220 kV GIS設(shè)備漏氣原因分析及預(yù)防措施

曲文韜，黃 銳，呂俊濤

(山東電力集團(tuán)公司 檢修公司，山東 濟(jì)南 250021)

0 引言

SF6氣體作為一種新型絕緣介質(zhì)，與其他介質(zhì)相比，具有絕緣強(qiáng)度高、滅弧能力強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，由其作為絕緣介質(zhì)的GIS設(shè)備則具備了占地面積和安裝空間小、運(yùn)行過程中不受自然環(huán)境影響、可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代電網(wǎng)中[1]。然而，SF6氣體泄漏嚴(yán)重影響設(shè)備安全運(yùn)行，設(shè)備中 SF6氣體的絕緣性能主要受兩個(gè)因素制約[2，3]。一個(gè)是SF6氣體中水蒸氣的含量，即通常所說的濕度或微量水分。當(dāng)微量水分增高或嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，可能會(huì)造成沿絕緣物內(nèi)部表面閃絡(luò)而造成事故，也可能使開關(guān)絕緣件受潮或產(chǎn)生凝露，從而大大降低其絕緣性能。同時(shí)水分會(huì)與被電弧分解的SF6分解物反應(yīng)，生成腐蝕性極強(qiáng)的HF(氫氟酸)、氟化亞硫酰 (SOF2)、二氟化硫酰 (SO2F2)等酸性物質(zhì)，會(huì)腐蝕設(shè)備中滅弧室內(nèi)的金屬元件和設(shè)備的密封絕緣材料，進(jìn)而影響設(shè)備的力學(xué)性能，縮短設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的絕緣能力，而且這種劣化的SF6氣體對(duì)人體等生物也具有毒性，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染。GIS設(shè)備漏氣后的危害有:(1)SF6氣體泄漏造成GIS氣室內(nèi)的氣體壓力下降，大大降低氣體絕緣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，又極大地降低GIS組合電器滅弧室的滅弧能力。當(dāng)SF6氣體嚴(yán)重泄漏時(shí)會(huì)造成SF6斷路器閉鎖，從而發(fā)生斷路器不能正常操作，SF6設(shè)備發(fā)生內(nèi)部絕緣擊穿等重大事故[4]。(2)GIS漏氣造成氣室內(nèi)SF6微水含量增大，危害絕緣，影響滅弧，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，影響環(huán)境，有害健康。為保證設(shè)備正常運(yùn)行，不得不定期補(bǔ)充SF6氣體。除所充SF6氣體自身所含微量水，充氣時(shí)亦可能將水分帶入設(shè)備內(nèi)，外界環(huán)境中水分經(jīng)泄漏點(diǎn)進(jìn)入氣室，造成GIS內(nèi)SF6水含量增高。很容易在絕緣材料表面結(jié)露，造成絕緣下降，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生閃絡(luò)擊穿。 (3)SF6氣體價(jià)格昂貴，成本逐年上升，大量補(bǔ)氣會(huì)致使設(shè)備維修成本增加。(4)SF6氣體作為6種受限制的溫室氣體之一，其單個(gè)分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響為CO2的23 900倍，大量泄漏會(huì)污染和破壞大氣環(huán)境，增加溫室效應(yīng)[5，6]。(5)SF6漏氣后需要補(bǔ)充SF6惰性氣體，處理時(shí)間比較長，會(huì)造成大范圍的停電，而且維修和處理都比較麻煩。目前，在發(fā)現(xiàn)SF6氣體絕緣設(shè)備出現(xiàn)漏氣時(shí)，通常采用補(bǔ)氣的方式進(jìn)行處理，但是該方法不能從根本上解決問題，漏氣現(xiàn)象不能得到有效抑制。因此，對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行漏氣點(diǎn)的查找及漏氣原因分析是十分必要的。本文針對(duì)近期山東地區(qū)發(fā)生的多起220 kV GIS設(shè)備漏氣事故，從GIS設(shè)備的制造工藝、密封安裝、環(huán)境條件等方面重點(diǎn)對(duì)分支結(jié)構(gòu)和主母線結(jié)構(gòu)的設(shè)備進(jìn)行漏氣原因分析，提出了兩種快速準(zhǔn)確的檢漏方法，并針對(duì)漏氣問題總結(jié)出了一系列預(yù)防性措施。

1 分支結(jié)構(gòu)漏氣案例分析

1.1 漏氣發(fā)生過程

2011年11月23日，某變電站220 kV線路側(cè)某刀閘氣室與母線連接面，現(xiàn)場聽到明顯漏氣聲，該刀閘氣室及母線氣室壓力明顯下降?，F(xiàn)場檢漏確定該間隔C相母線刀閘與Ⅰ母線連接面漏氣。

