三門核電站550 kV GIS安裝要點分析及控制1)

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas insulated Switchgear,GIS)利用SF6氣體的優(yōu)良絕緣性能，將斷路器(CB)、隔離開關(guān)(DS)、電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、避雷器(LA)等多種設(shè)備以及主母線、分支母線組合在一起。它具有元件可以隨意組合，占地面積小，維護工作量小等特點，廣泛應(yīng)用于發(fā)電站、110 kV及以上變電站。GIS設(shè)備主體結(jié)構(gòu)采用同軸圓柱體間隙，電場分布屬于稍不均勻電場，運行可靠性高，故障率遠低于敞開式開關(guān)站設(shè)備的平均水平，與常規(guī)電氣設(shè)備方案相比，外露帶電體少，對地閃絡(luò)的幾率僅為常規(guī)電氣設(shè)備方案的30%～50%[1]。

三門核電站550 kV GIS的功能是作為發(fā)電和配電的連接樞紐，一方面接受發(fā)電機發(fā)出的電能，通過架空線把電能從核電站輸送到電網(wǎng)。另一方面，在機組啟停期間，550 kV系統(tǒng)電源作為優(yōu)先電源，通過主變和廠變對廠用負荷供電，屬于發(fā)變電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。對三門核電站而言，若發(fā)生550 kV GIS設(shè)備故障導(dǎo)致核電站與電網(wǎng)之間的優(yōu)先級電源電路被切斷，在其維修周期內(nèi)將導(dǎo)致核電站無法外送電能，這對核電機組將是一個較大的損失。

1 三門核電站一期工程550 kV GIS特點及安裝流程

三門核電站一期工程550 kV GIS為3相，50 Hz，進出線回路的額定電流為5000 A，短路電流為63 kA，總計140個氣室，斷路器氣室額定壓力0.6 MPa，其他氣室0.5 MPa[2]。設(shè)備由新東北電氣高壓開關(guān)有限公司(以下簡稱“新東北”)供貨，采用“一個半斷路器”接線方式，建設(shè)規(guī)模為兩進兩出，出線側(cè)與架空線連接，進線側(cè)與氣體絕緣金屬封閉母線(GIL)連接。此外一期工程兩段主母線有預(yù)留端口供二期擴建使用。

由于GIS結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備為單體到貨后在施工現(xiàn)場組裝，且法蘭對接要求精密度高，這些對安裝都提出了很高的要求，如安裝過程質(zhì)量控制不嚴容易導(dǎo)致后期故障的發(fā)生，主要包括絕緣類故障和氣密性故障。在進行一期工程550 kV GIS安裝施工前，現(xiàn)場結(jié)合設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點及易發(fā)生的故障明確了安裝驗收重點控制工序，具體安裝流程如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備安裝流程圖Fig.1 Flow chart of GIS installation

2 安裝故障分析及控制措施

根據(jù)GIS結(jié)構(gòu)特點、廠外經(jīng)驗反饋及相關(guān)文獻資料對GIS事故類型的統(tǒng)計，GIS故障主要包括絕緣類故障和氣密性故障兩大類。

(1)絕緣類故障

絕緣類故障是GIS故障的最主要原因，經(jīng)統(tǒng)計，約占總量的70%[1]。絕緣類故障主要表現(xiàn)為由于盆式絕緣子、絕緣操作桿、支持絕緣子等固體絕緣介質(zhì)表面發(fā)生沿面放電，造成導(dǎo)體對地或相間短路。其誘因主要是絕緣部件選材不合格、制造質(zhì)量不良和安裝工藝控制不嚴。

(2)氣密性故障

GIS設(shè)備氣密性故障指的是在運行維護過程中發(fā)現(xiàn)GIS氣室內(nèi)SF6壓力下降，泄漏率過大，導(dǎo)致SF6低壓報警，無法滿足正常的絕緣要求，以及外界環(huán)境中的水汽進入GIS氣室中引起SF6微水過高。根據(jù)分析，氣密性故障的主要原因包括設(shè)備密封面光潔度及氣密性不合格，密封圈老化、變形，密封圈安裝位置不合格，螺栓未擰緊。

結(jié)合上述兩類常見的故障類型及GIS設(shè)備安裝流程圖，制定了故障因果分析及應(yīng)對措施表，如表1。

三門核電站一期工程GIS安裝期間，現(xiàn)場針對故障應(yīng)對措施表，采取質(zhì)量監(jiān)督選點見證的方式，對于安裝過程中的關(guān)鍵點進行了全過程的質(zhì)量控制。關(guān)鍵控制點包括：開箱驗收控制、安裝環(huán)境控制、設(shè)備清潔控制、斷路器定位、導(dǎo)體插入深度及回路電阻試驗、密封圈安裝、法蘭面密封、氣室氣密性檢查、SF6氣體純度控制等。下面分為安裝前、中、后進行重點分析。

