一種工程實(shí)用的G I S定量檢漏方法

龍錦壯，王克濤，趙鑫，周軍

（煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264000）

封閉式組合電器以其安全性、可靠性、小型化等特點(diǎn)已被電力系統(tǒng)廣泛采用。SF6氣體是GIS設(shè)備的主要絕緣介質(zhì)，其純度、壓力、微水含量是影響設(shè)備絕緣的重要指標(biāo)。氣體泄露將導(dǎo)致壓力降低，氣室內(nèi)氣體壓力降低到一定程度時(shí)保護(hù)將閉鎖斷路器和隔離開(kāi)關(guān)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，SF6氣體為有毒氣體，氣體的大量泄露將造成環(huán)境污染并威脅運(yùn)行人員安全[1]。如何有效防止GIS設(shè)備氣體泄露、發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)并及時(shí)處理對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行尤為重要。SF6氣體年泄露率是衡量組合電器密封性的重要指標(biāo)?！峨姎庋b置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50150-2006）和《氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)規(guī)程》中明確規(guī)定：GIS的密封性要求每個(gè)隔室的年漏氣率不應(yīng)大于1%。

目前，封閉式組合電器定量檢漏的方法對(duì)于工程實(shí)際操作難度大、測(cè)量準(zhǔn)確性低。《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備六氟化硫氣體密封試驗(yàn)方法》中推薦的掛瓶法和包扎法僅適用于體積較小的開(kāi)關(guān)設(shè)備。對(duì)于體積龐大的封閉式組合電器，因其間隔一一相連且各氣室壓力可能不一致（滅弧氣室與非滅弧氣室），僅在相鄰氣室的法蘭處包扎檢漏并不能準(zhǔn)確確定每一氣室的年泄漏量。且對(duì)于大型封閉式組合電器，掛瓶法和包扎法年泄露率計(jì)算中所需的試品體積、密封系統(tǒng)容積和密封罩體積均不易確定，影響測(cè)量精度。

本文就此問(wèn)題提出了新的施工工序，并以充氣量為依據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算出氣室容積，提升了定量檢漏的可操作性和準(zhǔn)確性。

1 氣體泄露特點(diǎn)及危害

從GIS檢修記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，氣體泄露主要發(fā)生在焊縫、密封圈密封面、氣體密度繼電器等部位[2]。造成漏氣的主要原因有接頭、法蘭緊固力矩不夠、熱脹冷縮、密封件老化、密封面劃傷或夾渣、制造缺陷和安裝缺陷等[3-4]。氣體泄露將導(dǎo)致如下問(wèn)題：

1）氣室氣壓降低、絕緣效果變差。SF6作為主要的絕緣介質(zhì)，其濃度直接影響絕緣效果。氣體泄露后，氣室內(nèi)SF6濃度變低，絕緣能力降低，可能導(dǎo)致分閘過(guò)程中電弧難以熄滅，造成帶電設(shè)備接地。而大部分變電站配置有低氣壓閉鎖斷路器功能，在故障情況下將導(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大[5]。

2）使氣室微水含量增大。環(huán)境中的水氣將可能沿漏點(diǎn)滲透入GIS氣室。反復(fù)的補(bǔ)氣也會(huì)導(dǎo)致氣室內(nèi)微水含量的升高。微水含量增大也將破壞設(shè)備絕緣，其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物HF和H2SO4會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

3）加劇溫室效應(yīng)。SF6氣體雖然不會(huì)破壞臭氧層，但是對(duì)全球氣候變暖有特別大的影響，其地球溫暖變化系數(shù)GWP（Global Warming Potential）為CO2的23900倍[6]。SF6在大氣中的濃度已呈逐年上升趨勢(shì)，對(duì)氣候的影響作用也將日益突顯。

4）使人窒息。SF6氣體本身無(wú)毒，但是大量吸入后會(huì)導(dǎo)致人員窒息。若有氣體大量泄露，工作人員應(yīng)迅速脫離現(xiàn)場(chǎng)至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢，如呼吸困難，及時(shí)給輸氧。

2 常見(jiàn)的檢漏方法

2.1 定性檢漏

1）抽真空檢漏。施工過(guò)程中的檢漏。GIS安裝完成后對(duì)其進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空度等于1.33×10-4MPa時(shí)，續(xù)抽30 min后停泵，讀取真空度A，5 h后再讀取真空度B，如B-A＜1.33×10-4MPa，則初步認(rèn)為密封性合格。該方法可發(fā)現(xiàn)較大的漏點(diǎn)，且因氣室尚未充氣，漏點(diǎn)處理較方便。

