氣壓力涉及到設備絕緣和開斷性能，將不作改變。

為了驗證改進措施的有效性，裝配了一個完整的驗證樣機間隔。驗證樣機采用典型雙母線電纜出線間隔布置方式，包括高壓電纜連接模塊、電壓互感器、就地控制柜等。驗證樣機間隔充氣完成后，開始采用局部包扎法進行持續的密封試驗。經過數個月的持續跟蹤，所有密封部位的泄漏值均為零。

3 結論

本文分析了影響GIS設備密封性能的各個重要因素，并根據分析進行了相應的改進。對改進后的試驗樣機進行的試驗顯示，相關措施能夠提高GIS設備的密封性能。本文的相關分析和經驗可以為其他GIS工程提供借鑒。

參考文獻

[1]郭清海， 鄺石. GIS設備泄漏原因分析及對策[J]. 電網技術， 2000， 24（9）： 8-9.

[2]高亞娟， 趙選勃， 王文昌. GIS用三元乙丙、丁腈、氯丁橡膠O形密封圈物理性能比較分析[J]. 高壓電器， 2008， 4（2）： 118-121.

[3]譚晶， 楊衛民， 丁玉梅等. O形橡膠密封圈密封性能的有限元分析[J]. 潤滑與密封， 2006， 181（9）： 65-69.