低溫環境GIS 開關設備氣體密封解決方案

◎王保剛

（作者單位：平高集團有限公司）

引言：GIS 高壓開關設備是我國電網建設主要設備之一，隨著我國電網規模的不斷擴大，對GIS 高壓開關產品使用要求越來越嚴格，使用環境要求越來越寬廣。依據GB/T2900.20-2016《電工術語 高壓開關設備和控制設備》分類的開關中，斷路器、隔離開關、接地開關、氣體絕緣金屬封閉開關設備、金屬封閉開關設備均需要氣體密封結構，其中以氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS 開關設備）氣體密封結構最多，且最復雜，除了GIS 開關常用的靜態連接面的靜態密封（簡稱：靜密封），還有傳動部位的動態密封（簡稱：動密封），而動密封又分為直動密封和轉動密封。

目前國內外GIS 開關設備中，用于靜密封主要密封元件為O 形三元乙丙橡膠（EPDM）密封圈，用于動密封主要密封元件為Y 形丁腈膠（NBR）密封圈。O 形密封圈的密封性能是借助于其良好的彈性，在一定的緊固壓力下，長期處于壓縮狀態，抵抗變形的彈性使它充填在結合縫隙中而起到密封作用。Y 形密封圈在密封情況下，利用密封介質內壓力使用唇部受到周向壓縮，使唇部與密封面配合緊密，使Y 形密封圈形成自密封作用，Y 形密封圈應用于動密封較多。

依據中國地面累年值月值數據集（1981-2010 年）統計，我國東北主要城市地區近四十年極端溫度在+43.3℃～-45.4℃，西北主要城市地區近四十年極端溫度在+47.7℃～-41.6℃。根據電網建設最新要求，環境溫度低于-40℃時，可將開關設備建設于室內使用。所以，以國內某高壓GIS開關設備密封結構，僅探究靜密封和動密封在低溫-40℃環境中的應用解決方案，可滿足國內所有主要求城市開關建設需求。

一、密封結構設計

以國內某高壓GIS 開關設備密封結構為例，O 形密封圈與T 形密封槽配合主要適用于靜密封結構，Y 形密封圈與矩形密封槽配合主要適用于動密封結構。密封圈及密封槽的結構見圖1 示意，根據氣體密封要求，氣體介質為六氟化硫氣體或其它混合氣體，根據產品泄漏率設計要求，本次試驗樣件選取密封結構壓縮率為20%～25%，零部件密封部位粗糙度為0.8～1.6μm。O 形圈及Y 形圈的選用可參考GB/T3452.1-2005 及GB/T10708.1-2000 規定。

圖1 a 靜密封結構

圖1 b 動密封結構

根據使用環境要求，本次選用密封圈試驗均要滿足+80℃～-40℃環境溫度循環考驗，對O 形三元乙丙膠采用EPDM-70高低溫型膠料制成密封圈，Y 形丁腈膠采用NBR-518 高低溫型膠料制成密封圈，主要參數指標見表1、表2。

表1 EPDM-70 主要參數指標

表2 NBR-518 主要參數指標

對密封件材料性能的確定和合理的密封結構的設計，通過嚴格的高低溫循環試驗，來驗證結構及密封元件的使用性能是否能滿足使用要求。

二、試驗部分

密封結構零部件按照設計進行檢驗，符合尺寸、粗糙度要求，滿足密封設計壓縮率要求。

通過單件檢測，在確定密封元件及整機試驗用的零部件（密封槽）均符合設計要求的條件下，通過裝配后進行整機的高低溫循環試驗，來驗證設計、工藝、密封結構的有效。

1.試驗過程。依據GIS 開關設備的在我國東北、西北地區的使用環境要求，及橡膠密封圈的物理特性，通過模擬O 形密封結構、Y 形密封結構整機的低溫環境，擬進行高低溫循環試驗方法，加速密封圈高低溫物理特性轉變，探究該密封圈有硬度、低溫脆性及密封結構能否滿足以上環境使用要求，具體試驗步驟如下：