2）檢漏儀定性檢漏。氣室充氣完成后，用靈敏度高于1 μL/L的SF6檢漏儀沿外殼焊縫、密封面、管路接頭等處進(jìn)行檢漏，若無(wú)報(bào)警則認(rèn)為檢測(cè)合格。此方法可能因探頭移動(dòng)不穩(wěn)導(dǎo)致誤報(bào)和漏報(bào)。

2.2 定量檢漏

傳統(tǒng)的定量檢漏有扣罩法、局部包扎法、掛瓶法等。其原理大致一致，在一定時(shí)間內(nèi)收集泄露氣體，測(cè)量泄露氣體的濃度，計(jì)算其與氣室內(nèi)氣體總量的比，折算出氣體的年泄漏率。

漏氣率（MPa·m3/s）：

式中，ΔC為試驗(yàn)開(kāi)始至終了時(shí)泄露氣體的濃度增量，為測(cè)量的平均值，10-6；Δt為測(cè)量的間隔時(shí)間，s；Vm為密閉罩容積，m3；V1為試品體積，m3；P為絕對(duì)大氣壓，0.1 MPa；相對(duì)年漏氣率Fy（%/年）：

式中，V為試品氣體密封系統(tǒng)容積，m3；Pr為額定充氣壓力，MPa。

上述測(cè)量方法受被測(cè)系統(tǒng)的形態(tài)、大小等影響，因而適用范圍受到局限。扣罩法、掛瓶法適合于小體積的密封系統(tǒng)定量檢漏。對(duì)于大體積的GIS，局部包扎法較適合。然而，在實(shí)際操作中會(huì)因密封系統(tǒng)容積難以確定等問(wèn)題影響測(cè)量精度[7]。

激光成像檢漏儀檢漏法[8]這是近幾年新興起的高科技檢漏方法，能夠在設(shè)備不停運(yùn)的條件下對(duì)設(shè)備各部位檢漏，能夠直接觀察到氣體逸散的漏氣點(diǎn)。但受設(shè)備體積、安裝操作的復(fù)雜程度、現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力、光照設(shè)備布局條件約束也不是一種“全天候”的檢漏方法。

3 對(duì)局部包扎法進(jìn)行的改進(jìn)

3.1 提升可操作性

對(duì)于體積龐大的封閉式組合電器，因其間隔一一相連且各氣室壓力可能不一致（滅弧氣室與非滅弧氣室），按照以往的施工工序，僅在相鄰氣室的法蘭處包扎檢漏并不能準(zhǔn)確確定每一氣室的年泄漏量。

A、B：母線及隔離開(kāi)關(guān)氣室，C1-C3：斷路器氣室，D1-D3：隔離開(kāi)關(guān)及接地開(kāi)關(guān)氣室，E1-E3：法蘭；斷路器氣室為滅弧氣室，其他氣室為非滅弧氣室。110 kV GIS滅弧氣室額定壓力為0.6 MPa，其他氣室額定壓力為0.4 MPa。

傳統(tǒng)的施工方法：GIS對(duì)接組裝——抽真空——充入氣體至額定壓力——檢漏。如圖1所示，當(dāng)氣室均充入額定壓力后，在E1處包扎檢漏并不能確定氣體為A氣室還是C1氣室所泄露，因而無(wú)法準(zhǔn)確確定每一氣室的年泄漏率。

圖1 GIS部分氣室示意圖Fig.1 Partial gas chamber of GIS

改進(jìn)后的施工方法：GIS對(duì)接組裝——抽真空——奇數(shù)氣室（首先任選一個(gè)氣室定義為為奇數(shù)氣室，與奇數(shù)氣室相鄰的氣室為偶數(shù)氣室，與偶數(shù)氣室相鄰的為奇數(shù)氣室）充入氣體至額定壓力——偶數(shù)氣室充入0.02 MPa微正壓力氣體——包扎檢漏，用式（1）計(jì)算奇數(shù)氣室氣體泄漏率F1——偶數(shù)氣室充氣至額定壓力——包扎檢漏，計(jì)算相鄰兩氣室氣體泄漏率Fm，偶數(shù)氣室的氣體泄漏率F2=Fm-F1，將F1、F2分別代入式（2），分別計(jì)算出奇數(shù)氣室年泄漏率Fy1和偶數(shù)氣室年泄漏率Fy2。