檢修人員到達(dá)現(xiàn)場確認(rèn)維修方案后進(jìn)行維修解體，發(fā)現(xiàn)注膠槽內(nèi)注膠情況不良、外露的緊固件和法蘭對(duì)接面涂抹防水膠情況不良、對(duì)接面及密封槽處有水、盆式絕緣子密封槽處有一處微小裂紋 (如圖1所示)。

圖1 盆式絕緣子裂紋現(xiàn)場圖Fig.1 Crack diagram of the disc insulator

1.2 漏氣原因分析

根據(jù)以上現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，造成本次氣體泄漏的主要原因有以下幾種:

(1)盆式絕緣子質(zhì)量問題。盆式絕緣子是通過環(huán)氧樹脂及其填料的合理配方進(jìn)行真空澆注而成，澆注后進(jìn)行冷卻及固化工藝，在制造過程中會(huì)存在裂紋等質(zhì)量缺陷，造成氣體泄漏。

(2)盆式絕緣子與法蘭密封不良。220 kV GIS設(shè)備盆式絕緣子與法蘭的密封結(jié)構(gòu)常采用O型密封圈密封設(shè)計(jì)，密封槽外側(cè)設(shè)計(jì)了防水注膠槽和外露的緊固件采用涂抹防水膠的防水設(shè)計(jì)(如圖2)，通過注膠孔向注膠槽內(nèi)及螺栓孔注滿防水膠。當(dāng)注膠槽內(nèi)注膠、外露的緊固件涂抹防水膠情況不良時(shí)，罐體法蘭與盆式絕緣子的對(duì)接面的防水性能變差。

圖2 盆式絕緣子密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Seal structure of the disc insulator

由于沒有達(dá)到很好的防水性能，同時(shí)近期山東地區(qū)大面積出現(xiàn)的降雨后轉(zhuǎn)為降雪、氣溫驟降的環(huán)境條件，導(dǎo)致雨水通過罐體法蘭短接板對(duì)接面滲入罐體法蘭與盆式絕緣子連接面，雨后降雪、氣溫驟降，雨水結(jié)冰，體積膨脹，產(chǎn)生膨脹力作用在法蘭連接處，可以導(dǎo)致3方面后果:一是擠壓密封圈使其變形、導(dǎo)致密封圈與法蘭之間沒有足夠的壓縮量而漏氣;二是使碗狀墊圈產(chǎn)生彈性或塑性變形，螺栓預(yù)緊力失效，導(dǎo)致密封面處漏氣;三是使盆式絕緣子局部受力，產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致密封面處漏氣。

1.3 處理措施

(1)對(duì)出現(xiàn)裂紋的盆式絕緣子進(jìn)行更換。

(2)對(duì)盆式絕緣子與法蘭的密封面對(duì)接縫及其連接的螺栓端部進(jìn)行補(bǔ)涂防水膠工藝處理。

2 主母線漏氣原因分析

2.1 漏氣發(fā)生過程

2011年12月20日，某變電站220 kV母線氣室壓力明顯下降并報(bào)警，經(jīng)現(xiàn)場檢漏確定漏氣點(diǎn)位于該母線氣室伸縮節(jié)的盆式絕緣子法蘭對(duì)接面處。通過外觀檢查，檢修人員發(fā)現(xiàn)法蘭連接對(duì)接面有縫隙，有的地方用扳手預(yù)緊螺母，漏氣現(xiàn)象沒有了，解體檢查有水、密封面外側(cè)有部分銹蝕。

2.2 漏氣原因分析

(1)伸縮節(jié)設(shè)計(jì)問題。GIS設(shè)備安裝施工過程中，因存在零部件安裝累計(jì)誤差及土建誤差，各工程在設(shè)計(jì)GIS主母線中配置了若干組伸縮節(jié)(如圖3)，以消除安裝應(yīng)力。同時(shí)，利用此伸縮節(jié)滿足母線熱膨脹的變化及基礎(chǔ)沉降。在伸縮節(jié)設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)伸縮節(jié)補(bǔ)償?shù)深A(yù)壓縮尺寸調(diào)整不當(dāng)，碟簧力大于伸縮節(jié)補(bǔ)償?shù)稍O(shè)計(jì)要求時(shí)，會(huì)致使伸縮節(jié)與法蘭對(duì)接面出現(xiàn)裂縫而漏氣。

圖3 伸縮節(jié)實(shí)物圖Fig.3 Real graph of the expansion joint

(2)主母線結(jié)構(gòu)、密封設(shè)計(jì)問題。在主母線結(jié)構(gòu)中，因伸縮節(jié)處于兩固定點(diǎn)中間位置附近，受環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生的位移量較大，致使伸縮節(jié)附近處法蘭連接有較大變形量，部分碗狀墊圈強(qiáng)度不夠，承受不住而發(fā)生嚴(yán)重變形，使螺栓預(yù)緊力失效，法蘭密封面出現(xiàn)縫隙，破壞法蘭對(duì)接面局部密封條件，導(dǎo)致密封面處局部漏氣。