2.1 安裝前控制措施

2.1.1 設(shè)備開箱驗收控制

三門核電站一期工程550 kV GIS設(shè)備為單體到貨，現(xiàn)場組裝的方式。斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、主母線、斜跨母線等主設(shè)備總計195件，每件均單箱到貨。為減少設(shè)備到貨后的運輸周轉(zhuǎn)次數(shù)，降低設(shè)備由于轉(zhuǎn)運而產(chǎn)生質(zhì)量問題的風(fēng)險，現(xiàn)場采取設(shè)備直接運輸?shù)?50 kV開關(guān)站進行開箱驗收的措施。

鑒于一期工程中多次發(fā)現(xiàn)母線、電流互感器等設(shè)備外殼損壞，震動指示劑變紅的問題，開箱驗收應(yīng)重點檢查如下方面：

1)每個盆式絕緣子、導(dǎo)體和觸頭表面是否有裂痕或刮擦；

表1 GIS故障因果分析及應(yīng)對措施表Table 1 Fault analysis and countermeasures for GIS

2)斷路器、避雷器、母線等主設(shè)備的運輸震動器狀態(tài)，若發(fā)生運輸震動器變色，說明設(shè)備在運輸過程中發(fā)生震動，其內(nèi)部導(dǎo)體及盆式絕緣子可能受損[3];

3)清點螺栓、螺帽、化學(xué)藥劑等散件的數(shù)量。

2.1.2 安裝環(huán)境控制

保證現(xiàn)場安裝環(huán)境的清潔度，是控制GIS設(shè)備內(nèi)部清潔的關(guān)鍵，也是確保GIS設(shè)備安裝質(zhì)量的首要任務(wù)。為確保安裝環(huán)境的清潔度，應(yīng)建立清潔區(qū)，做到廠房除塵，通過臨時通風(fēng)降低濕度，地面鋪塑料地毯，廠房封閉式管理，控制出入廠房人員數(shù)量。GIS廠房內(nèi)懸掛溫濕度計，每天施工前檢查濕度是否符合要求，現(xiàn)場要求廠房濕度小于80%[4]才允許安裝作業(yè)。此外需要求GIS主設(shè)備安裝前完成開關(guān)站的土建、火警、照明、暖通等小安裝施工,以防止交叉作業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境不滿足GIS設(shè)備安裝要求。

2.2 安裝過程控制措施

2.2.1 設(shè)備的清潔控制

在GIS廠房環(huán)境滿足要求后，安裝過程中尤其是設(shè)備開蓋后的清潔控制就尤為重要。GIS的導(dǎo)體表面和絕緣面都要進行仔細的檢查和清潔。對于表面的劃痕及灰塵，使用百潔布砂光，再用吸塵器吸走金屬粉末及其他雜質(zhì)，為防止擴大污染范圍，禁止用吹掃或抹掉的措施。清潔完成后使用溶劑對導(dǎo)體和法蘭面進行擦拭[3]。1)導(dǎo)體、觸頭、外殼內(nèi)側(cè)使用乙醇溶液；2)盆式絕緣子使用丙酮溶液。

值得一提的是，應(yīng)特別關(guān)注對導(dǎo)體和觸頭插接部分區(qū)域的清理，以防內(nèi)部存在殘留的金屬導(dǎo)電顆粒。

2.2.2 斷路器定位精度控制

550 kV GIS設(shè)備是通過封閉母線相互連接的，斷路器為臥式布置在所有其他設(shè)備的最下方，其上方為電流互感器、隔離開關(guān)、母線等?，F(xiàn)場施工以斷路器為起點安裝，由于GIS的對接面多，主母線很長，其誤差會隨安裝設(shè)備的增多而累積，所以在斷路器埋件基礎(chǔ)定位畫線的時候就要準確。其畫線誤差不應(yīng)超過±1 mm[4]。

斷路器埋件定位畫線時先畫出廠房中心線，再以廠房中心線為基礎(chǔ)根據(jù)GIS安裝平面圖和斷路器尺寸及間距要求，在地面上劃出18個斷路器單元的埋件位置。為更加精確地控制斷路器安裝精度，需在埋件安裝就位后進行標高復(fù)測，若存在誤差，則應(yīng)選取最高點為找正的參考點，其他測量點采用加墊片的方法進行調(diào)整。需注意不同斷路器高度偏差應(yīng)≤10 mm[4]。