注：泄漏率F1、F2和Fm應(yīng)為該氣室的所有法蘭包扎處的氣體泄漏率之和。如，C1氣室的氣體泄漏率應(yīng)為E1、E2兩法蘭連接處的泄漏量之和。

3.2 提高準(zhǔn)確性

實(shí)際工程中，測(cè)量精度主要受V1試品體積、V密封系統(tǒng)容積和Vm密封罩體積的準(zhǔn)確性及SF6氣體濃度測(cè)量方法的影響。

密封罩體積Vm的確定：可定制加工標(biāo)準(zhǔn)尺寸的正方體或圓柱體密封罩，用正方體和圓柱體體積計(jì)算公式計(jì)算出密封罩體積。

試品體積V1的計(jì)算：GIS外形一般為圓柱形，可通過(guò)圓柱體體積公式計(jì)算出被包扎部分的體積。

式中，L為圓柱體周長(zhǎng)，m；H為圓柱體高，m。

密封系統(tǒng)容積V的確定：因密封系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜（尤其是斷路器和隔離刀氣室），密封系統(tǒng)容積較難確定?，F(xiàn)提出，通過(guò)充入氣體的質(zhì)量和所引起的氣室壓力變化準(zhǔn)確計(jì)算出試品容積。

氣體狀態(tài)方程：

式中，P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，即氣室容積，m3；n為氣體物質(zhì)的量，mol；T為開(kāi)氏溫度，K；m為氣體質(zhì)量，kg；M為氣體摩爾質(zhì)量，0.146 kg/mol；R為常數(shù)，8.314。

由式（6）得：

式中，Δm為充入氣體的質(zhì)量，等于充氣前氣瓶質(zhì)量與充氣后氣瓶質(zhì)量的差，kg；ΔP為氣壓增量，等于充氣后氣室氣壓值與充氣前氣室氣壓值的差（氣壓表讀數(shù)之差），Pa。

采用式（7）計(jì)算出的氣室容積V不受氣室形狀及內(nèi)部導(dǎo)體構(gòu)造的影響，計(jì)算準(zhǔn)確性高。

SF6氣體濃度測(cè)量方法：SF6氣體分子量比空氣大，主要集中在密閉罩底部。為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，建議在密閉罩內(nèi)不同位置（底部、中部、上部）分別選取幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值。

4 工程實(shí)例

依據(jù)實(shí)際工程，采用該方法對(duì)某110kV封閉式組合電器一進(jìn)線間隔進(jìn)行定量檢漏，檢漏過(guò)程數(shù)據(jù)及結(jié)果如下。

說(shuō)明：

1）密閉罩采用長(zhǎng)方體密閉罩。

2）檢漏儀為上海唐山儀表有限公司生產(chǎn)的LF-1型SF6氣體定量檢漏儀（最小檢測(cè)值為0.1 μL/L，誤差≤3%）。

3）檢測(cè)點(diǎn)分別取每個(gè)密閉罩內(nèi)底部、中部、上部各4個(gè)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)分析：該110 kV封閉式組合電器進(jìn)線間隔各氣室的SF6氣體年泄漏率均低于《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB 50150-2006）和《氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)規(guī)程》[10]中規(guī)定的最大限值，符合生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1）依據(jù)檢修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)SF6封閉式組合電器的常見(jiàn)泄露處進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)檢測(cè)其密閉效果的必要性進(jìn)行了充分闡述；

2）對(duì)幾種常規(guī)的檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合GIS封閉式組合電器的安裝工藝及施工工序，對(duì)局部包扎法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其工程可操作性；

表1 定量檢漏過(guò)程數(shù)據(jù)Tab.1 Process data of quantitative leaking detection

3）基于工程精度要求，對(duì)誤差進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出密閉氣室容積，改良了測(cè)量方法，提高了測(cè)量精度；

4）在某變電站電氣安裝過(guò)程中，采用此檢測(cè)方法對(duì)某間隔氣室進(jìn)行定量檢漏，從而驗(yàn)證了本測(cè)量方法的可行性和有效性。

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[9]GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]DLT618-1997氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)規(guī)程[S]．