(3)緊固螺栓力矩不夠。在母線對(duì)接螺栓的緊固過程中個(gè)別螺栓沒有達(dá)到規(guī)定力矩要求，在應(yīng)力的作用下松動(dòng)，使螺栓預(yù)緊力失效，法蘭密封面出現(xiàn)縫隙，同樣也可能破壞法蘭對(duì)接面局部密封條件，導(dǎo)致密封面處局部漏氣。

2.3 處理措施

(1)將存在問題的伸縮節(jié)補(bǔ)償?shù)深A(yù)壓縮尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，使碟簧力小于伸縮節(jié)補(bǔ)償?shù)稍O(shè)計(jì)要求，以消除伸縮節(jié)處法蘭連接附加的補(bǔ)償?shù)闪Α?/p>

(2)用平墊、彈墊 (熱鍍鋅)更換以上工程的所有主母線法蘭連接的碗狀墊圈和與主母線相鄰的隔離開關(guān)法蘭連接的碗狀墊圈。

(3)按照工藝文件規(guī)定的要求進(jìn)行重新緊固，確保螺栓連接緊固有效，并將外漏的墊圈及螺栓頭涂抹防水膠。

3 預(yù)防措施

3.1 優(yōu)化SF6氣體檢漏方法

3.1.1 包扎法粗略確定漏氣位置

首先，將可能出現(xiàn)漏氣的氣室用塑料袋包扎起來，經(jīng)過一段時(shí)間的氣體沉淀后，再將便攜式氣體檢漏儀 (俗稱電鼻子)伸入包扎袋內(nèi) (如圖4)，通過檢查檢漏儀報(bào)警的情況即可判斷是否漏氣。該方法只能檢測到漏氣的大概位置，不能對(duì)漏氣點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖4 包扎法檢漏現(xiàn)場圖Fig.4 Scene diagram of bandaging method for leak detection

3.1.2 紅外法精確定位漏氣點(diǎn)

紅外成像檢漏儀的工作原理:光是由一系列單色光組成，紅外光即是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對(duì)應(yīng)頻率紅外光能量的性質(zhì)，氣體吸收紅外光最強(qiáng)的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。光穿過氣體時(shí)，特征頻率譜線光能就會(huì)被氣體吸收，從而使該頻率的光的能量減弱。SF6氣體在紅外有一個(gè)以波長 10.56 μm 為中心的吸收帶[7～9]，對(duì)應(yīng)的波數(shù)為947 cm-1。說明SF6氣體在此頻率帶內(nèi)吸收和輻射能力都很強(qiáng)，見圖5。紅外檢漏成像儀采用先進(jìn)的高靈敏度量子阱探測器，配合先進(jìn)的電子及圖像處理技術(shù)，不需要任何特定的背景，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測SF6氣體泄漏點(diǎn)，并即時(shí)形成層次感極佳、非常直觀的紅外圖像。當(dāng)沒有SF6氣體泄漏時(shí)，檢漏儀內(nèi)圖像與攝像機(jī)產(chǎn)生的圖像類似，當(dāng)產(chǎn)生氣體泄漏時(shí)，紅外光由于經(jīng)過SF6氣體的吸收而使泄漏氣體出現(xiàn)區(qū)域的視頻圖像產(chǎn)生對(duì)比變化，形成煙霧狀陰影。氣體濃度越大，煙霧狀陰影越明顯。在這種方式下，即可通過圖像中的陰影來確定其泄漏點(diǎn)和散發(fā)方向，從而使檢測人員站在地面即能快速、準(zhǔn)確定位SF6泄漏點(diǎn)。紅外成像檢漏儀的成像原理見圖6。

圖5 SF6氣體紅外吸收光譜圖Fig.5 Infrared absorption spectrogram of SF6

圖6 SF6紅外成像儀工作原理Fig.6 Working principle of the SF6infrared imager

3.1.3 激光檢測法精確定位漏氣點(diǎn)