標高找正完成后，再對X軸、X1軸進行找正，最終對Y軸進行找正，如圖2。所有斷路器都就位找正后，在兩端斷路器端蓋板側(cè)和機構(gòu)側(cè)各拉一根細鋼絲檢查所有斷路器是否在一條直線上，如有偏差則可進行微調(diào)。再使用卷尺對相鄰斷路器間距進行復(fù)測，要求誤差在±10 mm[4]以內(nèi)，最終根據(jù)勾股定理選取斜線方向進行測量滿足計算要求，復(fù)測示意圖如圖3。在進行上述措施多次復(fù)測檢查后，就可以確保斷路器的安裝的高精度控制。

圖2 斷路器找正Fig.2 Alignment of CB

圖3 斷路器安裝精度復(fù)測示意圖Fig.3 Installation of CB

2.2.3 導(dǎo)體安裝及回路電阻測試

根據(jù)廠外經(jīng)驗反饋[5]，某變電站GIS母線內(nèi)部發(fā)生對地短路故障，最終查明故障原因為GIS現(xiàn)場安裝時導(dǎo)電桿未安裝到位，致使導(dǎo)電桿與觸頭接觸不良，觸頭發(fā)熱融化，最終造成母線導(dǎo)體對外殼放電的單相接地短路故障。550 kV GIS的導(dǎo)體安裝完成后需對插入深度進行檢查，通過測量導(dǎo)體長度L1和導(dǎo)體頂端至導(dǎo)體內(nèi)表面與觸頭接觸處的距離L2，兩者差值L0在40～100 mm范圍內(nèi)即合格，如圖4。

圖4 導(dǎo)體插入深度詳圖Fig.4 Conductor insertion depth detail

設(shè)備安裝完成后，為驗證安裝質(zhì)量，進行主回路導(dǎo)電電阻測量?，F(xiàn)場將GIS分為48段(單相)進行測量，其中1號、2號主變側(cè)小GIS各6段，具體如圖5。

現(xiàn)場采用直流降壓法，使用5502回路電阻測試儀測量，測試電流100 A。試驗時斷開本段范圍內(nèi)所有接地開關(guān)的接地連接，合上隔離開關(guān)和斷路器。測量值最大不得超過廠家標準的20%[6]，此外還應(yīng)注意三相平衡度，相同結(jié)構(gòu)的裝配單元的回路電阻值相差不得大于10%。通過安裝過程中導(dǎo)體插入深度、精度的嚴格控制，550 kV開關(guān)站內(nèi)36個回路的試驗值均符合要求，見表2。

2.2.4 密封圈的安裝要求

GIS法蘭面密封主要通過密封圈來實現(xiàn)，因此密封圈的質(zhì)量及其安裝質(zhì)量對于GIS密封性能是一個重點?，F(xiàn)場某段斜跨母線后發(fā)現(xiàn)真空度不能保持，經(jīng)過三次排查，查明是隔離開關(guān)機構(gòu)側(cè)小密封圈損壞漏氣。所以GIS每個部件使用到的密封圈都是潛在的漏氣點，對密封圈的檢查及安裝質(zhì)量控制是確保GIS密封性能的一個最重要措施。

在使用密封圈前應(yīng)檢查密封圈是否老化，有無裂痕及是否壓扁變形。根據(jù)國標“已用過的密封墊(圈)不得使用[4]”的強制標準，GIS密封圈一律不得二次使用。

在法蘭面密封槽內(nèi)安放密封圈時，不得損傷密封圈，安放好后在密封圈外圈側(cè)的密封槽內(nèi)均勻地涂抹道康寧111密封膠[3]，以防止擰螺栓時密封圈跑偏、滲漏。需要注意的是，密封膠絕不能抹到密封圈的內(nèi)圈側(cè)，這樣才能保證在對氣室抽真空時密封膠不被吸入到氣室內(nèi)影響絕緣性能。

法蘭螺栓固定后，室外區(qū)域的法蘭密封面的螺栓孔處均應(yīng)加注密封膠，以保護密封圈免受日曬雨淋及酸堿霧氣的腐蝕。

圖5 主回路電阻測量方案Fig.5 Main circuit resistance measurement scheme

表2 550 kV GIS回路測試結(jié)果

2.2.5 法蘭面密封及力矩要求

本工程在GIS的法蘭連接時，采用了定位銷來實現(xiàn)準確對接(見圖6)。此外還可以過調(diào)節(jié)波紋管長度來調(diào)整法蘭間隙。隨后開始法蘭面的固定，為確保整個法蘭面整體密封，在安裝螺栓時，要采用圖7所示的順序，至少分三次來完成所有螺栓的安裝工作，安裝時需滿足M16螺栓力矩值160 N·m，M12螺栓力矩值70 N·m的要求[3]。