（1）O 形密封圈試驗步驟。1）O 形密封圈裝入試驗裝置中，裝置充入0.65MPa 的六氟化硫氣體；2）對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔（下稱：包扎氣腔），室溫24h 后使用0.01 級精度六氟化硫定量檢測儀（下稱：檢測儀）進行檢測，年泄漏率不高于0.1%；3）試驗裝置整體放入高低溫柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 進行第1 個循環；4）對包扎氣腔定量檢測，年泄漏率不高于0.1%；5）拆除包扎氣腔，使用檢測儀檢測，不允許有泄漏；6）重新對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，再次放入高低溫柜進行第3）～5）步驟共進行5 個高低溫循環；7）5 個循環試驗完畢，重新對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，放入室溫環境24h 按第4）～5）條進行試驗；8）試驗結束。

（2）Y 形密封圈試驗步驟。1）Y 形密封圈裝配試驗裝置中，裝置充入0.45MPa 的六氟化硫氣體；2）對試驗試裝Y 形密封圈密封用轉運軸分別正反轉運各50 次；3）對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔（下稱：包扎氣腔），室溫24h 后使用0.01 級精度六氟化硫定量檢測儀進行檢測（下稱：檢測儀），年泄漏率不高于0.1%；4）試驗裝置整體放入高低溫柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 進行第1 個循環；5）對包扎氣腔進行檢測，年泄漏率不高于0.1%；6）拆除包扎氣腔，對密封用轉運軸分別正反轉運各50 次，使用檢測儀檢測，不允許有泄漏；7）重新對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，再次放入高低溫柜進行第4）～6）步驟共進行5 個高低溫循環；8）5 個循環試驗完畢，重新對密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，放入室溫環境24h 按第5）～6）條進行試驗；9）試驗結束。

2.試驗結果。

（1）O 形密封圈及密封結構試驗結果。對O 形密封圈及密封結構試驗裝置進行裝配，并按照試驗步驟進行試驗，試驗裝置及結果如下：

表3 O 形密封圈低溫試驗結果

（2）Y 形密封圈及密封結構試驗結果。對Y 形密封圈及密封結構試驗裝置進行裝配，并按照試驗步驟進行試驗，試驗裝置及結果如下：

表4 O 形密封圈低溫試驗結果

經上述試驗后，對試驗密封結構檢測值進行分析，未出現明顯泄漏現象，兩種密封結構經高低溫試驗后，密封性能良好。

依據GB/T11022-2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》，對檢測值進行泄漏率計算：

漏氣率:

式中：P(大氣壓強)--105Pa；V(檢漏罩減去試品的容積)，ml；K(檢漏罩內SF6氣體的濃度增加值即K2-K1)，體積比值；t(扣罩收集SF6氣體含量的時間)，s。

年漏氣重量的計算:

式中：＝SF6氣體密度，6.15kg/m3(latm 20℃)；T ＝1 年 的 小 時 數，365×24h ＝8760h；V＝試驗容積，Vm3；K＝SF6氣體濃度變化，V/V；t＝放置時間，(h)。

年漏氣率：

式中：G＝年漏氣重量，kg；M＝該氣室充入SF6氣體重量，kg。

通過計算，兩種密封圈及該密封結構年泄漏率均遠小于0.1%要求，滿足GIS 開關設備低溫環境地區的氣密性能要求。

三、總結

1.O 形EPDM-70 高低溫型膠料制成密封圈及Y 形NBR-518 高低溫型膠料制成密封圈，經實際工況驗證在+80℃～-40℃時環境中物理特性未發生明顯變化。

2. 該密封圈與以上密封結構配合下，保證壓縮率為20%～25%，零部件密封部位粗糙度為0.8～1.6μm 工況下，可滿足GIS 開關設備氣體密封要求。

3. 經驗證以上密封結構工況下，經+80℃～-40℃環境溫度循環試驗，年泄漏率低于0.1%。

4. 以 上 試 驗 表 明，EPDM-70 及NBR-518 密封圈在特定的密封結構的下，經科學的工藝裝配完成，是保障氣體密封性能前提。

5.針對該密封圈并不能表明完全可應用于其它開關設備的密封結構中，密封圈尺寸與密封結構尺寸的公差配合尤為重要，對于超溫度范圍或許配合不同的尺寸公差仍需進一步探究。