SF6激光成像檢漏技術(shù)的原理:SF6氣體具有極強(qiáng)的紅外吸收特性，當(dāng)激光遇到SF6氣體時(shí)，會(huì)被SF6氣體吸收，激光強(qiáng)度將明顯減弱。SF6激光成像檢漏儀主要就是利用SF6氣體該特性以及反向散射/吸收理論。其工作原理為:由激光發(fā)射器瞄準(zhǔn)被測設(shè)備區(qū)域發(fā)出入射激光，入射激光經(jīng)過背景反射會(huì)形成反向散射激光進(jìn)入激光攝影機(jī)成像系統(tǒng)。在沒有泄漏氣體的情況下，所產(chǎn)生的反向散射激光與反向散射陽光產(chǎn)生的圖像相同;在有泄漏氣體的情況下，發(fā)出的入射激光遇到泄漏的SF6氣體，會(huì)被吸收一部分，返回到激光攝影機(jī)成像系統(tǒng)的激光強(qiáng)度由于經(jīng)過氣體煙霧的吸收將會(huì)減弱，從而形成與無泄漏時(shí)不同的激光成像。SF6氣體濃度越高，吸收就越大，激光成像對(duì)比度也越大。在這種方式下，一般的非可視氣體將在視頻中可見，其泄漏源和移動(dòng)方向都可以方便確定。該技術(shù)使正常不可見的SF6氣體泄漏在標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示中可視化，檢測人員在監(jiān)視器上就可實(shí)時(shí)檢測SF6氣體，由此可以發(fā)現(xiàn)有無SF6氣體泄漏[10～12]。SF6激光成像檢漏儀原理如圖7所示。

利用該原理開發(fā)的SF6激光成像檢漏儀主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、放大成像及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、顯示及記錄系統(tǒng)等組成。SF6激光成像檢漏儀組成如圖8所示。

圖7 SF6激光成像檢漏儀原理圖Fig.7 Schematic diagram of the laser imaging leak detector for SF6

圖8 SF6激光成像檢漏儀組成Fig.8 Composition of the laser imaging leak detector for SF6

基于激光成像技術(shù)的SF6設(shè)備帶電檢測，能夠遠(yuǎn)距離帶電檢測SF6氣體泄漏，可使無色無味的SF6氣體在顯示屏上以可見的動(dòng)態(tài)煙云形式顯現(xiàn)出來，從而可以直觀、準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)并定位泄漏點(diǎn)。利用激光成像技術(shù)進(jìn)行SF6氣體泄漏檢測方法，與常規(guī)方法相比較，可以安全地在遠(yuǎn)距離對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測，保障了運(yùn)行、檢修人員的健康和安全;減少了停電時(shí)間，提高了設(shè)備的供電可靠性;SF6氣體泄漏激光成像技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了現(xiàn)場漏點(diǎn)的查找效率，為實(shí)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修創(chuàng)造了良好條件。

3.2 對(duì)漏氣問題開展預(yù)防性措施

(1)對(duì)GIS設(shè)備的制造工藝，應(yīng)嚴(yán)格按照工藝過程進(jìn)行生產(chǎn)控制，并以技術(shù)文件為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，保證設(shè)備質(zhì)量。

(2)對(duì)山東地區(qū)220 kV GIS設(shè)備，加強(qiáng)巡視檢查，采用紅外和激光檢漏儀器進(jìn)行定期檢查，密切注意氣體壓力變化。

(3)2012年3～4月，待山東地區(qū)天氣轉(zhuǎn)暖后雨季來臨前，對(duì)密封面對(duì)接縫及其連接的螺栓端部進(jìn)行排查并補(bǔ)涂防水膠工藝處理，防止冬季雨水進(jìn)入密封面而導(dǎo)致氣體密封故障的再次發(fā)生。

(4)在各站的主母線伸縮節(jié)處做好明顯標(biāo)記、當(dāng)時(shí)的溫度記錄、時(shí)間記錄，以便后續(xù)對(duì)伸縮節(jié)的變形量進(jìn)行跟蹤分析。

(5)在產(chǎn)品的廠內(nèi)裝配及現(xiàn)場安裝過程中，嚴(yán)格按照相應(yīng)安裝作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定作業(yè)，提高現(xiàn)場安裝質(zhì)量，完全按照安裝工藝守則執(zhí)行，以消除人為因素造成的現(xiàn)場運(yùn)行問題。

4 結(jié)論

針對(duì)山東地區(qū)近期出現(xiàn)的幾起220 kV GIS設(shè)備漏氣事故，總結(jié)了分支結(jié)構(gòu)和主母線結(jié)構(gòu)兩種易于發(fā)生漏氣的部位，結(jié)合實(shí)例對(duì)漏氣原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析。同時(shí)，針對(duì)漏氣現(xiàn)象發(fā)生后漏氣點(diǎn)難以準(zhǔn)確查找而致使漏氣加劇的問題，文章提出了通過包扎后利用便攜式檢漏儀粗略估計(jì)漏氣位置，然后利用紅外檢漏儀、激光成像檢漏儀精確定位的方法，該方法能夠快速準(zhǔn)確地查找漏氣點(diǎn)。最后，從設(shè)備設(shè)計(jì)制造工藝、安裝工藝、以及日常維護(hù)等方面對(duì)漏氣問題提出了預(yù)防性措施，具有較強(qiáng)的現(xiàn)場指導(dǎo)意義。

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