圖6 采用定位銷進行法蘭對接Fig.6 Flange butt joint by positioning pin

圖7 法蘭螺栓固定的順序Fig.7 Order of flange bolt fixation

2.3 安裝后措施

2.3.1 氣密性檢查

在每個氣室完成安裝及密封后進行抽真空[3]。要求抽真空至133 Pa，查看氣室的真空度在15 min內(nèi)不變，則繼續(xù)抽真空直至40 Pa，開始計算時間，維持真空泵運轉(zhuǎn)時間至少30 min，停泵并與泵隔離，檢查真空度并記錄數(shù)值，靜置15 min后再檢查真空計的讀數(shù)是否大于133 Pa，如大于說明有漏氣的地方，如小于則說明抽真空合格，繼續(xù)抽真空2 h以上，目的是盡量抽出水分。這也是在對氣室充SF6氣體之前采取的一種檢漏方法。

除了這種抽真空檢漏法，漏氣檢查法還有另一種：檢漏儀檢漏法。

檢漏儀檢漏法[8]是根據(jù)GB 50150—2006 14.0.4規(guī)定，采用靈敏度不低于1×10-6(體積比)的檢漏儀對各氣室密封部分、管道接頭等處進行檢測時，檢漏儀不應(yīng)報警。在三門核電站一期工程中，采用局部包扎法進行氣體泄漏測量，在氣室內(nèi)充入額定壓力的SF6后，對每個法蘭面、截止閥及氣體管路所在位置包裹上塑料薄膜，盡可能構(gòu)成圓形或方形并確保包裹嚴實，最后用膠帶沿邊緣粘貼密封。塑料薄膜與被測設(shè)備之間應(yīng)保持一定的間隙，積蓄24 h后使用SF6檢漏儀進行檢測，查看是否有泄漏。三門核電站一期工程通過抽真空檢漏法和檢漏儀檢漏法的結(jié)合使用確保每個氣室的氣密性符合要求。

2.3.2 SF6氣體純度控制

SF6具有優(yōu)異的滅弧性能和絕緣能力，在高壓設(shè)備中作為絕緣和滅弧介質(zhì)應(yīng)用廣泛。但一旦大氣中的水分浸入或固體介質(zhì)表面受潮，SF6氣體過量水分可能會凝結(jié)在固體介質(zhì)表面而發(fā)生閃絡(luò)，使設(shè)備絕緣性能下降；另一方面，在電弧的作用下SF6氣體中的水分和觸頭材料會發(fā)生如下反應(yīng)：

(1)

其中CuF2和WO3是固體粉末，WO3極易吸潮，當其附著于絕緣件表面時，會造成閃絡(luò)電壓值下降；HF有腐蝕性，會腐蝕斷路器弧觸頭及其他元件；SF4和SO2F2會影響呼吸系統(tǒng)進而造成窒息。所以SF6氣體純度控制是預(yù)防GIS設(shè)備絕緣類故障的一個重要控制點?，F(xiàn)場控制措施為：1)SF6氣體出廠檢驗；2)SF6氣體到場送檢；3)SF6氣瓶全數(shù)微水試驗；4)SF6氣室微水試驗。

SF6氣瓶到貨后，現(xiàn)場要求供貨廠家提供氣瓶的檢驗報告，確保SF6氣體純度和空氣、CF4、HF、礦物油的含量均滿足工業(yè)六氟化硫國標[7]要求。GIS安裝前，根據(jù)國標要求按10%比例外送計量院檢驗。

本工程GIS氣室微水含量限值要求如下[6]：1)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)氣室微水含量要求小于150 μL/L；2)其他氣室微水含量要求小于250 μL/L；3)氣瓶微水含量要求小于40.58 μL/L。SF6微水測試使用露點法。各氣室充SF6氣體至額定壓力后使用微水測量儀進行測量，其儀器顯示值為露點，得出露點溫度后查SF6氣體露點微水對照表即可得到用體積比表示的濕度。該濕度為測量環(huán)境溫度t下的體積比，為了與標準進行比較，需換算為20 ℃下的體積比濕度，換算公式如下：

(2)

式中:KV——20 ℃下被測氣體的體積比濕度(×10-6);

KVt——環(huán)境溫度t下被測氣體的體積比濕度(×10-6);

P1——環(huán)境溫度t下SF6氣體壓力(Pa);

P2——換算到20 ℃下SF6氣體壓力(Pa);

P1S——環(huán)境溫度t下飽和水氣壓值(Pa);

P2S——換算到20 ℃下飽和水氣壓值(Pa)。

由理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT得：

(3)

此外，充氣時應(yīng)使用減壓閥，控制壓力不宜過大，防止凝露，以緩慢上升為宜，防止液態(tài)SF6進入氣室內(nèi)從而使壓力過量升高。為提高充氣的效率，可使用電加熱帶的方法對鋼瓶進行加熱，使液態(tài)SF6氣體加速氣化，提高鋼瓶內(nèi)氣體壓力以保持連續(xù)充氣。加熱氣瓶時，現(xiàn)場使用溫度計測量，控制最高溫度小于40 ℃。

3 結(jié)論和建議

GIS設(shè)備的安裝質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備運行的可靠性。從三門核電站一期工程550 kV GIS安裝的實施情況來看，對以下幾個方面進行有效控制能夠很好確保GIS的最終安裝質(zhì)量。

3.1 針對絕緣類故障

1)到貨驗收重點檢查盆式絕緣子、導(dǎo)體、震動指示劑。

2)施工環(huán)境清潔度及濕度控制。

3)安裝時做好設(shè)備清潔度控制、排除內(nèi)部雜質(zhì)。通過質(zhì)量選點見證、旁站監(jiān)督、檢查安裝原始記錄、安裝后進行復(fù)測等措施，重點控制單體設(shè)備安裝誤差和導(dǎo)體插入深度。

4)設(shè)備整體安裝完成后，通過回路電阻測試來驗證安裝質(zhì)量。

5)SF6氣體純度及微水控制。

3.2 針對氣密性故障

1)施工環(huán)境清潔度及濕度控制。

2)法蘭安裝時注意法蘭面的清潔度，重點對密封圈的安裝、密封脂涂抹進行全程見證驗收，提高安裝質(zhì)量。

3)對接完成后采用定位銷提高法蘭面對接精準，重點控制螺栓緊固順序及確保力矩滿足要求。

4)單個氣室安裝完成后便立即進行抽真空，確保氣室內(nèi)的水分吸出并對氣室密封性進行驗證。

5)室外區(qū)域法蘭密封面的螺栓孔處均應(yīng)加注密封膠以防進水及酸堿霧氣的腐蝕。

除了上述提到的施工要點，根據(jù)一期工程的經(jīng)驗反饋，在二期工程中還需注意以下事宜：

1)采購不同型號的密封圈作為備件，同樣適用于220 kV GIS。備用的密封圈可用于接口施工，故障排除，維修時使用，減少對施工及維修進度的影響。

2)螺栓力矩驗收控制。一期工程550 kV GIS安裝完成后，發(fā)現(xiàn)部分法蘭面螺栓力矩未達到規(guī)范要求，后續(xù)對全部螺栓進行了排查并整改。二期工程將對螺栓力矩進行全數(shù)檢查，制作力矩記錄卡，由施工和質(zhì)檢人員確認后簽字，確保力矩符合要求并有據(jù)可尋。

3)相鄰氣室氣壓差控制。根據(jù)廠外經(jīng)驗反饋，某變電站GIS不同氣室間的盆式絕緣子由于受兩側(cè)壓力差過大而損壞。在三門核電站一期工程GIS安裝時，在所有設(shè)備均抽真空完成后，先注氣至0.1 MPa，再充至額定壓力。同時在后續(xù)接口施工對某氣室抽真空時，需確保相鄰氣室壓力降至額定壓力的一半，減少兩側(cè)壓差過大對盆式絕緣子的損壞。

4)一期工程新東北供貨的SF6壓力表直接與氣室連接，缺少總閥門，導(dǎo)致表計校驗拆除時的工作量很大，容易導(dǎo)致接口損壞。這樣也不能滿足國家電網(wǎng)《防止電力生產(chǎn)事故的25項重點要求》中關(guān)于SF6儀表在線校驗的要求。建議二期工程廠家在氣室壓力表前增加截止閥。此外一期工程550 kV GIS母線及接地開關(guān)、隔離開關(guān)氣室的SF6壓力表位置過高，表值難以讀取。建議二期工程廠家新增氣室SF6壓力采集裝置，將每個氣室的壓力值信號傳遞至就地側(cè)，方便后續(xù)運行、維護人員讀取。

通過對GIS設(shè)備潛在故障的分析明確安裝要點并嚴格控制，對廠內(nèi)外經(jīng)驗反饋及時響應(yīng)并采取行之有效的措施，同時對設(shè)備、施工等方面的不斷改進以滿足使用需求，可很大程度提高GIS運行的可靠性。